基于胎壓監(jiān)測傳感器的TPMS雙向通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)描述

在每個(gè)車輪內(nèi)部安裝一個(gè)汽車胎壓監(jiān)測傳感器，它能夠準(zhǔn)確測量輪胎內(nèi)部的壓力和溫度，傳感器通過無線形式按照一定的規(guī)律向車身控制器(Body Control Model，BCM)發(fā)送輪胎的壓力值和溫度值，BCM通過CAN總線將信息幀發(fā)送給儀表盤，駕駛員通過儀表盤顯示屏獲得每一個(gè)輪胎的壓力值、溫度值。當(dāng)某一個(gè)輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報(bào)警值，儀表盤能夠準(zhǔn)確顯示報(bào)警輪胎的位置，并發(fā)出圖形、聲音、文字報(bào)警。同時(shí)安裝于每個(gè)輪胎擋泥板位置處的低頻天線與BCM進(jìn)行信息通信，并將BCM需要汽車胎壓監(jiān)測傳感器何種操作信息解析并轉(zhuǎn)換為125 kHz低頻無線數(shù)據(jù)發(fā)射出去，汽車胎壓監(jiān)測傳感器將接收此低頻無線信號(hào)，然后按照解析后的操作信息進(jìn)行工作。以上就是TPMS雙向通信系統(tǒng)。由于該產(chǎn)品是汽車產(chǎn)品安全件，其應(yīng)在各種環(huán)境下具有高可靠性，各種環(huán)境為：各種天氣情況下，例如陰天、下雨等不同天氣環(huán)境;各種路況，例如國道、高速、鄉(xiāng)村公路、山路等等;冬季中的雪路、冰面、極其寒冷地區(qū)(-40℃);夏季中的炎熱、潮濕地區(qū)(地表溫度+50℃，90%濕度);不同的車速(0～200km/h)等。這就需要在設(shè)計(jì)汽車胎壓監(jiān)測傳感器時(shí)要嚴(yán)格選擇各個(gè)器件。

2 電路設(shè)計(jì)

由于汽車胎壓監(jiān)測傳感器是安裝在輪胎內(nèi)部，不與外界接觸，這就要求不能過于頻繁地維護(hù)修理，一般要求有10年使用工作壽命，而且其工作溫度范圍為-40～+125℃，這就要求所選擇的器件都要是汽車級(jí)和低功耗元器件。

汽車胎壓監(jiān)測傳感器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 汽車胎壓監(jiān)測傳感器系統(tǒng)組成框圖

2.1 傳感器選擇

MCU/Sensor是系統(tǒng)的核心，由Infineon公司的SP300V2.1-E106-0實(shí)現(xiàn)。SP300V2.1-E106-0整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力傳感器、溫度傳感器與加速度傳感器和一個(gè)電池電壓監(jiān)測器，并內(nèi)部集成一個(gè)低功耗8位哈佛結(jié)構(gòu)的RISC控制器;它具有下電、運(yùn)行、空閑、關(guān)斷4種工作模式，并有IT/LT喚醒、PORT喚醒和LF低頻檢測喚醒3種喚醒方式，能夠有效地滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求。壓力測量范圍0～3.5 Bar;溫度測量范圍-40～+125℃;向心加速度測量范圍-12g～115g;工作電壓范圍1.8～3.6 V。

2.2 射頻單元選擇

RF射頻芯片主要用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)。系統(tǒng)采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作電壓為+2.1～+6.0 V，8 mA的低工作電流，00K/ASK調(diào)制方式，通信速率能達(dá)到100 kbps，小封裝3 mm×3 mm，8引腳S0T23封裝。它消除了基于SAW發(fā)送器設(shè)計(jì)的問題;采用晶體結(jié)構(gòu)，提供了更大的調(diào)制深度和快速的頻率響應(yīng)機(jī)制;降低了溫度的影響，溫度范圍可達(dá)-40～+125℃。其內(nèi)部包含功率放大器(PA)、晶體振蕩器(crystal oscillator)、驅(qū)動(dòng)器(driver)、數(shù)據(jù)有效檢測電路(data activity detector)、鎖定檢測電路(10ck detect)、鎖相環(huán)(32xPLL)、分頻器(16分頻)等電路。

