基于智能傳感器SP12/SP30的TPMS設(shè)計(jì)

　　汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）主要利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過射頻無線傳輸，在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣、低氣壓和高氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全。

　　英飛凌面向TPMS應(yīng)用的SP12/SP30傳感器整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個(gè)電池電壓監(jiān)測器，提供四合一傳感功能，并配有一個(gè)能完成測量、信號補(bǔ)償與調(diào)整及SPI串行通信接口CMOS大規(guī)模集成電路，其中SP30內(nèi)置8位哈佛結(jié)構(gòu)RISC MCU和2D通道的低頻（LF）接口，且消耗的電流僅0.4uA。

　　星科半導(dǎo)體有限公司基于英飛凌傳感器SP12/SP30提供整個(gè)TPMS系統(tǒng)所涉及的IC以及解決方案，來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　TPMS構(gòu)成

　　1. 發(fā)射模塊

　　發(fā)射模塊由壓力傳感器、MCU、射頻發(fā)射芯片、電池和天線組成，該模塊對輪胎壓力、溫度、電池電壓及加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)射出去。

　　發(fā)射模塊有基于SP12/SP12T和SP30的兩個(gè)方案：方案一是SP12/SP12T+MCU+TDK5100F（見圖1），其中壓力傳感器SP12（100~450kPa）/SP12T（0~1，400kPa）和射頻發(fā)射芯片TDK5100F（434MHz ASK/FSK發(fā)射器）均來自英飛凌公司。

　　壓力傳感器SP30（100~900kPa）內(nèi)置8位哈佛結(jié)構(gòu)RISC MCU和2D通道的LF接口。射頻發(fā)射IC采用英飛凌公司的TDK5100F（434MHz ASK/FSK發(fā)射器），該系統(tǒng)可直接接收125kHz的低頻喚醒信號控制發(fā)射模塊在不同的模式下工作。

　　2. 接收模塊

　　接收模塊由TDA5210、XC866/XC886、LCD模塊和天線組成。

　　接收模塊將TPMS發(fā)射模塊發(fā)送的信息進(jìn)行解調(diào)、解碼，并將接收的數(shù)據(jù)通過LCD顯示輸出。該模塊的MCU和射頻接收芯片分別采用了英飛凌公司的XC866/XC886和TDA5210。其中XC866/XC886是專為汽車電子設(shè)計(jì)的8位MCU，帶有CAN/LIN控制器，可以快速地將TPMS功能轉(zhuǎn)移次要任務(wù)中。

　　SP30_TPMS發(fā)射模塊原理

　　TPMS發(fā)射系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)定時(shí)監(jiān)測無線系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題主要體現(xiàn)在系統(tǒng)低功耗和汽車高速轉(zhuǎn)動時(shí)射頻接收靈敏度以及噪聲抑制方面。針對英飛凌SP30+TDK5100F發(fā)射系統(tǒng)，以下是關(guān)于這兩個(gè)核心問題的詳細(xì)闡述。

　　首先，系統(tǒng)低功耗是建立在硬件基礎(chǔ)上，并且與軟件程序相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，所以選擇靜態(tài)低功耗硬件是前提條件；其次，系統(tǒng)要盡量保持在功耗最低的PWDN模式下；第三，系統(tǒng)從PWDN到RUN模式的硬件喚醒要與軟件闋值比較相結(jié)合；最后，系統(tǒng)進(jìn)入RUN模式中，在某些獨(dú)立于RISC內(nèi)核的單元工作時(shí)，可以讓系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式等待，這樣也會節(jié)省供耗。實(shí)測星科DEMO板靜態(tài)電流3uA。圖１為SP30+TDK5100F發(fā)射系統(tǒng)的程序流程。

　　圖１：SP30+TDK5100F發(fā)射系統(tǒng)的程序流程圖

　　在軟件架構(gòu)中有一些需要注意的地方：

　　1. 整個(gè)軟件架構(gòu)主要由三個(gè)模塊組成：初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)測量模塊（Measure_Data）、RF發(fā)射模塊（SSI_Datagram）。這三個(gè)模塊盡量做成函數(shù)包，方便移植和功能升級。

　　2. 間隔定時(shí)器（IT）喚醒系統(tǒng)后利用軟件設(shè)置幾個(gè)闋值區(qū)加以判斷參數(shù)測量和RF發(fā)射，盡量節(jié)省功耗。比如利用加速度測量判定汽車啟動/停止?fàn)顟B(tài)來決定其他參數(shù)是否需要測量，判定汽車大致速度決定RF發(fā)射頻率等；利用欠壓、高壓等級區(qū)域判定RF發(fā)射報(bào)警頻率等。這些需要客戶根據(jù)實(shí)際去完善。需要注意的是，所有的闋值不要設(shè)置成某一固定值，應(yīng)該是某一區(qū)域，當(dāng)然這個(gè)區(qū)域的設(shè)定要反復(fù)測量，太小將對系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，也不利于節(jié)省功耗，太大則測量靈敏性較差。

　　3. 利用IT和LT（LF定時(shí)器）來實(shí)現(xiàn)LF接口使能和關(guān)閉LF檢測，這樣可以不必使LF接口常開又能保證實(shí)時(shí)檢測主機(jī)命令，更大程度省電。

