汽車胎壓監(jiān)測傳感器研究

摘要：對汽車胎壓監(jiān)測傳感器系統(tǒng)進行研究，當輪胎氣壓和溫度發(fā)生異常時實時提醒駕駛者，提高汽車安全行駛性能。從系統(tǒng)、硬件、天線、軟件和結構等設計方面進行闡述。系統(tǒng)經過實車測試達到預期效果，能實時監(jiān)測汽車4個輪胎的壓力和溫度值，當輪胎壓力或溫度超出標準范圍時，能及時提醒駕駛者停車檢查輪胎情況。
關鍵詞：胎壓監(jiān)測；傳感器；汽車安全；SP300V2．1-E106-0

1 系統(tǒng)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(tǒng)。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(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SP300V2．1-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(tǒng)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(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，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。