MAX7044有一個(gè)自動(dòng)的低功耗模式(shutdown mode)控制方式。如果DATA引腳在一個(gè)確定的時(shí)間(等待時(shí)間)內(nèi)沒有動(dòng)作，器件自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。等待時(shí)間大約是216個(gè)時(shí)鐘周期，在433 MHz頻率大約為4.84 ms。進(jìn)入低功耗模式的等待時(shí)間為：。其中，fRF是射頻發(fā)射頻率。當(dāng)器件在低功耗模式時(shí)，在DATA信號(hào)的上升沿“熱”啟動(dòng)晶振和PLL，晶振和PLL在數(shù)據(jù)發(fā)射前需要220μs的建立時(shí)間?；鶞?zhǔn)頻率和載波頻率的關(guān)系為：fXTAL=fRF/32。

MAX7044的主要特性參數(shù)如下：

◆+2.1～+3.6 V單電源供電

◆OOK/ASK發(fā)射數(shù)據(jù)格式

◆最大數(shù)據(jù)率100 kbps

◆+13 dBm輸出功率(50 Ω負(fù)載)

◆供電電流低(典型值7.7 mA)

◆250μs快速啟動(dòng)時(shí)間

由MAX7044構(gòu)成的發(fā)射電路圖如圖2所示，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)天線的實(shí)際阻抗和射頻發(fā)射芯片輸入阻抗，利用π型匹配網(wǎng)絡(luò)完成射頻發(fā)射芯片和天線之間的阻抗匹配，以達(dá)到最大功率輸出。

圖2 由MAX7044構(gòu)成的發(fā)射電路圖

2.3 電池選擇

電池選擇以色列Tadiran電池公司推出的高溫系列電池(TLH)，供電電壓+3.6 V，電池容量500 mAh，具有壽命長、能量密度大、自放電極低、重量輕(8.8 g)、溫限寬(-55～+125℃)等特點(diǎn)。

2.4 低頻接口與計(jì)算

LF低頻通信中，SP300V2.1-E106-0接收來自BCM發(fā)出低頻信息。低頻天線由并聯(lián)的電阻、電容和電感組成，如圖3所示。為了達(dá)到最優(yōu)低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率設(shè)計(jì)為低頻載波頻率125 kHz。諧振頻率計(jì)算公式為fc=

。低頻電感采用普萊默(Premo)公司TP1103-0477，電感量4.77 mH，通過上述公式推導(dǎo)計(jì)算電容值：

圖3 低頻硬件示意圖

并聯(lián)電阻R主要減少LCD諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q(Quality Factor)值，達(dá)到低頻足夠帶寬(7.8 kHz)。

諧振電路品質(zhì)因數(shù)

，這就要求LF諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q不能大于15?？梢杂?jì)算電阻R=Q×XL=15×2π×fc×L= 49.5 kΩ。

由于SP300V2.1-E106-0低頻喚醒和接收波特率硬件設(shè)定為3.9 kbps的曼徹斯特編碼。圖4為低頻載波數(shù)據(jù)傳輸和曼徹斯特編碼之間關(guān)系。

圖4 低頻載波數(shù)據(jù)傳輸和曼徹斯特編碼之間關(guān)系

由于硬件已被固化為3.9 kbps曼徹斯*波特率，通過計(jì)算LF每個(gè)發(fā)送位時(shí)間為3.9 kbps×2=7.8 kbps。

3 天線設(shè)計(jì)

天線的性能將直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，它是汽車輪胎監(jiān)測傳感器發(fā)射功率提升的重要因素。汽車輪胎監(jiān)測傳感器的天線靠近氣門嘴，因而在設(shè)計(jì)天線時(shí)必須考慮輪胎金屬絲的屏蔽，輪輞金屬的反射影響，以及車輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)天線不斷變換方向、角度的影響等，所以天線設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下因素：極化選擇，線極化容易受到天線姿態(tài)的影響，旋轉(zhuǎn)的車輪對(duì)天線的工作極化要求相對(duì)較高;天線與射頻模塊連接，需要解決好阻抗匹配的問題，這也是天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn);由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內(nèi)，受到車身、天線運(yùn)動(dòng)等對(duì)性能的影響，主要是指對(duì)天線的增益、方向圖形狀、阻抗(電阻和電抗)等的影響;小型化設(shè)計(jì)，安裝在輪胎內(nèi)部的天線，必須考慮小型化設(shè)計(jì)，433.92MHz的工作頻率，波長為691.37 mm，常規(guī)的天線尺寸一定不能滿足要求。

