汽车胎压监测原理及传感器系统的设计与实现

　　1 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，传感器通过无线形式按照一定的规律向车身控制器（Body Control Model， BCM）发送轮胎的压力值和温度值，BCM通过CAN总线将信息帧发送给仪表盘，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。同时安装于每个轮胎挡泥板位置处的低频天线与BCM进行信息通信，并将BCM需要汽车胎压监测传感器何种操作信息解析并转换为125 kHz低频无线数据发射出去，汽车胎压监测传感器将接收此低频无线信号，然后按照解析后的操作信息进行工作。以上就是TPMS双向通信系统。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：各种天气情况下，例如阴天、下雨等不同天气环境；各种路况，例如国道、高速、乡村公路、山路等等；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（0～200 km/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。

　　2 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地维护修理，一般要求有10年使用工作寿命，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。

　　图1 系统组成框图

　　汽车胎压监测传感器系统组成框图如图1所示。

　　2.1 传感器选择

　　MCU/Sensor是系统的核心，由Infineon公司的SP300V2.1E1060实现。SP300V2.1E1060整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器与加速度传感器和一个电池电压监测器，并内部集成一个低功耗8位哈佛结构的RISC 控制器；它具有下电、运行、空闲、关断4种工作模式，并有IT/LT 唤醒、PORT 唤醒和LF低频检测唤醒3种唤醒方式，能够有效地满足系统低功耗设计要求。压力测量范围0～3.5 Bar；温度测量范围-40～+125 ℃；向心加速度测量范围-12g～115g；工作电压范围1.8～3.6 V。

　　2.2 射频单元选择

　　RF射频芯片主要用于将数字信号转换为高频信号。系统采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作电压为+ 2.1～+6.0 V，8 mA的低工作电流，OOK/ASK调制方式，通信速率能达到100 kbps ，小封装3 mm×3 mm，8引脚SOT23 封装。它消除了基于SAW 发送器设计的问题；采用晶体结构，提供了更大的调制深度和快速的频率响应机制；降低了温度的影响，温度范围可达-40 ～+125 ℃。其内部包含功率放大器（PA）、晶体振荡器（crystal oscillator）、驱动器（driver）、数据有效检测电路（data activity detector）、锁定检测电路（lock detect ）、锁相环（32x PLL）、分频器（16分频）等电路。

　　MAX7044有一个自动的低功耗模式（shutdown mode） 控制方式。如果DATA引脚在一个确定的时间（等待时间）内没有动作，器件自动进入低功耗模式。等待时间大约是216个时钟周期，在433 MHz频率大约为4.84 ms。进入低功耗模式的等待时间为： tWAIT=216×32fRF。其中，fRF是射频发射频率。当器件在低功耗模式时， 在DATA 信号的上升沿"热"启动晶振和PLL，晶振和PLL 在数据发射前需要220 μs的建立时间。基准频率和载波频率的关系为： fXTAL=fRF/32。

　　MAX7044的主要特性参数如下：

　　（1）＋2.1～+3.6 V单电源供电

　　（2）OOK/ASK发射数据格式

　　（3）最大数据率100 kbps

　　（4）+13 dBm输出功率（50 Ω负载）

　　（5）供电电流低（典型值7.7 mA）

　　（6）250 μs快速启动时间

　　由MAX7044构成的发射电路图如图2所示，实际设计时根据天线的实际阻抗和射频发射芯片输入阻抗，利用π型匹配网络完成射频发射芯片和天线之间的阻抗匹配，以达到最大功率输出。

　　图2 MAX7044电路图

　　2.3 电池选择

　　电池选择以色列Tadiran电池公司推出的高温系列电池（TLH），供电电压+3.6 V，电池容量500 mAh，具有寿命长、能量密度大、自放电极低、重量轻（8.8 g）、温限宽（-55 ～+125 ℃）等特点。

　　2.4 低频接口与计算

　　LF低频通信中，SP300V2.1E1060接收来自BCM发出低频信息。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成，

如图3所示。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125 kHz。谐振频率计算公式为fc=（2πLC）-1。低频电感采用普莱默（Premo）公司TP11030477，电感量4.77 mH，通过上