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汽車輪胎壓力監測系統(TPMS)主要利用安裝在每一個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，在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓進行自動監測，對輪胎漏氣、低氣壓和高氣壓進行報警，以保障行車安全。 英飛凌面向TPMS應用的SP12/SP30傳感器整合了硅顯微機械加工的壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個電池電壓監測器，提供四合一傳感功能，并配有一個能完成測量、信號補償與調整及SPI串行通信接口CMOS大規模集成電路，其中SP30內置8位哈佛結構RISC MCU和2D通道的低頻(LF)接口，且消耗的電流僅0.4uA。 星科半導體有限公司基于英飛凌傳感器SP12/SP30提供整個TPMS系統所涉及的IC以及解決方案，來保證系統的穩定性和可靠性。 TPMS構成 1. 發射模塊 發射模塊由壓力傳感器、MCU、射頻發射芯片、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行數據采集，并將數據以無線方式發射出去。 發射模塊有基于SP12/SP12T和SP30的兩個方案：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)和射頻發射芯片TDK5100F(434MHz ASK/FSK發射器)均來自英飛凌公司。 壓力傳感器SP30(100"900kPa)內置8位哈佛結構RISC MCU和2D通道的LF接口。射頻發射IC采用英飛凌公司的TDK5100F(434MHz ASK/FSK發射器)，該系統可直接接收125kHz的低頻喚醒信號控制發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發射模塊發送的信息進行解調、解碼，并將接收的數據通過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是專為汽車電子設計的8位MCU，帶有CAN/LIN控制器，可以快速地將TPMS功能轉移次要任務中。 SP30_TPMS發射模塊原理 TPMS發射系統實際上是一個定時監測無線系統，整個系統設計的核心問題主要體現在系統低功耗和汽車高速轉動時射頻接收靈敏度以及噪聲抑制方面。針對英飛凌SP30+TDK5100F發射系統，以下是關于這兩個核心問題的詳細闡述。 首先，系統低功耗是建立在硬件基礎上，并且與軟件程序相結合實現的，所以選擇靜態低功耗硬件是前提條件；其次，系統要盡量保持在功耗最低的PWDN模式下；第三，系統從PWDN到RUN模式的硬件喚醒要與軟件闋值比較相結合；最后，系統進入RUN模式中，在某些獨立于RISC內核的單元工作時，可以讓系統進入空閑模式等待，這樣也會節省供耗。實測星科DEMO板靜態電流3uA。圖１為SP30+TDK5100F發射系統的程序流程。 圖１：SP30+TDK5100F發射系統的程序流程圖 在軟件架構中有一些需要注意的地方： 1. 整個軟件架構主要由三個模塊組成：初始化模塊、傳感器數據測量模塊(Measure_Data)、RF發射模塊(SSI_Datagram)。這三個模塊盡量做成函數包，方便移植和功能升級。 2. 間隔定時器(IT)喚醒系統后利用軟件設置幾個闋值區加以判斷參數測量和RF發射，盡量節省功耗。比如利用加速度測量判定汽車啟動/停止狀態來決定其他參數是否需要測量，判定汽車大致速度決定RF發射頻率等；利用欠壓、高壓等級區域判定RF發射報警頻率等。這些需要客戶根據實際去完善。需要注意的是，所有的闋值不要設置成某一固定值，應該是某一區域，當然這個區域的設定要反復測量，太小將對系統穩定造成影響，也不利于節省功耗，太大則測量靈敏性較差。 3. 利用IT和LT(LF定時器)來實現LF接口使能和關閉LF檢測，這樣可以不必使LF接口常開又能保證實時檢測主機命令，更大程度省電。 其次，汽車高速轉動時射頻接收靈敏度以及噪聲抑制問題。發射模塊是內置在輪胎內部的，除了輪胎中環境溫度、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動對射頻性能的影響。需要強調的是TPMS系統選擇的RF器件基本都是集成電路，RF IC的性能直接影響到整個系統的性能。設計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是針對汽車級別設計的低速(120Kbaud)低功耗RF IC，與之配套的RX芯片TDA5210接收靈敏度達到-107dBm。 在RF設計中需要注意以下一些問題： 1. 晶振的選擇。TDK5100F/TDA5210是窄帶RF IC，由于溫度導致的晶振頻差和晶振負載電容的不一致都會導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發射系統安裝要求是比較高的，當然除了天線性能之外，對其外型結構也有同樣高的要求。從兩者的折衷考慮，目前用的比較多的是螺旋天線。PCB環行天線雖然結構與成本最好，但是由于其諧振中心頻點以及等效阻抗等需要網絡分析儀去校正，以及其本身PCB材料造成的天線損耗都使其在TPMS中應用不多。單級天線的性能是可以做得很好的，但是結構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。晶振布局遠離天線，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，利用網絡分析儀做天線參數匹配的最后確定，并實測發射功率以及接收靈敏度。 接收模塊 本系統接收模塊是由TDA5210+XC866組成的，實際XC866只需要一個I/O就可以接收TDA5210的解調數據，需要考慮的TPMS系統屬于汽車電子安全系統，為了系統任務升級擴展，MCU的選型也盡量滿足汽車環境的要求，英飛凌XC866/XC886是專為汽車電子設計的8位MCU，帶有CAN/LIN控制器,可以快速地將TPMS功能轉移次要任務中。如果此時TPMS功能是作為節點存在，那么MCU就可以釋放出來執行其他的任務，而在汽車電子中，這種任務相當多的是電機控制，這就用到了XC866的強大外設功能(電機控制單元和PWM捕獲比較單元)。因此，接收端MCU的選擇不僅是關系到汽車級別的MCU，更應該有一些超前的意識。 本文小結 由于汽車市場的快速增長，TPMS系統也將擁有更多的發展空間，在這個充滿機遇同時又面臨眾多技術調整的市場上，選擇合適的解決方案將對廠商在這個市場上是否能取得成功起著非常關鍵的作用。星科半導體公司推出了TPMS的參考設計，用戶可以利用該參考設計快速地將產品推向市場。 Sidebar:(僅用于網站) 基于SP30_TPMS的IC簡要說明 SP30:內部集成一個低功耗8 BIT哈佛結構的RISC控制器； 工作模式：下電、運行、空閑、熱關斷； 喚醒方式：IT/LT喚醒，PORT喚醒，LF檢測喚醒； 固化函數庫，可方便用戶直接調用 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發射器，PLL、VCO、功率放大器集成在內部，發射功率為5dBm，帶有POWER DOWN模式，CLKOUT輸出。 電壓范圍：2.1-4V；溫度范圍：?40℃"+125℃；靜態電流：0.3nA。 TDA5210:400-440M/810-870M ASK/FSK SFR 接收器 FSK靈敏度 PWDN電流：50nA 芯片內部集成LNA、PLL、VCO、MIXER、LIMITER、AGC |