基于以上考慮，選用氣門嘴作為發(fā)射模塊的天線，這種天線具有加工容易、成本低、易于一體化設(shè)計(jì)、易于匹配等優(yōu)點(diǎn)。

氣門嘴天線是國內(nèi)外目前汽車輪胎監(jiān)測傳感器常用的天線形式，它屬于電小天線的范疇，電小天線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)和匹配電路的設(shè)置。因?yàn)殡娦√炀€的輻射電阻一般比較小(幾Ω)，導(dǎo)致電小天線的輻射效率一般比較低，而且輻射阻抗中的往往存在虛部，這種儲(chǔ)能因素將導(dǎo)致輻射效率進(jìn)一步降低。虛部可以通過匹配電路予以解決，但實(shí)部電阻需要與發(fā)射芯片的射頻輸出引腳的阻抗進(jìn)行匹配，這也是發(fā)射電小天線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本方案采用的天線加載方式，通過內(nèi)部匹配黃銅片進(jìn)行加載，其類似于倒F天線加載方式，如圖5所示。經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)和路試，表明我們的設(shè)計(jì)思路和匹配方法是有效的。

圖5 氣門嘴天線示意圖和等效倒F天線示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具有的軟件功能：周期性測量輪胎壓力、溫度值，可變周期性發(fā)射輪胎壓力、溫度值，BCM低頻射頻數(shù)據(jù)接收處理，氣壓高報(bào)警功能，氣壓低報(bào)警功能，溫度高報(bào)警功能，快漏氣報(bào)警功能，電池電壓低報(bào)警功能，傳感器無信號(hào)報(bào)警功能。系統(tǒng)要求具備10年長壽命特性，系統(tǒng)要達(dá)到如此長的使用年限，一般狀態(tài)下系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流只有O.6μA，系統(tǒng)休眠狀態(tài)可通過低頻LF中斷或定時(shí)器中斷來喚醒。系統(tǒng)軟件框架流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框架流程

SP300V2.1-E106-0內(nèi)部ROM自帶底層庫函數(shù)(Library Function)，用戶可以直接調(diào)用庫函數(shù)。

由于安裝在車上每個(gè)輪胎內(nèi)部的輪胎壓力傳感器會(huì)存在同時(shí)高頻數(shù)據(jù)發(fā)射可能性，在此期間數(shù)據(jù)之間會(huì)產(chǎn)生射頻干擾，從而導(dǎo)致BCM控制器射頻接收端無法收到正確的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)沖突。數(shù)據(jù)沖突由于是隨機(jī)產(chǎn)生的，因而無法避免，但是必須在產(chǎn)生沖突后再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的

概率盡量低，避免造成連續(xù)的數(shù)據(jù)沖突。目前系統(tǒng)采取在每個(gè)發(fā)射高頻數(shù)據(jù)幀之間增加一段隨機(jī)延時(shí)，隨機(jī)延時(shí)的時(shí)間為數(shù)據(jù)幀時(shí)間長度的質(zhì)數(shù)倍，系統(tǒng)選擇了3倍、5倍、7倍、11倍和13倍。這樣，如果前面有模塊發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突，則只有當(dāng)發(fā)送沖突的模塊的隨機(jī)延時(shí)時(shí)間相同時(shí)才會(huì)再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，此概率為4%。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪胎壓力傳感器安裝在汽車輪胎內(nèi)部，由氣門嘴、殼體和防塵帽組成。汽車行駛速度最高可達(dá)250 km/h，而且輪胎內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜且異常惡劣，長期處于高壓、高濕、溫度交變、油污、顛簸振動(dòng)等環(huán)境中，溫度高低變化容易使殼體脆化并使機(jī)械強(qiáng)度降低，高濕情況下也會(huì)使殼體發(fā)生膨脹、強(qiáng)度降低并產(chǎn)生腐蝕等化學(xué)反應(yīng)，輪胎行駛在各種路面上，顛簸振動(dòng)頻率幅度都各不相同，這些情況都可能導(dǎo)致零部件松脫。這就要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮如下幾點(diǎn)：系統(tǒng)總重量要求輕(小于40 g)、耐速旋轉(zhuǎn)加速度性能高、結(jié)構(gòu)斷裂強(qiáng)度高、密封性高(IP6防護(hù)等級(jí))、結(jié)構(gòu)和氣門嘴材料選擇耐高低溫和耐腐蝕材料、氣門嘴與輪輞接合處有防松動(dòng)設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論

無論是臺(tái)架試驗(yàn)還是各種情況的道路測試，輪胎壓力傳感器均保持高可靠性，系統(tǒng)低頻收發(fā)準(zhǔn)確率和高頻收發(fā)準(zhǔn)確率達(dá)到98%。當(dāng)輪胎出現(xiàn)異常危險(xiǎn)情況時(shí)，汽車儀表盤顯示相關(guān)報(bào)警信息，實(shí)時(shí)提醒駕駛者，將因輪胎氣壓問題造成的事故消滅在萌芽之中，增強(qiáng)了汽車行駛的安全性。