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模块轮胎频率汽车胎压监测系统发射模块设计

汽车胎压监测系统(TPMS)是一种能对汽车轮胎气压、温度进行自动检测,并对轮胎异常情况进行报警的预警系统。TPMS系统可分为间接式和直接式两种。间接式是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别,以达到监视胎压的目的。直接式利用安装在每一轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压,并通过无线调制发射到安装在驾驶台的接收器上[1]。

  目前直接式TPMS发射模块较多采用以下两种方案:一种是电池+单片机+传感器+射频芯片,另一种是电池+内部集成MCU(微控制器)的传感器+射频芯片。前一种方案由于集成度低、体积和功耗大而被市场逐渐淘汰,后一种方案是当前市场上主流的产品设计形式。由于幅移键控(ASK)信号调制模式具有功耗低、灵敏度高以及低成本的优点,本文选用基于ASK模式的MAX7044作为发射芯片,英飞凌公司的SP30作为传感器设计完成了一种新型胎压发射模块。

  发射模块硬件设计

  发射模块硬件主要由传感器SP30、MAX7044、电池和天线组成,如图1所示。内部集成MCU的传感器SP30通过串行通信接口把数据送给MAX7044发射出去,电池为二者供电。本设计中所选用的器件工作温度均为汽车级(-40~+125℃),以满足轮胎内发射模块复杂恶劣环境下可靠工作的要求。该方案遵循欧洲标准,无线信号调制中心频率为433.92MHz。

  

  SP30应用设计

  SP30是英飞凌公司推出的胎压检测专用传感器芯片,内部不但有压力、温度、加速度和电池电压传感器,而且集成了一个8位哈佛结构的RISC单片机,工作电压范围1.8~3.6V,压力测量范围0~3.5Bar,温度测量范围-40~+125℃,应用电路如图2所示[2]。SP30外围器件很少,只需要接一个3V的电池和滤波电容即可。

  SP30可在四种模式下工作,即低功耗模式、空闲模式、运行模式和热关断模式。其中,低功耗模式功耗最小,所以SP30应尽可能处于该工作模式,以保证电池有较长的使用寿命。P14和P15为串行通信口,P14为串行数据,P15为MAX7044提供的外部时钟,时钟频率为847.5kHz ,P17无用接地。XP1为调试接口。

  MAX7044射频应用设计

  无线发射芯片是发射模块可靠工作的关键。由于发射模块安装在轮毂上,采用能量有限的锂电池供电,因此发射芯片的选型需具有以下两个特点:

  ● 功耗低,支持ASK调制,有多种工作模式,便于根据具体工作状态进行功耗管理,以尽可能延长电池的使用寿命;

  ● 芯片最小可工作电压低,且具有足够大的发射功率。

 根据以上特点,并经过分析比较,我们最终选用了MAX7044这款性价比高的发射芯片。

  MAX7044是Maxim公司生产的300MHz~450MHz频率范围内ASK调制芯片,最大输出功率+13dBm(50Ω负载),供电电压最低2.1V工作,低功耗模式电流只有几十纳安,内部集成了功率放大器、晶体振荡器、锁相环等电路,采用8引脚SOT23小封装设计[3]。应用电路如图3所示,主要包括电源去耦电路、晶振电路和天线匹配电路三部分。由于RF(射频)芯片对电源的噪音非常敏感,恰当有效的电源去耦电路能很好的抑制噪音,提高可靠性,因而靠近3V电源引脚配置了去耦电容C5。MAX7044常用调制频率有315MHz和433.92MHz两种,不同调制频率所选用的晶振也不同。调制频率fRF和所选晶振频率fXTAL的关系是:fXTAL=fRF/32 。本设计调制频率为433.92MHz,那么外部晶振频率G1应为13.56MHz,输出频率CLK-OUT为晶振频率16分频即847.5kHz。输出频率CLK-OUT用于给压力温度传感器SP30内部的微控制器提供操作时序。MAX7044功率放大器(PA)的输出阻抗为125Ω,为与特定阻抗的天线相匹配必须配置阻抗变换电路,以减小发射功率损耗,提高天线效能。本设计采用气门嘴作为天线,C10用于抵消大部分天线感抗,C1、C2和L1组成了低通滤波器,可以抑制PA输出的高次谐波。L2用来抑制来自电源的射频干扰,C3为隔直电容[4]。通过软件仿真和反复测试验证,最佳匹配电路如图3所示。

  

  发射模块软件设计

  因为受轮胎内空间和重量的限制,发射模块只能采用容量有限的微型电池供电,因此要保证单一发射模块2年以上的寿命必须考虑如何节能。此外,一辆轿车上不算备胎至少要配置四个发射模块,由于接收器不能同时接收多路无线信号,若有发射模块同时发射数据给接收器,则必然发生数据冲突,导致接收失败和功耗增加,所以如何避免发送冲突是软件算法要解决的又一关键问题。

  本设计采用的数据帧格式如表1所示,前导码和停止位用于标识一帧数据的开始和结束。设备ID是轮胎发射模块的全球唯一标识,以区别不同的轮胎。状态信息包含了电池供电情况(SP30有低电压检测)和传感器测量故障情况,校验和用于检测数据发送的正确性。

  ② 如何避免发送冲突

  设计中我们采用了一种基于素数的动态时延算法。当检测到有效加速度信号后,四个轮胎发射模块被唤醒并启动压力和温度检测程序。数据检测完成后分别按素数进行动态延时,延时时间一到再把数据发送出去,发送完毕自动关闭发送器,开始新一轮数据检测。各轮胎延时参数配置如下:左前轮胎发射模块延时按250ms×N1(N1=2,19)周期变化,右前轮胎发射模块延时按250ms×N2(N2=3,17)周期变化,左后轮胎发射模块延时按250ms×N3(N3=5,13)周期变化,右后轮胎发射模块延时按250ms×N4(N4=7,11)周期变化,N1、N2、N3、N4分别取不同的素数[5]。这种基于素数动态延时的算法既能有效避免各发射模块发送冲突,又能降低能耗,延长电池寿命。

  ③ 如何节能

  由于发射模块采集数据和发射数据帧时耗电最大,因此在保证数据传输正确的前提下应尽可能减少发射频率和每次发射的数据帧数,发射模块软件流程如图4所示。SP30内部集成有加速度传感器,当检测到车子静止时间超过1小时就自动进入低功耗休眠模式(电流为微安级),此时不再进行数据检测和发射。当车子运动后加速度信号将发射模块唤醒,数据采集完成后启动基于素数的动态时延算法,即按250ms×N(N为小于20的随机素数)延时后再将数据发送出去。实际测试表明,通过工作模式的灵活转换和减小发射频率能够有效控制发射模块的使用寿命。

  

  性能测试

  本设计方案已在产品设计中得到应用,经反复测试具体性能指标如下:

  ● 可监测胎压范围为0~3.5Bar,分辨率25mBar,通常轿车的轮胎气压在2.2Bar~2.8Bar之间;

  ● 可监测温度范围:-40~125℃,分辨率2℃,轿车的轮胎温度一般在75℃左右;

  ● 轮胎压力传感器发射功率用频谱分析仪测得在-45dBm左右;

  ● 采用500mAh的电池,若每天正常行车12小时,发射模块可正常工作5年以上。

  结语

  本文设计并实现了一种直接式轮胎压力监测系统发射模块。基于SP30传感器和MAX7044发射器的发射模块集成度高,体积小,能同时监测汽车行驶时轮胎气压、温度和电池电压三个关键参数。当轮胎出现漏气、过压以及温度过高等异常情况时,能自动及时报警,保障行车安全。

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