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          一種基于SP37的新型TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2011-07-19 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            摘要:簡(jiǎn)要介紹了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)()的組成,提出了一種基于新型傳感器的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用和MAX1473作為無(wú)線收發(fā)芯片,詳細(xì)闡述了其軟件和硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際測(cè)試效果表明,該系統(tǒng)接收靈敏度可達(dá)到-100 dBm,高速跑車(chē)時(shí)速100 km時(shí)工作穩(wěn)定。

            汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System,)是一種能對(duì)汽車(chē)輪胎氣壓、溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),并對(duì)輪胎異常情況進(jìn)行報(bào)警的預(yù)警系統(tǒng)。目前直接式發(fā)射模塊較多采用以下兩種方案:1)電池+單片機(jī)+傳感器+射頻芯片,2)是電池+內(nèi)部集成MCU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(chǎng)逐漸淘汰,后一種方案是當(dāng)前市場(chǎng)上較為先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)形式。隨著半導(dǎo)體及硅顯微機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展,一種新的設(shè)計(jì)方案即電池+內(nèi)部集成MCU和RF的專用傳感器正成為T(mén)PMS發(fā)射模塊設(shè)計(jì)的主流。這種方案集成度更高,體積和功耗更小,使用壽命更長(zhǎng),產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力也更強(qiáng)。本文選用Infineon新一代系統(tǒng)級(jí)芯片作為胎壓傳感器和射頻發(fā)射器,選用MAXIM公司的MAX1473作為接收芯片,設(shè)計(jì)完成了一種新型胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

          1 系統(tǒng)描述

            胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示,輪胎壓力傳感器分別安裝在4個(gè)車(chē)輪輪轂上,負(fù)責(zé)測(cè)量輪胎內(nèi)部的壓力、溫度和電池電壓等物理狀況,并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線形式按照一定的規(guī)律發(fā)給胎壓控制器。駕駛員通過(guò)胎壓控制器上的顯示屏和按鍵可查看4個(gè)輪胎的壓力值、溫度值。當(dāng)某一個(gè)輪胎的溫度、壓力或電池電壓超過(guò)了報(bào)警閥值,胎壓控制器能夠準(zhǔn)確識(shí)別輪胎的位置,并且發(fā)出圖形、聲音、文字報(bào)警。

          2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

            該TPMS系統(tǒng)包括兩種硬件模塊:輪胎壓力傳感器和胎壓控制器,兩種模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。輪胎壓力傳感器主要由電池和集傳感器、單片機(jī)和RF發(fā)射單元于一體的SP37組成,外圍器件少,重量輕,成本低。胎壓控制器采用了基于ASK調(diào)制模式的MAX1473作為無(wú)線接收芯片,由8位單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示和報(bào)警。本設(shè)計(jì)方案遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn),無(wú)線信號(hào)調(diào)制中心頻率為433.92 MHz。

            2.1 SP37應(yīng)用設(shè)計(jì)

            傳感器和射頻是無(wú)線輪胎壓力傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于輪胎壓力傳感器安裝在輪轂上,采用能量有限的鋰電池供電,因此實(shí)現(xiàn)傳感器和射頻功能的芯片需具有以下兩個(gè)特點(diǎn):

            1)集成度高,外圍器件盡可能少,便于進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì);

            2)最小可工作電壓低,功耗低,有多種工作模式,便于根據(jù)具體工作狀態(tài)進(jìn)行功耗管理,以盡可能延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)模塊的工作壽命。

            根據(jù)以上特點(diǎn),并經(jīng)過(guò)分析比較,最終選用了SP37這款高集成度系統(tǒng)級(jí)芯片。SP37是調(diào)頻范圍為300~450 MHz的胎壓傳感器芯片,內(nèi)部集傳感器、單片機(jī)和RF發(fā)射單元于一體,最大輸出功率+8 dBm(50 Ω負(fù)載),最低1.9 V工作。應(yīng)用電路如圖3所示,主要包括電源濾波電路、晶振電路和天線匹配電路三部分。由于RF芯片對(duì)汽車(chē)電磁噪音非常敏感,恰當(dāng)有效的濾波電路能很好地抑制噪音,提高可靠性,因而靠近電源引腳配置了濾波電容C1、C4和C6。SP37常用調(diào)制頻率有315 MHz和433.92 MHz兩種,不同調(diào)制頻率所選用的晶振也不同。若調(diào)制頻率為315 MHz,那么外部晶振頻率G1應(yīng)為19.687 5 MHz;若調(diào)制頻率為433.92 MHz,G1則應(yīng)為18.08 MHz。L1、L2、C2、C3和C5組成了天線匹配網(wǎng)絡(luò),通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)可以將特定阻抗的天線匹配到SP37功率放大器的輸出阻抗500 Ω,以抑制諧波,提高天線的效能。本設(shè)計(jì)采用氣門(mén)嘴作為天線,通過(guò)軟件仿真和反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證,最佳匹配電路如圖3所示。

