汽車胎壓監(jiān)測(cè)原理及傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1 系統(tǒng)描述

　　在每個(gè)車輪內(nèi)部安裝一個(gè)汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器，它能夠準(zhǔn)確測(cè)量輪胎內(nèi)部的壓力和溫度，傳感器通過無線形式按照一定的規(guī)律向車身控制器（Body Control Model， BCM）發(fā)送輪胎的壓力值和溫度值，BCM通過CAN總線將信息幀發(fā)送給儀表盤，駕駛員通過儀表盤顯示屏獲得每一個(gè)輪胎的壓力值、溫度值。當(dāng)某一個(gè)輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報(bào)警值，儀表盤能夠準(zhǔn)確顯示報(bào)警輪胎的位置，并發(fā)出圖形、聲音、文字報(bào)警。同時(shí)安裝于每個(gè)輪胎擋泥板位置處的低頻天線與BCM進(jìn)行信息通信，并將BCM需要汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器何種操作信息解析并轉(zhuǎn)換為125 kHz低頻無線數(shù)據(jù)發(fā)射出去，汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器將接收此低頻無線信號(hào)，然后按照解析后的操作信息進(jìn)行工作。以上就是TPMS雙向通信系統(tǒng)。由于該產(chǎn)品是汽車產(chǎn)品安全件，其應(yīng)在各種環(huán)境下具有高可靠性，各種環(huán)境為：各種天氣情況下，例如陰天、下雨等不同天氣環(huán)境；各種路況，例如國(guó)道、高速、鄉(xiāng)村公路、山路等等；冬季中的雪路、冰面、極其寒冷地區(qū)（-40 ℃）；夏季中的炎熱、潮濕地區(qū)（地表溫度+50 ℃，90%濕度）；不同的車速（0～200 km/h）等。這就需要在設(shè)計(jì)汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器時(shí)要嚴(yán)格選擇各個(gè)器件。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　由于汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器是安裝在輪胎內(nèi)部，不與外界接觸，這就要求不能過于頻繁地維護(hù)修理，一般要求有10年使用工作壽命，而且其工作溫度范圍為-40～+125 ℃，這就要求所選擇的器件都要是汽車級(jí)和低功耗元器件。

　　圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

　　2.1 傳感器選擇

　　MCU/Sensor是系統(tǒng)的核心，由Infineon公司的SP300V2.1E1060實(shí)現(xiàn)。SP300V2.1E1060整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力傳感器、溫度傳感器與加速度傳感器和一個(gè)電池電壓監(jiān)測(cè)器，并內(nèi)部集成一個(gè)低功耗8位哈佛結(jié)構(gòu)的RISC 控制器；它具有下電、運(yùn)行、空閑、關(guān)斷4種工作模式，并有IT/LT 喚醒、PORT 喚醒和LF低頻檢測(cè)喚醒3種喚醒方式，能夠有效地滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求。壓力測(cè)量范圍0～3.5 Bar；溫度測(cè)量范圍-40～+125 ℃；向心加速度測(cè)量范圍-12g～115g；工作電壓范圍1.8～3.6 V。

　　2.2 射頻單元選擇

　　RF射頻芯片主要用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)。系統(tǒng)采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作電壓為+ 2.1～+6.0 V，8 mA的低工作電流，OOK/ASK調(diào)制方式，通信速率能達(dá)到100 kbps ，小封裝3 mm×3 mm，8引腳SOT23 封裝。它消除了基于SAW 發(fā)送器設(shè)計(jì)的問題；采用晶體結(jié)構(gòu)，提供了更大的調(diào)制深度和快速的頻率響應(yīng)機(jī)制；降低了溫度的影響，溫度范圍可達(dá)-40 ～+125 ℃。其內(nèi)部包含功率放大器（PA）、晶體振蕩器（crystal oscillator）、驅(qū)動(dòng)器（driver）、數(shù)據(jù)有效檢測(cè)電路（data activity detector）、鎖定檢測(cè)電路（lock detect ）、鎖相環(huán)（32x PLL）、分頻器（16分頻）等電路。

　　MAX7044有一個(gè)自動(dòng)的低功耗模式（shutdown mode） 控制方式。如果DATA引腳在一個(gè)確定的時(shí)間（等待時(shí)間）內(nèi)沒有動(dòng)作，器件自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。等待時(shí)間大約是216個(gè)時(shí)鐘周期，在433 MHz頻率大約為4.84 ms。進(jìn)入低功耗模式的等待時(shí)間為： tWAIT=216×32fRF。其中，fRF是射頻發(fā)射頻率。當(dāng)器件在低功耗模式時(shí)， 在DATA 信號(hào)的上升沿“熱”啟動(dòng)晶振和PLL，晶振和PLL 在數(shù)據(jù)發(fā)射前需要220 μs的建立時(shí)間。基準(zhǔn)頻率和載波頻率的關(guān)系為： fXTAL=fRF/32。

　　MAX7044的主要特性參數(shù)如下：

　?。?）＋2.1～+3.6 V單電源供電

　　（2）OOK/ASK發(fā)射數(shù)據(jù)格式

　?。?）最大數(shù)據(jù)率100 kbps

　?。?）+13 dBm輸出功率（50 Ω負(fù)載）

　?。?）供電電流低（典型值7.7 mA）

　　（6）250 μs快速啟動(dòng)時(shí)間

　　由MAX7044構(gòu)成的發(fā)射電路圖如圖2所示，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)天線的實(shí)際阻抗和射頻發(fā)射芯片輸入阻抗，利用π型匹配網(wǎng)絡(luò)完成射頻發(fā)射芯片和天線之間的阻抗匹配，以達(dá)到最大功率輸出。

　　圖2 MAX7044電路圖