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汽車胎壓監視系統(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。當輪胎發生漏氣、過壓、溫度過高等危險情況時，TPMS能及時告知駕駛員采取措施將事故消滅在萌芽狀態。由于幅移鍵控（Amplitude-Shift-Keyed，ASK）信號調制模式具有功耗低、靈敏度高以及成本低的優點，我們選用基于ASK調制模式的MAX1473和MAX7044作為收發芯片，設計完成了一種新型胎壓監測系統。 系統描述 胎壓監測系統組成如圖1所示，在每個車輪輪轂上安裝一個輪胎壓力傳感器，它能夠準確測量輪胎內部的壓力和溫度。傳感器通過無線形式按照一定的規律向胎壓控制器發送輪胎的壓力值、溫度值。駕駛員通過顯示屏獲得每一個輪胎的壓力值、溫度值。當某一個輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報警閥值時，胎壓控制器能夠準確識別輪胎的位置，并且發出圖形、聲音、文字報警。 圖1 胎壓監測系統組成圖 系統硬件方案設計 該TPMS系統包括兩種硬件模塊：輪胎壓力傳感器和胎壓控制器。筆者以基于ASK調制模式的MAX1473和MAX7044作為無線收發芯片，設計了輪胎壓力傳感器和胎壓控制器的硬件結構，如圖2所示。收發無線信號調制頻率為433.92MHz。 圖2 TPMS系統硬件模塊框圖 1 MAX7044射頻應用設計 發射芯片是無線輪胎壓力傳感器的核心部分。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，因此發射芯片的選型需具有以下兩個特點： ● 功耗低，支持ASK調制，有多種工作模式，便于根據具體工作狀態進行功耗管理，以盡可能延長監測模塊的工作壽命； ● 芯片最小可工作電壓低，發射功率足夠大； 根據以上特點，并經過分析比較，我們最終選用了MAX7044這款性價比高的發射芯片。MAX7044是MAXIM公司生產的300MHz～450MHz頻率范圍內ASK調制芯片，最大輸出功率+13dBm（50Ω負載)，電源電壓最低2.1V工作。應用電路如圖3所示，主要包括電源去耦電路、晶振電路和天線匹配電路三部分。由于RF芯片對電源的噪音非常敏感，恰當有效的電源去耦電路能很好的抑制噪音，提高可靠性，因而靠近3V電源引腳配置了去耦電容C5。MAX7044常用調制頻率有315MHz和433.92MHz兩種，不同調制頻率所選用的晶振也不同。若調制頻率為315MHz，那么外部晶振頻率G1應為9.84375MHz，輸出頻率CLK-OUT為615.2kHz；若調制頻率為433.92MHz，那么外部晶振頻率G1應為13.56MHz，輸出頻率CLK-OUT為847.5kHz。輸出頻率CLK-OUT用于給壓力溫度傳感器SP30內部的MCU提供操作時序。L1、L2、C1、C2和C3組成了天線匹配網絡，通過優化這些參數可以將特定阻抗的天線匹配到MAX7044功率放大器的輸出阻抗125Ω，以抑制諧波，提高天線的效能。本設計采用氣門嘴作為天線，通過軟件仿真和反復測試驗證，最佳匹配電路如圖3所示。 圖3 MAX7044應用電路 2 MAX1473射頻應用設計 因為胎壓控制器直接從車載電源取電，對功耗的要求不是很嚴格。而由于胎壓控制器安裝于車廂內，考慮到車身對無線信號的屏蔽效應，在選擇射頻接收芯片時高靈敏度成為非常重要的因素。此外，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，我們最終選用MAXIM公司的超外差接收機MAX1473來完成胎壓監測數據的可靠接收，其應用電路如圖4所示。MAX1473具有-114～0dBm的信號輸入范圍，調制頻率范圍300～450MHz，接收數據速率最大為100kbps，內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、10.7MHz中頻限幅放大器以及模擬基帶數據恢復電路，只需少量的外部器件即可構成胎壓接收器的射頻前端。 圖4 MAX1473應用電路圖 MAX1473外圍電路主要包括三部分：LNA調諧電路、輸入匹配和晶振電路。LNA調諧電路由連接在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。在本設計中，RF輸入頻率為433.92MHz，當L2=15nH，C9=3.0pF時，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，并將LNAIN輸入阻抗的實部設置為50Ω。這時LNA的輸入端等效于一個50Ω電阻與一個2.5pF電容串聯，輸入阻抗為: 。當RF輸入頻率為433.92MHz時，Z=50-j145。為消除輸入阻抗的虛部，匹配50Ω天線，可算出匹配電感L4約為73nH。對于315MHz系統，晶振G1頻率為4.7547MHz；對于433.92MHz系統，晶振G1頻率為6.6128MHz，串聯電容C1、C2用于修正因電路板寄生電容導致的晶振頻率偏移。 系統軟件方案設計 如何節能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設計的關鍵問題。一個傳感器模塊要在一節幾百毫安時的電池下工作2～5年，而射頻發送數據幀時耗電最大，因此在保證數據傳輸正確的前提下應盡量減少發送次數。發射模塊軟件流程如圖5所示，本設計采用了基于素數的動態時延算法，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1000ms×N1（N1為小于20的隨機素數）延時后再將數據發送出去。與采用固定周期的延時算法相比，這種動態時延算法能大大降低數據發送沖突的概率。此外，如果傳感器檢測到輪胎靜止超過1小時，則會自動進入休眠模式，即不再發送數據，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。 圖5 發射模塊軟件流程 圖6 接收模塊軟件流程 性能測試 本設計方案已在某型號產品上得到應用，經反復測試具體性能指標如下： ● 可監測胎壓范圍為0～3.5Bar，分辨率25mBar，通常轎車的輪胎氣壓在2.2～2.8Bar之間； ● 可監測溫度范圍：-40～120℃，分辨率2℃，轎車的輪胎溫度一般在75℃左右； ● 輪胎壓力傳感器發射功率用頻譜分析儀測得在-45dBm左右，胎壓控制器接收靈敏度在-100dBm左右； ● 采用500mAh的電池，若每天正常行車12小時，發射模塊可正常工作5年以上。 結語 輪胎壓力監測系統是汽車安全系統必備的功能之一，對保護駕駛者的行車安全具有非常重要的作用。筆者基于ASK信號調制模式功耗低、靈敏度高以及成本低的優點，選用MAX1473和MAX7044設計實現了一種新的無線胎壓監測系統，該系統工作穩定可靠，具有很好的市場前景。 |