            2.2 MAX1473射頻應(yīng)用設(shè)計(jì)

            胎壓控制器可以直接由車(chē)載電源供電,對(duì)功耗的要求不是很?chē)?yán)格。由于胎壓控制器安裝于車(chē)廂內(nèi),考慮到金屬車(chē)身的屏蔽效應(yīng),高靈敏度是選擇射頻接收芯片時(shí)考慮的重要因素。而與FSK(frequency-shift-keyed,頻移鍵控)制式的接收芯片相比,ASK制式的接收芯片具有更高的靈敏度,成本也較低,因此最終選用MAXIM公司的超外差接收機(jī)MAX1473來(lái)完成胎壓傳感器SP37射頻無(wú)線信號(hào)的可靠接收,其應(yīng)用電路如圖4所示。

            MAX1473具有-114~0d Bm的信號(hào)輸入范圍,調(diào)制頻率范圍300~450MHz,接收數(shù)據(jù)速率最大為100 kb/s,內(nèi)部集成了低噪聲放大器、全差分鏡頻抑制混頻器、帶壓控的片上鎖相環(huán)、10.7 MHz中頻限幅放大器以及模擬基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路,只需少量的外部器件即可構(gòu)成胎壓接收器的射頻前端。MAX1473外圍電路主要包括3部分:LNA調(diào)諧電路、輸入匹配和晶振電路。LNA調(diào)諧電路由連接在LNAOUT引腳的L2和C9組成,諧振頻率。


            其中,LTOTAL和CTOTAL包括L2、C9以及PCB板引線、封裝引腳的寄生電感和電容,混頻器輸入阻抗和LNA輸出阻抗。為了提高靈敏度,諧振頻率需盡可能接近所希望的RF輸入頻率。在本設(shè)計(jì)中,RF輸入頻率為433.92 MHz,當(dāng)L2=15 nH,C9=3.0 pF時(shí),接收靈敏度最高。LNASRC引腳與參考地之間的外部電感L3用于改善芯片外部的電感效應(yīng),并將LNAIN輸入阻抗的實(shí)部設(shè)置為50 Ω。這時(shí)LNA的輸入端等效于一個(gè)50Ω電阻與一個(gè)2.5 pF電容串聯(lián),輸入阻抗為:f.JPG。當(dāng)RF輸入頻率為433.92 MHz時(shí),Z=50-j145。為消除輸入阻抗的虛部,匹配50 Ω天線,可算出匹配電感L4約為73 nH。對(duì)于315 MHz系統(tǒng),晶振G1頻率為4.754 7 MHz;對(duì)于433.92 MHz系統(tǒng),晶振G1頻率為6.612 8 MHz,串聯(lián)電容C1、C2用于修正因電路板寄生電容導(dǎo)致的晶振頻率偏移。

          3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

            如何節(jié)能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。一個(gè)傳感器模塊要在一節(jié)幾百毫安時(shí)的電池下工作2年以上,而射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)耗電最大,因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應(yīng)盡量減少發(fā)送次數(shù)。發(fā)射模塊軟件流程如圖5所示,本設(shè)計(jì)采用了基于素?cái)?shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)延算法,即各輪胎上的傳感器模塊在完成溫度、壓力的測(cè)量以后,分別按1 000ms×N1(N1為小于20的隨機(jī)素?cái)?shù))延時(shí)后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。與采用固定周期的延時(shí)算法相比,這種動(dòng)態(tài)時(shí)延算法能大大降低數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的概率。此外,如果傳感器檢測(cè)到輪胎靜止超過(guò)1 h,則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式,即不再發(fā)送數(shù)據(jù),直到被加速度信號(hào)喚醒。胎壓控制器即接收模塊的軟件流程如圖6所示。

          4 性能測(cè)試

            本設(shè)計(jì)方案樣機(jī)已研制出,經(jīng)反復(fù)測(cè)試具體性能指標(biāo)如下:

            1)可監(jiān)測(cè)胎壓范圍為0~4.5 bar,分辨率25 mbar,通常轎車(chē)的輪胎氣壓在2.2~2.8 bar之間;

            2)可監(jiān)測(cè)溫度范圍:-40~125℃,分辨率2℃,轎車(chē)的輪胎溫度一般約75℃;

            3)輪胎壓力傳感器發(fā)射功率用頻譜分析儀測(cè)得在-40 dBm左右,胎壓控制器接收靈敏度在-100 dBm;

            4)采用500 mAh的電池,若每天正常行車(chē)12 h,發(fā)射模塊可正常工作6年以上。

          5 結(jié)束語(yǔ)

            目前,輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)已送交國(guó)家有關(guān)部門(mén)審核,汽車(chē)標(biāo)配TPMS安全系統(tǒng)成為必然的趨勢(shì)。本文基于SP37集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低的優(yōu)點(diǎn),選用MAX1473設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新的無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有很好的市場(chǎng)前景。



          關(guān)鍵詞: SP37 TPMS

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