引言
汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓、溫度進行自動檢測，并對輪胎異常情況進行報警的預(yù)警系統(tǒng)。TPMS系統(tǒng)可分為間接式和直接式兩種。間接式是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。直接式利用安裝在每一輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的接收器上。
目前直接式TPMS發(fā)射模塊較多采用以下兩種方案：一種是電池+單片機+傳感器+射頻芯片，另一種是電池+內(nèi)部集成MCU(微控制器)的傳感器+射頻芯片。前一種方案由于集成度低、體積和功耗大而被市場逐漸淘汰，后一種方案是當(dāng)前市場上主流的產(chǎn)品設(shè)計形式。由于幅移鍵控(ASK)信號調(diào)制模式具有功耗低、靈敏度高以及低成本的優(yōu)點，本文選用基于ASK模式的MAX7044作為發(fā)射芯片，英飛凌公司的SP30作為傳感器設(shè)計完成了一種新型胎壓發(fā)射模塊。
發(fā)射模塊硬件設(shè)計
發(fā)射模塊硬件主要由傳感器SP30、MAX7044、電池和天線組成，如圖1所示。內(nèi)部集成MCU的傳感器SP30通過串行通信接口把數(shù)據(jù)送給MAX7044發(fā)射出去，電池為二者供電。本設(shè)計中所選用的器件工作溫度均為汽車級(-40～+125℃)，以滿足輪胎內(nèi)發(fā)射模塊復(fù)雜惡劣環(huán)境下可靠工作的要求。該方案遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)，無線信號調(diào)制中心頻率為433.92MHz。
SP30應(yīng)用設(shè)計
SP30是英飛凌公司推出的胎壓檢測專用傳感器芯片，內(nèi)部不但有壓力、溫度、加速度和電池電壓傳感器，而且集成了一個8位哈佛結(jié)構(gòu)的RISC單片機，工作電壓范圍1.8~3.6V，壓力測量范圍0~3.5Bar，溫度測量范圍-40~+125℃，應(yīng)用電路如圖2所示。SP30外圍器件很少，只需要接一個3V的電池和濾波電容即可。
SP30可在四種模式下工作，即低功耗模式、空閑模式、運行模式和熱關(guān)斷模式。其中，低功耗模式功耗最小，所以SP30應(yīng)盡可能處于該工作模式，以保證電池有較長的使用壽命。P14和P15為串行通信口，P14為串行數(shù)據(jù)，P15為MAX7044提供的外部時鐘，時鐘頻率為847.5kHz ，P17無用接地。XP1為調(diào)試接口。
MAX7044射頻應(yīng)用設(shè)計
無線發(fā)射芯片是發(fā)射模塊可靠工作的關(guān)鍵。由于發(fā)射模塊安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此發(fā)射芯片的選型需具有以下兩個特點：
● 功耗低，支持ASK調(diào)制，有多種工作模式，便于根據(jù)具體工作狀態(tài)進行功耗管理，以盡可能延長電池的使用壽命;
● 芯片最小可工作電壓低，且具有足夠大的發(fā)射功率。
根據(jù)以上特點，并經(jīng)過分析比較，我們最終選用了MAX7044這款性價比高的發(fā)射芯片。
MAX7044是Maxim公司生產(chǎn)的300MHz～450MHz頻率范圍內(nèi)ASK調(diào)制芯片，最大輸出功率+13dBm(50Ω負(fù)載)，供電電壓最低2.1V工作，低功耗模式電流只有幾十納安，內(nèi)部集成了功率放大器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)等電路，采用8引腳SOT23小封裝設(shè)計。應(yīng)用電路如圖3所示，主要包括電源去耦電路、晶振電路和天線匹配電路三部分。由于RF(射頻)芯片對電源的噪音非常敏感，恰當(dāng)有效的電源去耦電路能很好的抑制噪音，提高可靠性，因而靠近3V電源引腳配置了去耦電容C5。MAX7044常用調(diào)制頻率有315MHz和433.92MHz兩種，不同調(diào)制頻率所選用的晶振也不同。調(diào)制頻率fRF和所選晶振頻率fXTAL的關(guān)系是：fXTAL=fRF/32 。本設(shè)計調(diào)制頻率為433.92MHz，那么外部晶振頻率G1應(yīng)為13.56MHz，輸出頻率CLK-OUT為晶振頻率16分頻即847.5kHz。輸出頻率CLK-OUT用于給壓力溫度傳感器SP30內(nèi)部的微控制器提供操作時序。MAX7044功率放大器(PA)的輸出阻抗為125Ω，為與特定阻抗的天線相匹配必須配置阻抗變換電路，以減小發(fā)射功率損耗，提高天線效能。本設(shè)計采用氣門嘴作為天線，C10用于抵消大部分天線感抗，C1、C2和L1組成了低通濾波器，可以抑制PA輸出的高次諧波。L2用來抑制來自電源的射頻干擾，C3為隔直電容。通過軟件仿真和反復(fù)測試驗證，最佳匹配電路如圖3所示。
