高集成度胎压监测发射系统设计与实现

　　摘要：介绍了胎压监测(TPMS)发射系统的基本构成和特性，给出了基于SP37的胎压监测发射系统设计方案，讨论关键元器件的选取及使用注意事项，并介绍了系统的软件设计和低功耗策略。该设计实现的发射系统具有高集成度、低功耗、低成本、射频效率高等特点。

　　前言

　　车辆在行驶过程中，车辆驾驶人员最担心和最难预防的就是爆胎问题，它会引起或诱发严重的交通事故，特别是在车辆高速行驶时，轮胎爆破将更加危险。据统计，国内的公路交通事故70%以上都是由轮胎问题引起的，而在美国这一比例则高达80%。为了预防爆胎，轮胎压力监测系统逐渐成为车辆的必要配置，轮胎气压监视系统属于“事前主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时，如轮胎快漏气、温度高、气压高、气压低等能及时报警，采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态。

　　发射系统的组成

　　安装在轮胎内的TPMS发射模块是整个TPMS的核心部件，轮胎内部环境非常恶劣，轮胎又是经常处于高速的运动状态下。该产品又是汽车产品安全件，其应在各种环境下具有高可靠性，如阴天、下雨、雪天等不同天气环境；各种路况，例如国道、高速、乡村公路、山路等等；冬季中极寒冷地区(-40℃)；夏季中的炎热地区(汽车在频繁刹车时轮胎内温度可达125℃)；不同的车速(0～200km/h)等。另因其防水、防腐蚀需要，整个发射PCB板和电池被环氧灌封胶所密封，所以发射模块一旦安装上，整个使用期间，就不能更换电池和元器件，一般发射系统都要求有5～6年使用工作寿命，这就需要在设计时要严格选择各个器件。

　　TPMS发射系统主要完成的功能是：对轮胎的压力、温度、加速度等信息进行测量，并将测量得到的压力、温度等信息进行处理，判断是否出现高温、高压、低压等情况，若出现上述情况之一，则系统把数据信息叠加到433.92MHz的载波上，通过天线进行发射，提供给车身控制器。根据胎压发射系统需要完成的功能，发射系统需要包括：(1)压力温度传感器；(2)微控制器；(3)RF发射器；(4)电池；(5)天线。依据上面的描述，汽车胎压监测发射系统组成框图如图1所示。

　　关键元器件选择

　　传感器选择

　　传感器芯片是发射系统的核心元器件，汽车轮胎独特的工作环境条件，决定了传感器的高要求：宽温工作区(-40～125℃)、宽电源电压范围内较高的测量精度和可靠性、较低的功耗、恶劣环境无线信号传输稳定性要求。

　　较早以前的TPMS发射系统一般由温度压力传感器+微控制器+RF芯片(如SP12+PIC16F+TDK5100F或MAX7044)组成，到后来的温度压力传感器，微控制器集成在一起+RF芯片(如SP30+TDK5100F或MAX7044)组成，到最近的Infineon(英飞凌)公司推出的把温度压力传感器，微控制器、RF芯片都集成在一块芯片上，整个TPMS发射系统只需要一颗SP37芯片就可以完成控制、测量、发射射频的所有功能，大大简化开发的时间和系统成本。

　　Infineon(英飞凌)公司的SP370-25-106-0，芯片内部集成了图2所有功能处理模块，其整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器与加速度传感器，内部集成一个低功耗8位兼容8051指令的控制器，并内部集成了ASK/FSK调制方式的发射器，射频输出功率5～8dBm(50Ω负载)；集成了高灵敏度125kHz低频接收器。

　　SP37具有下电、运行、空闲、关断4种工作模式，并有IT/LT唤醒、PORT唤醒和LF低频检测唤醒3种唤醒方式，能够有效地满足系统低功耗设计要求。压力测量范围0~3.5Bar；温度测量范围-40~+125℃，向心加速度测量范围-12g~115g，工作电压范围1.9~3.6V。基于SP37的电路原理图如图3所示。

　　硬件电路设计

　　系统高频工作频率选用欧洲胎压监测系统指定波段433.92MHz，通过SP37内部集成的PLL，把外部的晶振24倍频到433.92MHz，故外部的晶振频率选用433.92MHz/24=18.08MHz，故我们选用香港汽车晶体的汽车级18.08MHz、负载电容为15pF晶体，晶体连接如图3所示。

　　由于FSK根据用数字信号1或0调制不同的载波频率，抗噪声和衰减性好，而ASK根据数字信号1或0开通或断开载波，但其抗噪声能力较差，易受干扰，所以系统选用FSK调制方式。

