基于SP37的汽车胎压监测设计与测试

当汽车轮胎压力出现问题时，不仅会减少轮胎的使用寿命和增大油耗，甚至会导致爆胎等危险情况的发生。统计表明，目前我国高速公路上70%的交通事故为轮胎气压问题所引发。引发轮胎事故的原因比例为：轮胎气压过高占20%，轮胎气压不足占57%，其他为23%。车速在160公里以上时发生爆胎，死亡率近至100%。因此，爆胎已成为目前汽车交通事故的重大杀手之一。汽车胎压监测传感器能够实时准确地测量当前轮胎压力和温度值，当轮胎出现异常危险情况时，传感器将通过无线电信号发送给车汽车仪表显示并报警，达到实时提醒驾驶者的效果，将事故消灭在萌芽之中。

系统描述

在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器，它能够准确测量轮胎内部的压力和温度，传感器通过433.92MHz射频无线形式按照一定的规律向汽车仪表发送轮胎的压力值和温度值，驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值，仪表盘能够准确显示报警轮胎的位置，并发出图形、声音、文字报警。同时，胎压监测传感器接收安装于每个轮胎挡泥板位置处125kHz低频天线数据信息，实现系统双向通信。由于该产品是汽车产品安全件，其应在各种环境下具有高可靠性。各种环境为：阴天、下雨等不同天气环境；国道、高速、乡村公路、山路等各种路况；冬季中的雪路、冰面、极其寒冷地区（-40℃）；夏季中的炎热、潮湿地区（地表温度+50℃，90%湿度）；不同的车速（0～200km/h）等。这就需要在设计汽车胎压监测传感器时要严格选择各个器件。

电路设计

由于汽车胎压监测传感器是安装在轮胎内部，不与外界接触，这就要求不能过于频繁的维护修理，一般要求有10年或10万公里使用工作寿命，而且其工作温度范围为：-40～+125℃，这就要求所选择的器件都要是汽车级和低功耗元器件。

汽车胎压监测传感器系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

系统分为采集部分、处理部分、驱动部分。采集部分为压力检测、温度检测、电压检测和运动检测。温度检测用于测量轮胎内部温度，也用于压力测量时的温度补偿。压力检测用于测量轮胎内部绝对压力；电压检测用于测量供电电池电压；运动检测用于监视汽车行驶状态；驱动部分为低频驱动和高频驱动组成。低频驱动负责125kHz低频数据接收，高频驱动负责433.92MHz高频数据发射；处理部分由MCU完成，负责按照一定算法策略协调采集部分和驱动部分工作。

本系统器件选择Infineon（英飞凌）公司的SP37，芯片内部集成了图1所有功能处理模块。SP37芯片具体性能为：工作电压1.9～3.6V；工作温度-40～+125℃；压力测量范围0～450kPa；Z轴运动加速度-115～+115g；温度测量-40～+125℃；电池电压AD检测；集成ISM波段315/434MHz射频发射；射频输出功率（50Ω负载）5～8dBm；硬件曼切斯特/双向编码RF发射；射频ASK/FSK调制方式；FSK频偏达50kHz；集成高灵敏度125kHz低频接收器；硬件曼切斯特低频解码；16bit硬件CRC生成器；兼容8051指令的控制器；6KB Flash程序存储空间；16KB ROM库函数存储空间；256Byte RAM数据存储空间；Power Down、Idle、Run和Int四种工作模式；间隔定时器、低频接收或外部管脚中断三种唤醒模式；8bit硬件随机数发生器；看门狗定时器；3个I/O端口。

基于SP37的电路原理图如图2所示。

图2　SP37电路原理图

1 高频电路设计

系统高频工作频率选用欧洲胎压监测系统指定波段433.92MHz，SP37内部集成VCO及PLL，高频频率是24倍频外部晶体频率，故选用汽车级18.08MHz无源晶体，负载电容8pF，晶体连接如图2所示。由于FSK根据用数字信号1或0调制不同的载波频率，抗噪声和衰减性好，而ASK根据数字信号1或0开通或断开载波，但其抗噪声能力较差，易受干扰，所以系统选用FSK调制方式。SP37选择内部电容方式调制FSK，通过设置XTAL1和XTAL0寄存器参数，将频偏调到50kHz，中心频点433.92MHz。

SP37内部集成射频PA发射单元，其输出阻抗为15.02+j53.219Ω，通过π型匹配电路进行阻抗匹配，再通过ADS软件仿真计算出匹配值，具体数值见图2中射频匹配单元。图3是利用ADS软件进行Smith匹配圆图的结果。

射频功率输出有3个等级，即1PA、2PA和3PA，功率从小到大。本系统通过设置RFTX.PAOP为11b，采用3PA放大功率，使频谱仪测试RF输出功率达10.52dBm。

2 低频电路设计

LF低频通信负责SP37接收低频信息。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成。为了达到最优低频接收灵敏度，电感和电容谐振频率设计为低频载波频率125k H z。低频电感采用普莱默（PREMO）公司TP1103-0477，电感量4.77mH，电容值为：

并联电阻R主要用来减少L C D谐振电路品质因数Q 值， 达到低频足够带宽（ 7 . 8 k H z ） 。谐振电路品质因数Q = f c/ B W = 1 2 5 k H z /（2×3.9k H z）=15，这就要求L F谐振电路品质因数Q不能大于15。可以计算电阻R=Q×X L=15×2π×f c×L=49.5k Ω。具体电路见图2低频接收单元。