基于胎压监测传感器的TPMS双向通信系统设计

1 系统描述
    在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器，它能够准确测量轮胎内部的压力和温度，传感器通过无线形式按照一定的规律向车身控制器(Body Control Model，BCM)发送轮胎的压力值和温度值，BCM通过CAN总线将信息帧发送给仪表盘，驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值，仪表盘能够准确显示报警轮胎的位置，并发出图形、声音、文字报警。同时安装于每个轮胎挡泥板位置处的低频天线与BCM进行信息通信，并将BCM需要汽车胎压监测传感器何种操作信息解析并转换为125 kHz低频无线数据发射出去，汽车胎压监测传感器将接收此低频无线信号，然后按照解析后的操作信息进行工作。以上就是TPMS双向通信系统。由于该产品是汽车产品安全件，其应在各种环境下具有高可靠性，各种环境为：各种天气情况下，例如阴天、下雨等不同天气环境;各种路况，例如国道、高速、乡村公路、山路等等;冬季中的雪路、冰面、极其寒冷地区(-40℃);夏季中的炎热、潮湿地区(地表温度+50℃，90%湿度);不同的车速(0～200km/h)等。这就需要在设计汽车胎压监测传感器时要严格选择各个器件。
2 电路设计
    由于汽车胎压监测传感器是安装在轮胎内部，不与外界接触，这就要求不能过于频繁地维护修理，一般要求有10年使用工作寿命，而且其工作温度范围为-40～+125℃，这就要求所选择的器件都要是汽车级和低功耗元器件。
    汽车胎压监测传感器系统组成框图如图1所示。

图1 汽车胎压监测传感器系统组成框图
    2.1 传感器选择
    MCU/Sensor是系统的核心，由Infineon公司的SP300V2.1-E106-0实现。SP300V2.1-E106-0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和一个电池电压监测器，并内部集成一个低功耗8位哈佛结构的RISC控制器;它具有下电、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0～3.5 Bar;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1.8～3.6 V。
    2.2 射频单元选择
    RF射频芯片主要用于将数字信号转换为高频信号。系统采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作电压为+2.1～+6.0 V，8 mA的低工作电流，00K/ASK调制方式，通信速率能达到100 kbps，小封装3 mm×3 mm，8引脚S0T23封装。它消除了基于SAW发送器设计的问题;采用晶体结构，提供了更大的调制深度和快速的频率响应机制;降低了温度的影响，温度范围可达-40～+125℃。其内部包含功率放大器(PA)、晶体振荡器(crystal oscillator)、驱动器(driver)、数据有效检测电路(data activity detector)、锁定检测电路(10ck detect)、锁相环(32xPLL)、分频器(16分频)等电路。
    MAX7044有一个自动的低功耗模式(shutdown mode)控制方式。如果DATA引脚在一个确定的时间(等待时间)内没有动作，器件自动进入低功耗模式。等待时间大约是216个时钟周期，在433 MHz频率大约为4.84 ms。进入低功耗模式的等待时间为：。其中，fRF是射频发射频率。当器件在低功耗模式时，在DATA信号的上升沿“热”启动晶振和PLL，晶振和PLL在数据发射前需要220μs的建立时间。基准频率和载波频率的关系为：fXTAL=fRF/32。
    MAX7044的主要特性参数如下：
    ◆+2.1～+3.6 V单电源供电
    ◆OOK/ASK发射数据格式
    ◆最大数据率100 kbps
    ◆+13 dBm输出功率(50 Ω负载)
    ◆供电电流低(典型值7.7 mA)
    ◆250μs快速启动时间
    由MAX7044构成的发射电路图如图2所示，实际设计时根据天线的实际阻抗和射频发射芯片输入阻抗，利用π型匹配网络完成射频发射芯片和天线之间的阻抗匹配，以达到最大功率输出。

图2 由MAX7044构成的发射电路图
    2.3 电池选择
    电池选择以色列Tadiran电池公司推出的高温系列电池(TLH)，供电电压+3.6 V，电池容量500 mAh，具有寿命长、能量密度大、自放电极低、重量轻(8.8 g)、温限宽(-55～+125℃)等特点。
    2.4 低频接口与计算
    LF低频通信中，SP300V2.1-E106-0接收来自BCM发出低频信息。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成，如图3所示。为了达到最优低频接收灵敏度，电感和电容谐振频率设计为低频载波频率125 kHz。谐振频率计算公式为fc=

。低频电感采用普莱默(Premo)公司TP1103-0477，电感量4.77 mH，通过上述公式推导计算电容值：

 

