汽车胎压监测系统发射模块设计.doc

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1、汽车胎压监测系统发射模块设计Transmitting module design of tire pressure monitoring system肖文光 张宏财 李浩 汪玮 中国电子科技集团公司第三十八研究所(安徽合肥 230088)发射模块硬件设计发 射 模 块 硬 件 主 要 由 传 感 器S P 3 0 、 M A X 7 0 4 4 、 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

2、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S P 3 0 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 R I S C 单 片 机 ， 工 作 电 压 范 围1.83.6V，压力测量范围03.5Bar，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。 S P 3 0 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

3、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。 P 1 4 和 P15为串行通信口，P14为串 行数据，P 1 5 为M A X 7 0 4 4 提 供的外部时钟，时钟频率为本文于2011年2月20日收到。肖文光：硕士，工程师，主要从事汽车安全技术的研究与开发。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

4、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。引言汽车胎压监测系统(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发射模块较多图1 发射模块框图图2 SP30应用电路图摘要：汽车胎压监测系统可以对轮胎内气压、温度异常情况提供预警，以

5、保障行车安全。本文提出了一种基于ASK调制模式的胎压发射模块解决方 案，该方案选择SP30和MAX7044分别作为胎压传感器和无线发射器，详细 阐述了其软件和硬件设计中的关键技术。装车测试效果表明，该发射模块 工作稳定，具有很好的市场前景。 关键词：TPMS；SP30；MAX7044；压力；温度DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2011.03.01578设计应用设计思路责任编辑：王莹制频率所选用的晶振也不同。调制频率f R F 和所选晶振频率f X TA L 的关系是：f XTAL=f RF/32。 本 设 计 调 制 频 率 为4 3 3 . 9 2 M H z ，

6、 那么 外 部 晶 振 频 率 G 1 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- OU T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125，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。射模块的全球唯一

7、标识，以 区别不同的轮 胎。状态信息 包含了电池供 电 情 况 ( S P 3 0 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。 如何避 免发送冲突设计中我 们采用了一种图3 MAX7044应用电路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：图4数据包发送控制流程图功耗低，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

8、命；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250msN 1 (N 1 =2，1 9 ) 周 期 变 化 ， 右 前 轮 胎 发 射 模块 延 时 按 2 5 0 m s N 2 (N 2 = 3 ， 1 7 ) 周 期 变 化 ， 左 后 轮 胎 发 射 模 块 延 时 按 2 5 0 m s N 3 (N 3 = 5 ， 1 3 ) 周 期 变 化 ，

9、 右 后 轮 胎 发 射 模 块 延 时 按250msN 4(N 4=7，11)周期变化，N 1、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。M A X 7 0 4 4 是M a x i m 公司生产的300MHz450MHz频率范围内ASK调 制芯片，最大输出功率+13dBm(50 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

10、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。M A X7044常用调制频率 有315MHz和433.92MHz两种，不同调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。

11、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5N 2、N 3、N 4分别取不同的素数 。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。 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，因此下转59512011.4 86技术长廊测试测量责任编辑：李健(Smart SLIC-T-16/MLT-16)所组成，并 具备了一组整合多任务器与AD/DA转 换器。线路检测控制器负责处理数字 化的检测信号，并计算出相对应的网 络模式。而Smart SLIC-T16/MLT16可 以接到多达16个DSL实体线

12、路，也能 把防潮电流传送出去，并且产生配对 辨识音调。由于VINETIC-LTC128能 支持8颗Smart-SLIC-T16/MLT16，因 此将能达成以单一线路卡来进行128 个通道的检测工作。有了L ant i q 的M E LT 解决方案， 只消30S就能完成单一通道的一整组 检测工作。 L a n t i q 还提供了支持不 同主控制器的完整软件套装， 并达 成了ITU K .20的保护要求(protection requirements)。正因为这个解决方案 把MELT和SELT的功能建置在同一张 线路卡上，将会让各种相关的测量工Conduct)，对于能源效率的要求，并且还兼容于国

13、际电信联盟的ITU 996.2测试标准(G.lt)。该 芯 片 组 支 持 了 各 家 厂 商 的 所 有 D S L 技 术 ( A D S L 、 V D S L ， 与 SHDSL)，不但如此，比起传统以继 电器式为基础的PSTN线路检测，它 还具备了许多额外的功能，例如线路 卡生产检测。 这个解决方案还提供 了防潮电流传送(粒度为十六个传输 埠，即granularity of 16 ports)，以满足 线路可靠度、长期区域回路营运等各 项需求。同时，对于需要客制化功能 的检测头端，事先定义好的直流配对 辨识音调，仍旧可以在Lantiq所提供 的整合式MELT解决方案中自行选择 使用。

14、该M E LT 解决方案系由一颗1 2 8 通道的控制器(VINETIC-LTC128)， 以及一颗16通道的高压检测多任务器图4 最新的MELT芯片（MLT16）还支持了仍然使用P O TS 分歧器 （splitter）的过渡期特别方案。由于 此MELT具备了高输入阻抗的特色， 将可避免在使用分歧器时，因为高通 滤波器所产生对DSL线路的存取干扰有限的空间限制。对照于当今的线路检测解决方 案，以交换矩阵来控制外部测试头端 或测试卡，Lantiq这种整合的MELT解 决方案，将可提供高达百分之九十的 成本优势。同时，其极低的功耗符合 了欧洲“操作规范”(CoC，Code of作变得更为简便。在

15、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，当检测到车表1 数据帧格式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：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，能自动上接51可监测胎压范围为03.5Bar，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

16、 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250msN (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。分辨率25mBar，通常轿车的轮胎气压在2.2Bar2.8Bar之间； 可监测温度范围：-40125，分辨率2，轿车的轮胎温度一般在75左右；及时报警，保障行车安全。参考文献：1温瑞.汽车胎压监测系统发射模块设计J.自动化技术与应用,2008,28(7):80-812Infineon.Tyre Pressure Monitor

17、ing Sensor SP30 usermanualEB/OL. findproductTypeByName.html?q=sp303Maxim.300MHz to 450MHz High-Efficiency,Crystal-Based +13dBm ASK Transmitter MAX7044 datasheetEB/OL.http:/datasheets.maxim-4Maxim.MAX7044 Evaluation KitEB/OL.http:/datasheets.maxim-5肖文光.基于Zig Be e 技术的新型TPMS设计J.今日电子 ,2009(10):42-43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。592011.4 前导码设备ID压力温度状态信息校验和停止位3字节1字节1字节2字节1字节1字节1字节