1 系統描述
在每個車輪內部安裝一個汽車胎壓監(jiān)測傳感器，它能夠準確測量輪胎內部的壓力和溫度，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輪胎的壓力值、溫度值。當某一個輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報警值，儀表盤能夠準確顯示報警輪胎的位置，并發(fā)出圖形、聲音、文字報警。同時安裝于每個輪胎擋泥板位置處的低頻天線與BCM進行信息通信，并將BCM需要汽車胎壓監(jiān)測傳感器何種操作信息解析并轉換為125 kHz低頻無線數據發(fā)射出去，汽車胎壓監(jiān)測傳感器將接收此低頻無線信號，然后按照解析后的操作信息進行工作。以上就是TPMS雙向通信系統。由于該產品是汽車產品安全件，其應在各種環(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（0～200km／h）等。這就需要在設計汽車胎壓監(jiān)測傳感器時要嚴格選擇各個器件。
2 電路設計
由于汽車胎壓監(jiān)測傳感器是安裝在輪胎內部，不與外界接觸，這就要求不能過于頻繁地維護修理，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和低功耗元器件。
汽車胎壓監(jiān)測傳感器系統組成框圖如圖1所示。
圖1 汽車胎壓監(jiān)測傳感器系統組成框圖
2.1 傳感器選擇
MCU／Sensor是系統的核心，由Infineon公司的SP300V2.1-E106-0實現。SP300V2.1-E106-0整合了硅顯微機械加工的壓力傳感器、溫度傳感器與加速度傳感器和一個電池電壓監(jiān)測器，并內部集成一個低功耗8位哈佛結構的RISC控制器；它具有下電、運行、空閑、關斷4種工作模式，并有IT／LT喚醒、PORT喚醒和LF低頻檢測喚醒3種喚醒方式，能夠有效地滿足系統低功耗設計要求。壓力測量范圍0～3.5 Bar；溫度測量范圍-40～+125℃；向心加速度測量范圍-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字信號轉換為高頻信號。系統采用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，00K／ASK調制方式，通信速率能達到100 kbps，小封裝3 mm×3 mm，8引腳S0T23封裝。它消除了基于SAW發(fā)送器設計的問題；采用晶體結構，提供了更大的調制深度和快速的頻率響應機制；降低了溫度的影響，溫度范圍可達-40～+125℃。其內部包含功率放大器（PA）、晶體振蕩器（crystal oscillator）、驅動器（driver）、數據有效檢測電路（data activity detector）、鎖定檢測電路（10ck detect）、鎖相環(huán)（32xPLL）、分頻器（16分頻）等電路。
MAX7044有一個自動的低功耗模式（shutdown mode）控制方式。如果DATA引腳在一個確定的時間（等待時間）內沒有動作，器件自動進入低功耗模式。等待時間大約是216個時鐘周期，在433 MHz頻率大約為4.84 ms。進入低功耗模式的等待時間為：
。其中，fRF是射頻發(fā)射頻率。當器件在低功耗模式時，在DATA信號的上升沿“熱”啟動晶振和PLL，晶振和PLL在數據發(fā)射前需要220μs的建立時間。基準頻率和載波頻率的關系為：fXTAL=fRF／32。
MAX7044的主要特性參數如下：
◆+2.1～+3.6 V單電源供電
◆OOK／ASK發(fā)射數據格式
◆最大數據率100 kbps
◆+13 dBm輸出功率（50 Ω負載）
◆供電電流低（典型值7.7 mA）
◆250μs快速啟動時間
由MAX7044構成的發(fā)射電路圖如圖2所示，實際設計時根據天線的實際阻抗和射頻發(fā)射芯片輸入阻抗，利用π型匹配網絡完成射頻發(fā)射芯片和天線之間的阻抗匹配，以達到最大功率輸出。
圖2 由MAX7044構成的發(fā)射電路圖
2.3 電池選擇
電池選擇以色列Tadiran電池公司推出的高溫系列電池（TLH），供電電壓+3.6 V，電池容量500 mAh，具有壽命長、能量密度大、自放電極低、重量輕（8.8 g）、溫限寬（-55～+125℃）等特點。
2.4 低頻接口與計算
LF低頻通信中，SP300V2.1-E106-0接收來自BCM發(fā)出低頻信息。低頻天線由并聯的電阻、電容和電感組成，如圖3所示。為了達到最優(yōu)低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率設計為低頻載波頻率125 kHz。諧振頻率計算公式為fc=
。低頻電感采用普萊默（Premo）公司TP1103-0477，電感量4.77 mH，通過上述公式推導計算電容值：
圖3 低頻硬件示意圖