图3 低频硬件示意图
    并联电阻R主要减少LCD谐振电路品质因数Q(Quality Factor)值，达到低频足够带宽(7.8 kHz)。
    谐振电路品质因数

，这就要求LF谐振电路品质因数Q不能大于15。可以计算电阻R=Q×XL=15×2π×fc×L= 49.5 kΩ。
    由于SP300V2.1-E106-0低频唤醒和接收波特率硬件设定为3.9 kbps的曼彻斯特编码。图4为低频载波数据传输和曼彻斯特编码之间关系。

图4 低频载波数据传输和曼彻斯特编码之间关系
    由于硬件已被固化为3.9 kbps曼彻斯*波特率，通过计算LF每个发送位时间为3.9 kbps×2=7.8 kbps。
3 天线设计
    天线的性能将直接影响数据传输的质量，它是汽车轮胎监测传感器发射功率提升的重要因素。汽车轮胎监测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：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;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;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、阻抗(电阻和电抗)等的影响;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691.37 mm，常规的天线尺寸一定不能满足要求。
    基于以上考虑，选用气门嘴作为发射模块的天线，这种天线具有加工容易、成本低、易于一体化设计、易于匹配等优点。
    气门嘴天线是国内外目前汽车轮胎监测传感器常用的天线形式，它属于电小天线的范畴，电小天线的设计重点在于结构尺寸的设计和匹配电路的设置。因为电小天线的辐射电阻一般比较小(几Ω)，导致电小天线的辐射效率一般比较低，而且辐射阻抗中的往往存在虚部，这种储能因素将导致辐射效率进一步降低。虚部可以通过匹配电路予以解决，但实部电阻需要与发射芯片的射频输出引脚的阻抗进行匹配，这也是发射电小天线的设计重点。本方案采用的天线加载方式，通过内部匹配黄铜片进行加载，其类似于倒F天线加载方式，如图5所示。经过台架试验和路试，表明我们的设计思路和匹配方法是有效的。

图5 气门嘴天线示意图和等效倒F天线示意图
4 软件设计
    系统具有的软件功能：周期性测量轮胎压力、温度值，可变周期性发射轮胎压力、温度值，BCM低频射频数据接收处理，气压高报警功能，气压低报警功能，温度高报警功能，快漏气报警功能，电池电压低报警功能，传感器无信号报警功能。系统要求具备10年长寿命特性，系统要达到如此长的使用年限，一般状态下系统都处于休眠状态，静态电流只有O.6μA，系统休眠状态可通过低频LF中断或定时器中断来唤醒。系统软件框架流程如图6所示。

图6 系统软件框架流程
    SP300V2.1-E106-0内部ROM自带底层库函数(Library Function)，用户可以直接调用库函数。
    由于安装在车上每个轮胎内部的轮胎压力传感器会存在同时高频数据发射可能性，在此期间数据之间会产生射频干扰，从而导致BCM控制器射频接收端无法收到正确的数据，即数据冲突。数据冲突由于是随机产生的，因而无法避免，但是必须在产生冲突后再次产生数据冲突的
    概率尽量低，避免造成连续的数据冲突。目前系统采取在每个发射高频数据帧之间增加一段随机延时，随机延时的时间为数据帧时间长度的质数倍，系统选择了3倍、5倍、7倍、11倍和13倍。这样，如果前面有模块发生了数据冲突，则只有当发送冲突的模块的随机延时时间相同时才会再次产生数据冲突，此概率为4%。
5 结构设计
    轮胎压力传感器安装在汽车轮胎内部，由气门嘴、壳体和防尘帽组成。汽车行驶速度最高可达250 km/h，而且轮胎内部环境复杂且异常恶劣，长期处于高压、高湿、温度交变、油污、颠簸振动等环境中，温度高低变化容易使壳体脆化并使机械强度降低，高湿情况下也会使壳体发生膨胀、强度降低并产生腐蚀等化学反应，轮胎行驶在各种路面上，颠簸振动频率幅度都各不相同，这些情况都可能导致零部件松脱。这就要求系统结构设计考虑如下几点：系统总重量要求轻(小于40 g)、耐速旋转加速度性能高、结构断裂强度高、密封性高(IP6防护等级)、结构和气门嘴材料选择耐高低温和耐腐蚀材料、气门嘴与轮辋接合处有防松动设计。
6 结论
    无论是台架试验还是各种情况的道路测试，轮胎压力传感器均保持高可靠性，系统低频收发准确率和高频收发准确率达到98%。当轮胎出现异常危险情况时，汽车仪表盘显示相关报警信息，实时提醒驾驶者，将因轮胎气压问题造成的事故消灭在萌芽之中，增强了汽车行驶的安全性。
(本文转自电子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0827/article_5894.html)