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基于SP37的新型汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)原理
汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓、溫度進行自動檢測，并對輪胎異常情況進行報警的預警系統(tǒng)。目前直接式TPMS發(fā)射模塊較多采用以下兩種方案：1)電池+單片機+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逐漸淘汰，后一種方案是當前市場上較為先進的產(chǎn)品設(shè)計形式。隨著半導體及硅顯微機械加工技術(shù)的快速發(fā)展，一種新的設(shè)計方案即電池+內(nèi)部集成MCU和RF的專用傳感器正成為TPMS發(fā)射模塊設(shè)計的主流。這種方案集成度更高，體積和功耗更小，使用壽命更長，產(chǎn)品競爭力也更強。本文選用Infineon新一代系統(tǒng)級芯片SP37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)計完成了一種新型胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。
胎壓監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示，輪胎壓力傳感器分別安裝在4個車輪輪轂上，負責測量輪胎內(nèi)部的壓力、溫度和電池電壓等物理狀況，并將測量數(shù)據(jù)通過無線形式按照一定的規(guī)律發(fā)給胎壓控制器。駕駛員通過胎壓控制器上的顯示屏和按鍵可查看4個輪胎的壓力值、溫度值。當某一個輪胎的溫度、壓力或電池電壓超過了報警閥值，胎壓控制器能夠準確識別輪胎的位置，并且發(fā)出圖形、聲音、文字報警。
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作為無線接收芯片，由8位單片機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示和報警。本設(shè)計方案遵循歐洲標準，無線信號調(diào)制中心頻率為433．92 MHz。
根據(jù)以上特點，并經(jīng)過分析比較，*終選用了SP37這款高集成度系統(tǒng)級芯片。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、單片機和RF發(fā)射單元于一體，*大輸出功率+8 dBm(50 Ω負載)，*低1．9 V工作。應用電路如圖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芯片對汽車電磁噪音非常敏感，恰當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應為19．687 5 MHz；若調(diào)制頻率為433．92 MHz，G1則應為18．08 MHz。L1、L2、C2、C3和C5組成了天線匹配網(wǎng)絡，通過優(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)計采用氣門嘴作為天線，通過軟件仿真和反復測試驗證，*佳匹配電路如圖3所示。
胎壓控制器可以直接由車載電源供電，對功耗的要求不是很嚴格。由于胎壓控制器安裝于車廂內(nèi)，考慮到金屬車身的屏蔽效應，高靈敏度是選擇射頻接收芯片時考慮的重要因素。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*終選用MAXIM公司的超外差接收機MAX1473來完成胎壓傳感器SP37射頻無線信號的可靠接收，其應用電路如圖4所示。
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作為無線接收芯片，由8位單片機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示和報警。本設(shè)計方案遵循歐洲標準，無線信號調(diào)制中心頻率為433．92 MHz。
如何節(jié)能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設(shè)計的關(guān)鍵問題。一個傳感器模塊要在一節(jié)幾百毫安時的電池下工作2年以上，而射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時耗電*大，因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應盡量減少發(fā)送次數(shù)。發(fā)射模塊軟件流程如圖5所示，本設(shè)計采用了基于素數(shù)的動態(tài)時延算法，即各輪胎上的傳感器模塊在完成溫度、壓力的測量以后，分別按1 000ms×N1(N1為小于20的隨機素數(shù))延時后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。與采用固定周期的延時算法相比，這種動態(tài)時延算法能大大降低數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的概率。此外，如果傳感器檢測到輪胎靜止超過1 h，則會自動進入休眠模式，即不再發(fā)送數(shù)據(jù)，直到被加速度信號喚醒。胎壓控制器即接收模塊的軟件流程如圖6所示。
