汽車胎壓監測系統(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。目前直接式TPMS發射模塊較多采用以下兩種方案：1)電池+單片機+傳感器+射頻芯片，2)是電池+內部集成MCU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較為先進的產品設計形式。隨著半導體及硅顯微機械加工技術的快速發展，一種新的設計方案即電池+內部集成MCU和RF的專用傳感器正成為TPMS發射模塊設計的主流。這種方案集成度更高，體積和功耗更小，使用壽命更長，產品競爭力也更強。本文選用Infineon新一代系統級芯片SP37作為胎壓傳感器和射頻發射器，選用MAXIM公司的MAX1473作為接收芯片，設計完成了一種新型胎壓監測系統。

1 系統描述

胎壓監測系統組成如圖1所示，輪胎壓力傳感器分別安裝在4個車輪輪轂上，負責測量輪胎內部的壓力、溫度和電池電壓等物理狀況，并將測量數據通過無線形式按照一定的規律發給胎壓控制器。駕駛員通過胎壓控制器上的顯示屏和按鍵可查看4個輪胎的壓力值、溫度值。當某一個輪胎的溫度、壓力或電池電壓超過了報警閥值，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。



2 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，兩種模塊的硬件結構如圖2所示。輪胎壓力傳感器主要由電池和集傳感器、單片機和RF發射單元于一體的SP37組成，外圍器件少，重量輕，成本低。胎壓控制器采用了基于ASK調制模式的MAX1473作為無線接收芯片，由8位單片機控制實現數據的接收、顯示和報警。本設計方案遵循歐洲標準，無線信號調制中心頻率為433．92 MHz。



2．1 SP37應用設計

傳感器和射頻是無線輪胎壓力傳感器設計的關鍵。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，因此實現傳感器和射頻功能的芯片需具有以下兩個特點：

1)集成度高，外圍器件盡可能少，便于進行可靠性設計；

2)最小可工作電壓低，功耗低，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。

根據以上特點，并經過分析比較，最終選用了SP37這款高集成度系統級芯片。SP37是調頻范圍為300～450 MHz的胎壓傳感器芯片，內部集傳感器、單片機和RF發射單元于一體，最大輸出功率+8 dBm(50 Ω負載)，最低1．9 V工作。應用電路如圖3所示，主要包括電源濾波電路、晶振電路和天線匹配電路三部分。由于RF芯片對汽車電磁噪音非常敏感，恰當有效的濾波電路能很好地抑制噪音，提高可靠性，因而靠近電源引腳配置了濾波電容C1、C4和C6。SP37常用調制頻率有315 MHz和433．92 MHz兩種，不同調制頻率所選用的晶振也不同。若調制頻率為315 MHz，那么外部晶振頻率G1應為19．687 5 MHz；若調制頻率為433．92 MHz，G1則應為18．08 MHz。L1、L2、C2、C3和C5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SP37功率放大器的輸出阻抗500 Ω，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。



2．2 MAX1473射頻應用設計

胎壓控制器可以直接由車載電源供電，對功耗的要求不是很嚴格。由于胎壓控制器安裝于車廂內，考慮到金屬車身的屏蔽效應，高靈敏度是選擇射頻接收芯片時考慮的重要因素。而與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，因此最終選用MAXIM公司的超外差接收機MAX1473來完成胎壓傳感器SP37射頻無線信號的可靠接收，其應用電路如圖4所示。



MAX1473具有-114～0d Bm的信號輸入范圍，調制頻率范圍300～450MHz，接收數據速率最大為100 kb／s，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、10．7 MHz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。MAX1473外圍電路主要包括3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433．92 MHz，當L2=15 nH，C9=3．0 pF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50 Ω。這時LNA的輸入端等效于一個50Ω電阻與一個2．5 pF電容串聯，輸入阻抗為：。當RF輸入頻率為433．92 MHz時，Z=50-j145。為消除輸入阻抗的虛部，匹配50 Ω天線，可算出匹配電感L4約為73 nH。對于315 MHz系統，晶振G1頻率為4．754 7 MHz；對于433．92 MHz系統，晶振G1頻率為6．612 8 MHz，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。

3 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年以上，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1 000ms×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 h，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。




4 性能測試

本設計方案樣機已研制出，經反復測試具體性能指標如下：

1)可監測胎壓范圍為0～4．5 bar，分辨率25 mbar，通常轎車的輪胎氣壓在2．2～2．8 bar之間；

2)可監測溫度范圍：-40～125℃，分辨率2℃，轎車的輪胎溫度一般約75℃；

3)輪胎壓力傳感器發射功率用頻譜分析儀測得在-40 dBm左右，胎壓控制器接收靈敏度在-100 dBm；

4)采用500 mAh的電池，若每天正常行車12 h，發射模塊可正常工作6年以上。

5 結束語

目前，輪胎壓力監測系統的強制標準已送交國家有關部門審核，汽車標配TPMS安全系統成為必然的趨勢。本文基于SP37集成度高、可靠性強、功耗低的優點，選用MAX1473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。