并聯電阻R主要減少LCD諧振電路品質因數Q（Quality Factor）值，達到低頻足夠帶寬（7.8 kHz）。
諧振電路品質因數
，這就要求LF諧振電路品質因數Q不能大于15。可以計算電阻R=Q×XL=15×2π×fc×L= 49.5 kΩ。
由于SP300V2.1-E106-0低頻喚醒和接收波特率硬件設定為3.9 kbps的曼徹斯特編碼。圖4為低頻載波數據傳輸和曼徹斯特編碼之間關系。
圖4 低頻載波數據傳輸和曼徹斯特編碼之間關系
由于硬件已被固化為3.9 kbps曼徹斯*波特率，通過計算LF每個發(fā)送位時間為3.9 kbps×2=7.8 kbps。
3 天線設計
天線的性能將直接影響數據傳輸的質量，它是汽車輪胎監(jiān)測傳感器發(fā)射功率提升的重要因素。汽車輪胎監(jiān)測傳感器的天線靠近氣門嘴，因而在設計天線時必須考慮輪胎金屬絲的屏蔽，輪輞金屬的反射影響，以及車輪高速旋轉時天線不斷變換方向、角度的影響等，所以天線設計時必須考慮以下因素：極化選擇，線極化容易受到天線姿態(tài)的影響，旋轉的車輪對天線的工作極化要求相對較高；天線與射頻模塊連接，需要解決好阻抗匹配的問題，這也是天線設計的重點；由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內，受到車身、天線運動等對性能的影響，主要是指對天線的增益、方向圖形狀、阻抗（電阻和電抗）等的影響；小型化設計，安裝在輪胎內部的天線，必須考慮小型化設計，433.92MHz的工作頻率，波長為691.37 mm，常規(guī)的天線尺寸一定不能滿足要求。
基于以上考慮，選用氣門嘴作為發(fā)射模塊的天線，這種天線具有加工容易、成本低、易于一體化設計、易于匹配等優(yōu)點。
氣門嘴天線是國內外目前汽車輪胎監(jiān)測傳感器常用的天線形式，它屬于電小天線的范疇，電小天線的設計重點在于結構尺寸的設計和匹配電路的設置。因為電小天線的輻射電阻一般比較小（幾Ω），導致電小天線的輻射效率一般比較低，而且輻射阻抗中的往往存在虛部，這種儲能因素將導致輻射效率進一步降低。虛部可以通過匹配電路予以解決，但實部電阻需要與發(fā)射芯片的射頻輸出引腳的阻抗進行匹配，這也是發(fā)射電小天線的設計重點。本方案采用的天線加載方式，通過內部匹配黃銅片進行加載，其類似于倒F天線加載方式，如圖5所示。經過臺架試驗和路試，表明我們的設計思路和匹配方法是有效的。
圖5 氣門嘴天線示意圖和等效倒F天線示意圖
4 軟件設計
系統具有的軟件功能：周期性測量輪胎壓力、溫度值，可變周期性發(fā)射輪胎壓力、溫度值，BCM低頻射頻數據接收處理，氣壓高報警功能，氣壓低報警功能，溫度高報警功能，快漏氣報警功能，電池電壓低報警功能，傳感器無信號報警功能。系統要求具備10年長壽命特性，系統要達到如此長的使用年限，一般狀態(tài)下系統都處于休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流只有O.6μA，系統休眠狀態(tài)可通過低頻LF中斷或定時器中斷來喚醒。系統軟件框架流程如圖6所示。
圖6 系統軟件框架流程
SP300V2.1-E106-0內部ROM自帶底層庫函數（Library Function），用戶可以直接調用庫函數。
由于安裝在車上每個輪胎內部的輪胎壓力傳感器會存在同時高頻數據發(fā)射可能性，在此期間數據之間會產生射頻干擾，從而導致BCM控制器射頻接收端無法收到正確的數據，即數據沖突。數據沖突由于是隨機產生的，因而無法避免，但是必須在產生沖突后再次產生數據沖突的
概率盡量低，避免造成連續(xù)的數據沖突。目前系統采取在每個發(fā)射高頻數據幀之間增加一段隨機延時，隨機延時的時間為數據幀時間長度的質數倍，系統選擇了3倍、5倍、7倍、11倍和13倍。這樣，如果前面有模塊發(fā)生了數據沖突，則只有當發(fā)送沖突的模塊的隨機延時時間相同時才會再次產生數據沖突，此概率為4％。
5 結構設計
輪胎壓力傳感器安裝在汽車輪胎內部，由氣門嘴、殼體和防塵帽組成。汽車行駛速度最高可達250 km／h，而且輪胎內部環(huán)境復雜且異常惡劣，長期處于高壓、高濕、溫度交變、油污、顛簸振動等環(huán)境中，溫度高低變化容易使殼體脆化并使機械強度降低，高濕情況下也會使殼體發(fā)生膨脹、強度降低并產生腐蝕等化學反應，輪胎行駛在各種路面上，顛簸振動頻率幅度都各不相同，這些情況都可能導致零部件松脫。這就要求系統結構設計考慮如下幾點：系統總重量要求輕（小于40 g）、耐速旋轉加速度性能高、結構斷裂強度高、密封性高（IP6防護等級）、結構和氣門嘴材料選擇耐高低溫和耐腐蝕材料、氣門嘴與輪輞接合處有防松動設計。
6 結論
無論是臺架試驗還是各種情況的道路測試，輪胎壓力傳感器均保持高可靠性，系統低頻收發(fā)準確率和高頻收發(fā)準確率達到98％。當輪胎出現異常危險情況時，汽車儀表盤顯示相關報警信息，實時提醒駕駛者，將因輪胎氣壓問題造成的事故消滅在萌芽之中，增強了汽車行駛的安全性。
