輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前，針對(duì)汽車安全的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)正逐步走向市場(chǎng)，成為汽車?yán)锩娴臉?biāo)準(zhǔn)配置，為保護(hù)駕車人以及行人的生命安全發(fā)揮著不可替代的作用。

　　在主動(dòng)式的TPMS中，需要把監(jiān)測(cè)到的壓力、溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳到控制臺(tái)去。壓力監(jiān)測(cè)模塊通常是安裝在氣門嘴上或者是利用緊箍扣安裝在輪轂上，故這兩種安裝方式監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)都只有通過無線通信才能傳輸?shù)今{駛室內(nèi)的接收裝置，以便及時(shí)提醒駕駛員注意輪胎壓力的變化，避免可能發(fā)生的事故。

　　在TPMS實(shí)際使用過程中，不可能頻繁地拆卸輪胎來為發(fā)射模塊更換電池，故需要做到壓力監(jiān)測(cè)模塊與輪胎同壽命。這就對(duì)發(fā)射模塊的功耗提出了很苛刻的要求，既要求具有盡可能大的發(fā)射功率，能夠把信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)浇邮斩?；又要求發(fā)射時(shí)所需要的能量盡可能的小，少消耗電池的能量，相應(yīng)地延長(zhǎng)發(fā)射模塊的使用壽命。這樣，就要求在實(shí)際的設(shè)計(jì)中盡可能地選擇發(fā)射效率高的芯片，并且外圍接口電路越少越好，多方面地綜合降低系統(tǒng)的功耗。

　　由于輪胎內(nèi)惡劣的運(yùn)行環(huán)境，給信號(hào)的發(fā)射和接收都帶來許多困難，這對(duì)芯片的功耗、溫度等參數(shù)要求很高。目前市場(chǎng)上能夠提供此類無線發(fā)射、接收芯片的廠家主要有MAXIM、ATMEL、Infineon、freescale等公司，根據(jù)實(shí)際的使用需要，綜合考慮幾類產(chǎn)品在功耗、抗干擾等方面的因素，本設(shè)計(jì)選擇Infineon公司的發(fā)射芯片TDK5110和接收芯片TDA5210，傳感器芯片選擇Infineon公司的SP12。

　　1 發(fā)射芯片電路設(shè)計(jì)

　　單片ASK/FSK發(fā)射芯片TDK5110的工作頻段為433MHz～435MHz，此為 ISM(Industrial Scientific Medical Band)頻段。TDK5110內(nèi)部集成了PLL，且具有一個(gè)高效的功率放大器來驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線，芯片的工作溫度范圍為-40～125℃，電源電壓范圍為 2.1～4V[2]，完全滿足汽車輪胎上要求的溫度及電壓范圍。

　　TDK5110提供了ASK和FSK兩種數(shù)據(jù)調(diào)制方式。ASK非常容易受到噪聲干擾，F(xiàn)SK在抗干擾方面要優(yōu)于ASK，而輪胎所處的特殊運(yùn)行環(huán)境，受到的干擾很多。所以本設(shè)計(jì)采用FSK的數(shù)據(jù)調(diào)制方式。TDK5110的芯片內(nèi)部主要包含發(fā)射功率放大器(PA)、晶體振蕩器(OSC)、壓控振蕩器 (VCO)、相位檢波(PD)電路、分頻器、回路濾波器(LF)、FSK開關(guān)等[2]。芯片的外圍設(shè)備元器件較少，有利于系統(tǒng)成本的降低，也方便了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與調(diào)試。

本設(shè)計(jì)中發(fā)射芯片的中心頻率為434MHz，采用13.56MHz的外接晶振，通過鎖相環(huán)32倍頻得到434MHz。發(fā)射天線的選擇既可以是單端天線，也可以是PCB印制天線，由于輪胎內(nèi)對(duì)整個(gè)發(fā)射模塊的重量有所限制，所以最好選擇PCB 印制天線。為獲得好的性能，設(shè)計(jì)電路板時(shí)，天線環(huán)包圍的面積應(yīng)盡可能大，越靠近環(huán)的邊沿，場(chǎng)的密度越高，所以設(shè)計(jì)的形狀近似于一個(gè)正方形[6]。