　　FSK的上下频点，可通过SP37的内部电容和外接电容进行调解，SP37内部集成了8个并联的电容，如图4所示，由于内部集成电容的值较小，属于对频点进行微调范畴；外接的电容，因为可以接较大的电容，属于粗调范畴，如图4中的C1、C2对应图3电路原理图的C8、C9。通过设置SP37的XTAL1和XTAL0寄存器参数，并调节外部电容C1、C2的值，可将上下频偏调到50kHz，中心频点433.92MHz。

　　调节FSK上下频点的原则为：

　　SP37内部集成射频PA发射单元，通过π型匹配电路进行阻抗匹配，射频功率输出有3个等级，即1PA、2PA和3PA，功率从小到大。本系统通过设置RFTX.PAOP为11b，采用3PA放大功率，使频谱仪测试RF输出功率在50Ω负载时，达到8dBm，最终输出的波形如图5所示(发射系统距频谱仪天线约0.5处测得)。

　　电池及节电措施

　　整个发射系统靠一块电池来供电，普通的电池在-40℃低温时丧失电能，在+100℃高温时会快速自放电。根据TPMS发射系统的工作环境及要求，电池选用要考虑以下几个方面：(1)工作温度；(2)电池容量；(3)体积和重量；(4)放电特性。

　　为了使发射系统在一块电池下工作5～6年，系统节电是一个重要任务，故我们采取：

　　(1)将所有不用的I/O口设置为输入低电平；系统平时工作在POWER DOWN模式，当检测或发射周期到达后，才进入RUN模式工作；

　　(2)SP37平时处于SLEEP模式，当需要发射数据时，才将其唤醒，进入到RUN模式；

　　(3)利用SP37集成的加速度传感器，检测汽车是在行车状态还是停车状态，如在行车状态，则定时检测和发射，如在停车状态，则不检测发射，减低系统功耗。

　　本系统电池选择renata的推出的耐高低高温TPMS专用电池CR2450HT，供电电压+3.0V，电池容量480mAh，具有寿命长、能量密度大、自放电低、重量轻(6.6g)、温宽(-40～+125℃)等特点，配合系统的低功耗策略，完全可满足5～6年寿命的要求。

　　天线

　　天线的性能将直接影响数据传输的质量，它是发射系统提升功率的重要因素。轮胎压力传感器的天线靠近气门嘴，因而在设计天线时必须考虑轮胎金属丝的屏蔽，轮辋金属的反射影响，以及车轮高速旋转时天线不断变换方向、角度的影响等，所以天线设计时必须考虑以下因素：

　　(1)极化选择，线极化容易受到天线姿态的影响，旋转的车轮对天线的工作极化要求相对较高，圆极化比较适合；

　　(2)天线与射频模块连接，需要解决好阻抗匹配的问题，这也是天线设计的重点；

　　(3)由于轮胎压力传感器安装在轮胎内，受到车身、天线运动等对性能的影响，主要是指对天线的增益、方向图形状、圆极化轴比、阻抗(电阻和电抗)等的影响；

　　(4)小型化设计，安装在轮胎内部的天线，必须考虑小型化设计，433.92MHz的工作频率，波长为691.37mm，常规的天线尺寸一定不能满足要求。

　　基于以上考虑，我们选用法向模工作的螺旋天线作为本方案的发射天线，如图6所示，这种天线具有加工容易、成本低、工作极化为圆极化、易于匹配等优点，如图6所示，经过台架试验和路试试验后表明我们的设计思路和匹配方法是有效的。

　　系统软件设计

　　SP37集成的微处理器为8051内核，软件用C语言在Keil uVision环境下，通过仿真器就可以进行仿真调试，而不像SP12、SP30那样，必须用汇编进行仿真调试。系统组成模块如图7所示：Main为系统主程序模块，Function为系统接口函数模块，SP37 Library为SP37的库函数模块。Main模块调用Function模块，Function模块调用SP37 Library模块。

　　因为发送系统要考虑节电功能，所以系统平时处于休眠状态，当接收到加速度唤醒信号时进行测量并发射数据。程序逻辑流程如图8所示。首先进行系统初始化，然后开始判断是否到达检测周期，若检测周期到则测量压力值等，否则直接转入休眠；测量完成后判断是否需要发射，如果需要发射则发射射频数据，否则转入休眠；休眠时间到后，系统自动唤醒，重复上述处理过程。

　　结束语

　　轮胎压力监测系统是将是汽车安全系统的必备功能之一，本文设计的轮胎压力传感器无论台架试验还是各种情况的道路测试，系统保持高可靠性，系统的射频收发准确率达到98%，当轮胎出现异常危险情况时，实时提醒驾驶者，将因轮胎故障问题造成的事故消灭在萌芽之中，利用SP37的单芯片方案设计的TPMS发射系统，由于集成度高、性能稳定、功耗低，是一款非常优秀的设计方案，本系统成功应用将会对汽车行驶安全系统带来更高使用价值和社会价值。

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　　张春芳 王家龙 马玉清