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轮胎频率传感器基于SP37的新型胎压监测系统TPMS系统设计

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汽车胎压监测系统(Tyre Pressure Monitoring System,TPMS)是一种能对汽车轮胎气压、温度进行自动检测,并对轮胎异常情况进行报警的预警系统。目前直接式TPMS发射模块较多采用以下两种方案:1)电池+单片机+传感器+射频芯片,2)是电池+内部集成MCU的传感器+射频芯片。前一种方案由于集成度低、体积和功耗大而被市场逐渐淘汰,后一种方案是当前市场上较为先进的产品设计形式。随着半导体及硅显微机械加工技术的快速发展,一种新的设计方案即电池+内部集成MCU和RF的专用传感器正成为TPMS发射模块设计的主流。这种方案集成度更高,体积和功耗更小,使用寿命更长,产品竞争力也更强。本文选用Infineon新一代系统级芯片SP37作为胎压传感器和射频发射器,选用MAXIM公司的MAX1473作为接收芯片,设计完成了一种新型胎压监测系统。

  1 系统描述

  胎压监测系统组成如图1所示,轮胎压力传感器分别安装在4个车轮轮毂上,负责测量轮胎内部的压力、温度和电池电压等物理状况,并将测量数据通过无线形式按照一定的规律发给胎压控制器。驾驶员通过胎压控制器上的显示屏和按键可查看4个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的温度、压力或电池电压超过了报警阀值,胎压控制器能够准确识别轮胎的位置,并且发出图形、声音、文字报警。

  2 系统硬件方案设计

  该TPMS系统包括两种硬件模块:轮胎压力传感器和胎压控制器,两种模块的硬件结构如图2所示。轮胎压力传感器主要由电池和集传感器、单片机和RF发射单元于一体的SP37组成,外围器件少,重量轻,成本低。胎压控制器采用了基于ASK调制模式的MAX1473作为无线接收芯片,由8位单片机控制实现数据的接收、显示和报警。本设计方案遵循欧洲标准,无线信号调制中心频率为433.92 MHz。

  2.1 SP37应用设计

  传感器和射频是无线轮胎压力传感器设计的关键。由于轮胎压力传感器安装在轮毂上,采用能量有限的锂电池供电,因此实现传感器和射频功能的芯片需具有以下两个特点:

  1)集成度高,外围器件尽可能少,便于进行可靠性设计;

  2)最小可工作电压低,功耗低,有多种工作模式,便于根据具体工作状态进行功耗管理,以尽可能延长监测模块的工作寿命。

  根据以上特点,并经过分析比较,最终选用了SP37这款高集成度系统级芯片。SP37是调频范围为300~450 MHz的胎压传感器芯片,内部集传感器、单片机和RF发射单元于一体,最大输出功率+8 dBm(50 Ω负载),最低1.9 V工作。应用电路如图3所示,主要包括电源滤波电路、晶振电路和天线匹配电路三部分。由于RF芯片对汽车电磁噪音非常敏感,恰当有效的滤波电路能很好地抑制噪音,提高可靠性,因而靠近电源引脚配置了滤波电容C1、C4和C6。SP37常用调制频率有315 MHz和433.92 MHz两种,不同调制频率所选用的晶振也不同。若调制频率为315 MHz,那么外部晶振频率G1应为19.687 5 MHz;若调制频率为433.92 MHz,G1则应为18.08 MHz。L1、L2、C2、C3和C5组成了天线匹配网络,通过优化这些参数可以将特定阻抗的天线匹配到SP37功率放大器的输出阻抗500 Ω,以抑制谐波,提高天线的效能。本设计采用气门嘴作为天线,通过软件仿真和反复测试验证,最佳匹配电路如图3所示。

  2.2 MAX1473射频应用设计

  胎压控制器可以直接由车载电源供电,对功耗的要求不是很严格。由于胎压控制器安装于车厢内,考虑到金属车身的屏蔽效应,高灵敏度是选择射频接收芯片时考虑的重要因素。而与FSK(frequency-shift-keyed,频移键控)制式的接收芯片相比,ASK制式的接收芯片具有更高的灵敏度,成本也较低,因此最终选用MAXIM公司的超外差接收机MAX1473来完成胎压传感器SP37射频无线信号的可靠接收,其应用电路如图4所示。

 MAX1473具有-114~0d Bm的信号输入范围,调制频率范围300~450MHz,接收数据速率最大为100 kb/s,内部集成了低噪声放大器、全差分镜频抑制混频器、带压控的片上锁相环、10.7 MHz中频限幅放大器以及模拟基带数据恢复电路,只需少量的外部器件即可构成胎压接收器的射频前端。MAX1473外围电路主要包括3部分:LNA调谐电路、输入匹配和晶振电路。LNA调谐电路由连接在LNAOUT引脚的L2和C9组成,谐振频率。

  其中,LTOTAL和CTOTAL包括L2、C9以及PCB板引线、封装引脚的寄生电感和电容,混频器输入阻抗和LNA输出阻抗。为了提高灵敏度,谐振频率需尽可能接近所希望的RF输入频率。在本设计中,RF输入频率为433.92 MHz,当L2=15 nH,C9=3.0 pF时,接收灵敏度最高。LNASRC引脚与参考地之间的外部电感L3用于改善芯片外部的电感效应,并将LNAIN输入阻抗的实部设置为50 Ω。这时LNA的输入端等效于一个50Ω电阻与一个2.5 pF电容串联,输入阻抗为:f.JPG。当RF输入频率为433.92 MHz时,Z=50-j145。为消除输入阻抗的虚部,匹配50 Ω天线,可算出匹配电感L4约为73 nH。对于315 MHz系统,晶振G1频率为4.754 7 MHz;对于433.92 MHz系统,晶振G1频率为6.612 8 MHz,串联电容C1、C2用于修正因电路板寄生电容导致的晶振频率偏移。

  3 系统软件方案设计

  如何节能是轮胎压力传感器模块软件设计的关键问题。一个传感器模块要在一节几百毫安时的电池下工作2年以上,而射频发送数据帧时耗电最大,因此在保证数据传输正确的前提下应尽量减少发送次数。发射模块软件流程如图5所示,本设计采用了基于素数的动态时延算法,即各轮胎上的传感器模块在完成温度、压力的测量以后,分别按1 000ms×N1(N1为小于20的随机素数)延时后再将数据发送出去。与采用固定周期的延时算法相比,这种动态时延算法能大大降低数据发送冲突的概率。此外,如果传感器检测到轮胎静止超过1 h,则会自动进入休眠模式,即不再发送数据,直到被加速度信号唤醒。胎压控制器即接收模块的软件流程如图6所示。

  4 性能测试

  本设计方案样机已研制出,经反复测试具体性能指标如下:

1)可监测胎压范围为0~4.5 bar,分辨率25 mbar,通常轿车的轮胎气压在2.2~2.8 bar之间;
2)可监测温度范围:-40~125℃,分辨率2℃,轿车的轮胎温度一般约75℃;
3)轮胎压力传感器发射功率用频谱分析仪测得在-40 dBm左右,胎压控制器接收灵敏度在-100 dBm;
4)采用500 mAh的电池,若每天正常行车12 h,发射模块可正常工作6年以上。

  5 结束语

  目前,轮胎压力监测系统的强制标准已送交国家有关部门审核,汽车标配TPMS安全系统成为必然的趋势。本文基于SP37集成度高、可靠性强、功耗低的优点,选用MAX1473设计实现了一种新的无线胎压监测系统,该系统工作稳定可靠,具有很好的市场前景

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