引言
汽車胎壓監測系統(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。TPMS系統可分為間接式和直接式兩種。間接式是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較車輪之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的。直接式利用安裝在每一輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線調制發射到安裝在駕駛臺的接收器上[1]。
目前直接式TPMS發射模塊較多采用以下兩種方案：一種是電池+單片機+傳感器+射頻芯片，另一種是電池+內部集成MCU(微控制器)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主流的產品設計形式。由于幅移鍵控(ASK)信號調制模式具有功耗低、靈敏度高以及低成本的優點，本文選用基于ASK模式的MAX7044作為發射芯片，英飛凌公司的SP30作為傳感器設計完成了一種新型胎壓發射模塊。
發射模塊硬件設計
發射模塊硬件主要由傳感器SP30、MAX7044、電池和天線組成，如圖1所示。內部集成MCU的傳感器SP30通過串行通信接口把數據送給MAX7044發射出去，電池為二者供電。本設計中所選用的器件工作溫度均為汽車級(-40～+125℃)，以滿足輪胎內發射模塊復雜惡劣環境下可靠工作的要求。該方案遵循歐洲標準，無線信號調制中心頻率為433.92MHz。
SP30應用設計
SP30是英飛凌公司推出的胎壓檢測專用傳感器芯片，內部不但有壓力、溫度、加速度和電池電壓傳感器，而且集成了一個8位哈佛結構的RISC單片機，工作電壓范圍1.8~3.6V，壓力測量范圍0~3.5Bar，溫度測量范圍-40~+125℃，應用電路如圖2所示[2]。SP30外圍器件很少，只需要接一個3V的電池和濾波電容即可。
SP30可在四種模式下工作，即低功耗模式、空閑模式、運行模式和熱關斷模式。其中，低功耗模式功耗最小，所以SP30應盡可能處于該工作模式，以保證電池有較長的使用壽命。P14和P15為串行通信口，P14為串行數據，P15為MAX7044提供的外部時鐘，時鐘頻率為847.5kHz ，P17無用接地。XP1為調試接口。
MAX7044射頻應用設計
無線發射芯片是發射模塊可靠工作的關鍵。由于發射模塊安裝在輪轂上，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，以盡可能延長電池的使用壽命;
● 芯片最小可工作電壓低，且具有足夠大的發射功率。
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)，供電電壓最低2.1V工作，低功耗模式電流只有幾十納安，內部集成了功率放大器、晶體振蕩器、鎖相環等電路，采用8引腳SOT23小封裝設計[3]。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(射頻)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。調制頻率fRF和所選晶振頻率fXTAL的關系是：fXTAL=fRF/32 。本設計調制頻率為433.92MHz，那么外部晶振頻率G1應為13.56MHz，輸出頻率CLK-OUT為晶振頻率16分頻即847.5kHz。輸出頻率CLK-OUT用于給壓力溫度傳感器SP30內部的微控制器提供操作時序。MAX7044功率放大器(PA)的輸出阻抗為125Ω，為與特定阻抗的天線相匹配必須配置阻抗變換電路，以減小發射功率損耗，提高天線效能。本設計采用氣門嘴作為天線，C10用于抵消大部分天線感抗，C1、C2和L1組成了低通濾波器，可以抑制PA輸出的高次諧波。L2用來抑制來自電源的射頻干擾，C3為隔直電容[4]。通過軟件仿真和反復測試驗證，最佳匹配電路如圖3所示。
發射模塊軟件設計
因為受輪胎內空間和重量的限制，發射模塊只能采用容量有限的微型電池供電，因此要保證單一發射模塊2年以上的壽命必須考慮如何節能。此外，一輛轎車上不算備胎至少要配置四個發射模塊，由于接收器不能同時接收多路無線信號，若有發射模塊同時發射數據給接收器，則必然發生數據沖突，導致接收失敗和功耗增加，所以如何避免發送沖突是軟件算法要解決的又一關鍵問題。
本設計采用的數據幀格式如表1所示，前導碼和停止位用于標識一幀數據的開始和結束。設備ID是輪胎發射模塊的全球唯一標識，以區別不同的輪胎。狀態信息包含了電池供電情況(SP30有低電壓檢測)和傳感器測量故障情況，校驗和用于檢測數據發送的正確性。
② 如何避免發送沖突
設計中我們采用了一種基于素數的動態時延算法。當檢測到有效加速度信號后，四個輪胎發射模塊被喚醒并啟動壓力和溫度檢測程序。數據檢測完成后分別按素數進行動態延時，延時時間一到再把數據發送出去，發送完畢自動關閉發送器，開始新一輪數據檢測。各輪胎延時參數配置如下：左前輪胎發射模塊延時按250ms×N1(N1=2，19)周期變化，右前輪胎發射模塊延時按250ms×N2(N2=3，17)周期變化，左后輪胎發射模塊延時按250ms×N3(N3=5，13)周期變化，右后輪胎發射模塊延時按250ms×N4(N4=7，11)周期變化，N1、N2、N3、N4分別取不同的素數[5]。這種基于素數動態延時的算法既能有效避免各發射模塊發送沖突，又能降低能耗，延長電池壽命。
③ 如何節能
由于發射模塊采集數據和發射數據幀時耗電最大，因此在保證數據傳輸正確的前提下應盡可能減少發射頻率和每次發射的數據幀數，發射模塊軟件流程如圖4所示。SP30內部集成有加速度傳感器，當檢測到車子靜止時間超過1小時就自動進入低功耗休眠模式(電流為微安級)，此時不再進行數據檢測和發射。當車子運動后加速度信號將發射模塊喚醒，數據采集完成后啟動基于素數的動態時延算法，即按250ms×N(N為小于20的隨機素數)延時后再將數據發送出去。實際測試表明，通過工作模式的靈活轉換和減小發射頻率能夠有效控制發射模塊的使用壽命。
性能測試
本設計方案已在產品設計中得到應用，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2.2Bar～2.8Bar之間;
● 可監測溫度范圍：-40～125℃，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;
● 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
本文設計并實現了一種直接式輪胎壓力監測系統發射模塊。基于SP30傳感器和MAX7044發射器的發射模塊集成度高，體積小，能同時監測汽車行駛時輪胎氣壓、溫度和電池電壓三個關鍵參數。當輪胎出現漏氣、過壓以及溫度過高等異常情況時，能自動及時報警，保障行車安全。