　　TDK5110提供三種功率模式：低功耗模式(Power Down Mode)、PLL使能模式(PLL Enable Mode)和發(fā)射模式(Transmit Mode)[2]。在低功耗模式下，整個(gè)芯片都停止工作，電流消耗的典型值在85℃時(shí)為14nA；在PLL使能模式下，PLL開始工作而功放(PA)并未啟動(dòng)，PLL的啟動(dòng)時(shí)間主要取決于外接的晶振大小，一般小于1毫秒，電流的消耗為4mA；在發(fā)射模式下，芯片的所有部分都開始工作，電流消耗的典型值為 14mA。當(dāng)然，在實(shí)際的使用過程中，芯片大部分時(shí)間處于低功耗模式，就是在汽車的行駛過程中，數(shù)據(jù)也是間歇傳出來的。所以可以通過軟件設(shè)置一些發(fā)送模式及發(fā)射數(shù)據(jù)的頻率，以期有效地降低系統(tǒng)的功耗。本設(shè)計(jì)采用FSK的數(shù)據(jù)調(diào)制方式，所以根據(jù)圖1所示的FSK調(diào)制的時(shí)序邏輯圖，整個(gè)芯片的外圍電路連接如圖 2所示。其中，CLKOUT是與單片機(jī)同步的時(shí)鐘信號(hào)，F(xiàn)SKDATA是與單片機(jī)的TXD引腳相連的信號(hào)，而PDWN和ASKDATA引腳則和單片機(jī)的兩個(gè)I/O引腳相連，通過軟件可控制數(shù)據(jù)的發(fā)送模式。

2 接收芯片電路設(shè)計(jì)

　　與TDK5110相對(duì)應(yīng)的接收芯片為TDA5210，TDA5210是低功耗的單片F(xiàn)SK/ASK 超外差接收芯片，工作在ISM的810MHz～870MHz以及400MHz～440MHz頻段。芯片的集成度高，所需要的外設(shè)較少，有利于用戶的設(shè)計(jì)。此芯片內(nèi)有低噪聲放大器(LNA)、雙平衡混頻器(mixer)、壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、晶振、限幅器(limiter)、鎖相環(huán) FSK解調(diào)器(PLL FSK demodulator)、數(shù)據(jù)濾波器(data filter)、數(shù)據(jù)限幅器(data slicer)、峰值檢波器(peak detector)等電路[3]。

本接收端選擇FSK數(shù)據(jù)調(diào)制方式，此時(shí)電流的消耗為5.9mA，接收靈敏度為-100dBm，在低功耗模式下電流消耗為50nA。

　　接收天線選擇鞭狀天線，其長(zhǎng)度為λ/4(λ為其接收信號(hào)的波長(zhǎng))，接收信號(hào)的頻率為434MHz，故天線長(zhǎng)度大約為17.3cm，此天線接收信號(hào)很靈敏。信號(hào)通過天線接收到以后，通過一個(gè)LC濾波器進(jìn)入LNA(低噪聲放大器)，把一個(gè)微弱的信號(hào)放大。由于LNA本身具有噪聲，故需要通過第二個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，然后進(jìn)入混頻器，與晶振通過鎖相環(huán)倍頻的信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后的信號(hào)通過中頻濾波器(IF filter)進(jìn)入限幅器。再經(jīng)過數(shù)字濾波器、數(shù)據(jù)限制器送入單片機(jī)作進(jìn)一步的解碼處理。接收端的單片機(jī)選擇NEC公司的78F0034單片機(jī)[7]。接收芯片的外圍接口電路如圖3所示。

LNA主要是把天線接收到的微弱信號(hào)放大，理想的放大器希望只放大期望信號(hào)的幅度，而不放大任何失真信號(hào)和噪聲信號(hào)，但實(shí)際上信號(hào)在通過LNA時(shí)都不可避免的產(chǎn)生噪聲。這就需要在LNA的前后都加上濾波網(wǎng)絡(luò)，若參數(shù)匹配合適，可以有效地濾除接收進(jìn)來的雜波，提高信噪比。

接收端要同時(shí)接收來自四個(gè)車輪的數(shù)據(jù)信息，如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息來自于哪個(gè)輪胎，就需要給輪胎編上序號(hào)。Infineon的傳感器芯片SP12就為每一個(gè)傳感器編了一個(gè)惟一的序號(hào)，這使得在提取每一個(gè)傳感器的相關(guān)信息時(shí)，首先讀取該傳感器的序號(hào)，據(jù)此就可以確定輪胎的位置[1]。

　　3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　 系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過發(fā)射模塊內(nèi)的單片機(jī)讀取傳感器芯片所測(cè)量到的胎內(nèi)壓力、溫度、電池電壓以及加速度等，然后把這些信息和傳感器的序號(hào)通過發(fā)射模塊TDK5210發(fā)送出去。傳感器芯片與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過SPI總線協(xié)議完成[1]。

　　汽車啟動(dòng)后，接收端上電開始工作，通過接收發(fā)射端傳輸過來的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)的壓力變化情況。當(dāng)壓力低于某一個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，通過警報(bào)方式提醒駕駛?cè)藛T的注意，以便采取相應(yīng)的措施。

　　輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸問題是整個(gè)TPMS系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室條件下已經(jīng)取得了預(yù)期的效果。由于實(shí)際的環(huán)境條件遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜，所以要在實(shí)際的生產(chǎn)中使用，還需要更多次實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，并在此基礎(chǔ)上作一些調(diào)整與改進(jìn)。