汽车胎压监测原理及传感器系统的设计与实现

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，通过上述公式推导计算电容值：

　　图3 低频硬件电路示意图

　　并联电阻R主要减少LCD谐振电路品质因数Q（Quality Factor）值，达到低频足够带宽（7.8 kHz）。谐振电路品质因数Q=fcBW=125 kHz2×3.9 kHz=15，这就要求LF谐振电路品质因数Q不能大于15。可以计算电阻R=Q×XL=15×2π×fc×L=49.5 kΩ。

　　由于SP300V2.1E1060低频唤醒和接收波特率硬件设定为3.9 kbps的曼彻斯特编码。图4为低频载波数据传输和曼彻斯特编码之间关系。

　　图4 曼彻斯特编码和LF载波传输关系图

　　由于硬件已被固化为3.9 kbps曼彻斯特码波特率，通过计算LF每个发送位时间为3.9 kbps×2=7.8 kbps。

　　3 天线设计

　　天线的性能将直接影响数据传输的质量，它是汽车轮胎监测传感器发射功率提升的重要因素。汽车轮胎监测传感器的天线靠近气门嘴，因而在设计天线时必须考虑轮胎金属丝的屏蔽，轮辋金属的反射影响，以及车轮高速旋转时天线不断变换方向、角度的影响等，所以天线设计时必须考虑以下因素：极化选择，线极化容易受到天线姿态的影响，旋转的车轮对天线的工作极化要求相对较高；天线与射频模块连接，需要解决好阻抗匹配的问题，这也是天线设计的重点；由于轮胎压力传感器安装在轮胎内，受到车身、天线运动等对性能的影响，主要是指对天线的增益、方向图形状、阻抗（电阻和电抗）等的影响；小型化设计，安装在轮胎内部的天线，必须考虑小型化设计，433.92 MHz的工作频率，波长为691.37 mm，常规的天线尺寸一定不能满足要求。

　　基于以上考虑，选用气门嘴作为发射模块的天线，这种天线具有加工容易、成本低、易于一体化设计、易于匹配等优点。

　　气门嘴天线是国内外目前汽车轮胎监测传感器常用的天线形式，它属于电小天线的范畴，电小天线的设计重点在于结构尺寸的设计和匹配电路的设置。因为电小天线的辐射电阻一般比较小（几Ω），导致电小天线的辐射效率一般比较低，而且辐射阻抗中的往往存在虚部，这种储能因素将导致辐射效率进一步降低。虚部可以通过匹配电路予以解决，但实部电阻需要与发射芯片的射频输出引脚的阻抗进行匹配，这也是发射电小天线的设计重点。本方案采用的天线加载方式，通过内部匹配黄铜片进行加载，其类似于倒F天线加载方式，如图5所示。经过台架试验和路试，表明我们的设计思路和匹配方法是有效的。

　　图5 气门嘴天线示意图及等效倒F天线示意图

　　4 软件设计

　　系统具有的软件功能：周期性测量轮胎压力、温度值，可变周期性发射轮胎压力、温度值， BCM低频射频数据接收处理，气压高报警功能，气压低报警功能，温度高报警功能，快漏气报警功能，电池电压低报警功能，传感器无信号报警功能。系统要求具备10年长寿命特性，系统要达到如此长的使用年限，一般状态下系统都处于休眠状态，静态电流只有0.6 μA，系统休眠状态可通过低频LF中断或定时器中断来唤醒。系统软件框架流程如图6所示。

　　图6 系统软件框架流程图

　　SP300V2.1E1060内部ROM自带底层库函数（Library Function），用户可以直接调用库函数。

　　由于安装在车上每个轮胎内部的轮胎压力传感器会存在同时高频数据发射可能性，在此期间数据之间会产生射频干扰，从而导致BCM控制器射频接收端无法收到正确的数据，即数据冲突。数据冲突由于是随机产生的，因而无法避免，但是必须在产生冲突后再次产生数据冲突的概率尽量低，避免造成连续的数据冲突。目前系统采取在每个发射高频数据帧之间增加一段随机延时，随机延时的时间为数据帧时间长度的质数倍，系统选择了3倍、5倍、7倍、11倍和13倍。这样，如果前面有模块发生了数据冲突，则只有当发送冲突的模块的随机延时时间相同时才会再次产生数据冲突，此概率为4%。

　　5 结构设计

轮胎压力传感器安装在汽车轮胎内部，由气门嘴、壳体和防尘帽组成。汽车行驶速度最高可达250 km/h，而且轮胎内部环境复杂且异常恶劣，长期处于高压、高湿、温度交变、油污、颠簸振动等环境中，温度高低变化容易使壳体脆化并使机械强度降低，高湿情况下也会使壳体发生膨胀、强度降低并产生腐蚀等化学反应，轮胎行驶在各 21种路面上，颠簸振动频率幅度都各不相同，这些情况都可能导致零部件松脱。这就要求系统结构设计考虑如下几点