汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射模塊設(shè)計

　　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[3]。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[4]。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。

　?、?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)[5]。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。

　　參考文獻：

　　[1]溫瑞.汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射模塊設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2008,28(7):80-81

　　[2]Infineon.Tyre Pressure Monitoring Sensor SP30 user manual[EB/OL]. http://www.infineon.com/cms/en/product/findproductTypeByName.html?q=sp30

　　[3]Maxim.300MHz to 450MHz High-Efficiency,Crystal-Based +13dBm ASK Transmitter MAX7044 datasheet[EB/OL].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX7044.pdf

　　[4]Maxim.MAX7044 Evaluation Kit[EB/OL].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX7044EVKIT.pdf

　　[5]肖文光.基于ZigBee技術(shù)的新型TPMS設(shè)計[J].今日電子,2009(10):42-43