　　其次，汽車高速轉(zhuǎn)動時(shí)射頻接收靈敏度以及噪聲抑制問題。發(fā)射模塊是內(nèi)置在輪胎內(nèi)部的，除了輪胎中環(huán)境溫度、RF信號屏蔽等會對射頻造成影響之外，更需要解決的是汽車高速轉(zhuǎn)動對射頻性能的影響。需要強(qiáng)調(diào)的是TPMS系統(tǒng)選擇的RF器件基本都是集成電路，RF IC的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)工程師需要做的只是針對這顆IC外圍某些器件的選型（晶振、天線）、功率放大器與天線的參數(shù)匹配以及RF布局等，作好這幾方面則基本上能夠解決以上的問題。英飛凌RF TX芯片TDK5100F是針對汽車級別設(shè)計(jì)的低速（120Kbaud）低功耗RF IC，與之配套的RX芯片TDA5210接收靈敏度達(dá)到-107dBm。

　　在RF設(shè)計(jì)中需要注意以下一些問題：

　　1. 晶振的選擇。TDK5100F/TDA5210是窄帶RF IC，由于溫度導(dǎo)致的晶振頻差和晶振負(fù)載電容的不一致都會導(dǎo)致接收靈敏度的差異，所以晶振的特性選擇非常重要。

　　2. 天線的選擇。TPMS發(fā)射系統(tǒng)安裝要求是比較高的，當(dāng)然除了天線性能之外，對其外型結(jié)構(gòu)也有同樣高的要求。從兩者的折衷考慮，目前用的比較多的是螺旋天線。PCB環(huán)行天線雖然結(jié)構(gòu)與成本最好，但是由于其諧振中心頻點(diǎn)以及等效阻抗等需要網(wǎng)絡(luò)分析儀去校正，以及其本身PCB材料造成的天線損耗都使其在TPMS中應(yīng)用不多。單級天線的性能是可以做得很好的，但是結(jié)構(gòu)不具備良好的安裝性，其使用也不是很多。

　　3. TD5100F布局注意要點(diǎn)。晶振布局遠(yuǎn)離天線，匹配元件要彼此直角布局，天線不要鋪地和走其它信號線等。

　　4. 在不需要對PCB做較大更改的前提下，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀做天線參數(shù)匹配的最后確定，并實(shí)測發(fā)射功率以及接收靈敏度。

　　接收模塊

　　本系統(tǒng)接收模塊是由TDA5210+XC866組成的，實(shí)際XC866只需要一個(gè)I/O就可以接收TDA5210的解調(diào)數(shù)據(jù)，需要考慮的TPMS系統(tǒng)屬于汽車電子安全系統(tǒng)，為了系統(tǒng)任務(wù)升級擴(kuò)展，MCU的選型也盡量滿足汽車環(huán)境的要求，英飛凌XC866/XC886是專為汽車電子設(shè)計(jì)的8位MCU，帶有CAN/LIN控制器，可以快速地將TPMS功能轉(zhuǎn)移次要任務(wù)中。如果此時(shí)TPMS功能是作為節(jié)點(diǎn)存在，那么MCU就可以釋放出來執(zhí)行其他的任務(wù)，而在汽車電子中，這種任務(wù)相當(dāng)多的是電機(jī)控制，這就用到了XC866的強(qiáng)大外設(shè)功能（電機(jī)控制單元和PWM捕獲比較單元）。因此，接收端MCU的選擇不僅是關(guān)系到汽車級別的MCU，更應(yīng)該有一些超前的意識。

　　本文小結(jié)

　　由于汽車市場的快速增長，TPMS系統(tǒng)也將擁有更多的發(fā)展空間，在這個(gè)充滿機(jī)遇同時(shí)又面臨眾多技術(shù)調(diào)整的市場上，選擇合適的解決方案將對廠商在這個(gè)市場上是否能取得成功起著非常關(guān)鍵的作用。星科半導(dǎo)體公司推出了TPMS的參考設(shè)計(jì)，用戶可以利用該參考設(shè)計(jì)快速地將產(chǎn)品推向市場。

　　基于SP30_TPMS的IC簡要說明

　　SP30：內(nèi)部集成一個(gè)低功耗8 BIT哈佛結(jié)構(gòu)的RISC控制器；

　　工作模式：下電、運(yùn)行、空閑、熱關(guān)斷；

　　喚醒方式：IT/LT喚醒，PORT喚醒，LF檢測喚醒；

　　固化函數(shù)庫，可方便用戶直接調(diào)用

　　壓力范圍：100-900Kpa

　　溫度范圍：-40到+125℃

　　電壓測量范圍：1.8-3.6V

　　加速度范圍：-12-115g

　　TDK5100F：433-435MASK/FSA發(fā)射器，PLL、VCO、功率放大器集成在內(nèi)部，發(fā)射功率為5dBm，帶有POWER DOWN模式，CLKOUT輸出。

　　電壓范圍：2.1-4V；溫度范圍：？40℃~+125℃；靜態(tài)電流：0.3nA。

　　TDA5210:400-440M/810-870M ASK/FSK SFR 接收器

　　FSK靈敏度《-100dBm， ASK靈敏度《 -107dBm

　　PWDN電流：50nA

　　芯片內(nèi)部集成LNA、PLL、VCO、MIXER、LIMITER、AGC