發(fā)射模塊軟件設(shè)計
因為受輪胎內(nèi)空間和重量的限制，發(fā)射模塊只能采用容量有限的微型電池供電，因此要保證單一發(fā)射模塊2年以上的壽命必須考慮如何節(jié)能。此外，一輛轎車上不算備胎至少要配置四個發(fā)射模塊，由于接收器不能同時接收多路無線信號，若有發(fā)射模塊同時發(fā)射數(shù)據(jù)給接收器，則必然發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致接收失敗和功耗增加，所以如何避免發(fā)送沖突是軟件算法要解決的又一關(guān)鍵問題。
本設(shè)計采用的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，前導(dǎo)碼和停止位用于標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束。設(shè)備ID是輪胎發(fā)射模塊的全球唯一標(biāo)識，以區(qū)別不同的輪胎。狀態(tài)信息包含了電池供電情況(SP30有低電壓檢測)和傳感器測量故障情況，校驗和用于檢測數(shù)據(jù)發(fā)送的正確性。
② 如何避免發(fā)送沖突
設(shè)計中我們采用了一種基于素數(shù)的動態(tài)時延算法。當(dāng)檢測到有效加速度信號后，四個輪胎發(fā)射模塊被喚醒并啟動壓力和溫度檢測程序。數(shù)據(jù)檢測完成后分別按素數(shù)進行動態(tài)延時，延時時間一到再把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，發(fā)送完畢自動關(guān)閉發(fā)送器，開始新一輪數(shù)據(jù)檢測。各輪胎延時參數(shù)配置如下：左前輪胎發(fā)射模塊延時按250ms×N1(N1=2，19)周期變化，右前輪胎發(fā)射模塊延時按250ms×N2(N2=3，17)周期變化，左后輪胎發(fā)射模塊延時按250ms×N3(N3=5，13)周期變化，右后輪胎發(fā)射模塊延時按250ms×N4(N4=7，11)周期變化，N1、N2、N3、N4分別取不同的素數(shù)。這種基于素數(shù)動態(tài)延時的算法既能有效避免各發(fā)射模塊發(fā)送沖突，又能降低能耗，延長電池壽命。
③ 如何節(jié)能
由于發(fā)射模塊采集數(shù)據(jù)和發(fā)射數(shù)據(jù)幀時耗電最大，因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應(yīng)盡可能減少發(fā)射頻率和每次發(fā)射的數(shù)據(jù)幀數(shù)，發(fā)射模塊軟件流程如圖4所示。SP30內(nèi)部集成有加速度傳感器，當(dāng)檢測到車子靜止時間超過1小時就自動進入低功耗休眠模式(電流為微安級)，此時不再進行數(shù)據(jù)檢測和發(fā)射。當(dāng)車子運動后加速度信號將發(fā)射模塊喚醒，數(shù)據(jù)采集完成后啟動基于素數(shù)的動態(tài)時延算法，即按250ms×N(N為小于20的隨機素數(shù))延時后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。實際測試表明，通過工作模式的靈活轉(zhuǎn)換和減小發(fā)射頻率能夠有效控制發(fā)射模塊的使用壽命。
性能測試
本設(shè)計方案已在產(chǎn)品設(shè)計中得到應(yīng)用，經(jīng)反復(fù)測試具體性能指標(biāo)如下：
● 可監(jiān)測胎壓范圍為0~3.5Bar，分辨率25mBar，通常轎車的輪胎氣壓在2.2Bar～2.8Bar之間;
● 可監(jiān)測溫度范圍：-40～125℃，分辨率2℃，轎車的輪胎溫度一般在75℃左右;
● 輪胎壓力傳感器發(fā)射功率用頻譜分析儀測得在-45dBm左右;
● 采用500mAh的電池，若每天正常行車12小時，發(fā)射模塊可正常工作5年以上。
結(jié)語
本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射模塊。基于SP30傳感器和MAX7044發(fā)射器的發(fā)射模塊集成度高，體積小，能同時監(jiān)測汽車行駛時輪胎氣壓、溫度和電池電壓三個關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)輪胎出現(xiàn)漏氣、過壓以及溫度過高等異常情況時，能自動及時報警，保障行車安全。
