基于SP37的汽車胎壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與測(cè)試

當(dāng)汽車輪胎壓力出現(xiàn)問題時(shí)，不僅會(huì)減少輪胎的使用壽命和增大油耗，甚至?xí)?dǎo)致爆胎等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。統(tǒng)計(jì)表明，目前我國高速公路上70%的交通事故為輪胎氣壓?jiǎn)栴}所引發(fā)。引發(fā)輪胎事故的原因比例為：輪胎氣壓過高占20%，輪胎氣壓不足占57%，其他為23%。車速在160公里以上時(shí)發(fā)生爆胎，死亡率近至100%。因此，爆胎已成為目前汽車交通事故的重大殺手之一。汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量當(dāng)前輪胎壓力和溫度值，當(dāng)輪胎出現(xiàn)異常危險(xiǎn)情況時(shí)，傳感器將通過無線電信號(hào)發(fā)送給車汽車儀表顯示并報(bào)警，達(dá)到實(shí)時(shí)提醒駕駛者的效果，將事故消滅在萌芽之中。

系統(tǒng)描述

在每個(gè)車輪內(nèi)部安裝一個(gè)汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器，它能夠準(zhǔn)確測(cè)量輪胎內(nèi)部的壓力和溫度，傳感器通過433.92MHz射頻無線形式按照一定的規(guī)律向汽車儀表發(fā)送輪胎的壓力值和溫度值，駕駛員通過儀表盤顯示屏獲得每一個(gè)輪胎的壓力值、溫度值。當(dāng)某一個(gè)輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報(bào)警值，儀表盤能夠準(zhǔn)確顯示報(bào)警輪胎的位置，并發(fā)出圖形、聲音、文字報(bào)警。同時(shí)，胎壓監(jiān)測(cè)傳感器接收安裝于每個(gè)輪胎擋泥板位置處125kHz低頻天線數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雙向通信。由于該產(chǎn)品是汽車產(chǎn)品安全件，其應(yīng)在各種環(huán)境下具有高可靠性。各種環(huán)境為：陰天、下雨等不同天氣環(huán)境；國道、高速、鄉(xiāng)村公路、山路等各種路況；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(shè)計(jì)汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器時(shí)要嚴(yán)格選擇各個(gè)器件。

電路設(shè)計(jì)

由于汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器是安裝在輪胎內(nèi)部，不與外界接觸，這就要求不能過于頻繁的維護(hù)修理，一般要求有10年或10萬公里使用工作壽命，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(jí)和低功耗元器件。

汽車胎壓監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)分為采集部分、處理部分、驅(qū)動(dòng)部分。采集部分為壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。溫度檢測(cè)用于測(cè)量輪胎內(nèi)部溫度，也用于壓力測(cè)量時(shí)的溫度補(bǔ)償。壓力檢測(cè)用于測(cè)量輪胎內(nèi)部絕對(duì)壓力；電壓檢測(cè)用于測(cè)量供電電池電壓；運(yùn)動(dòng)檢測(cè)用于監(jiān)視汽車行駛狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)部分為低頻驅(qū)動(dòng)和高頻驅(qū)動(dòng)組成。低頻驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)125kHz低頻數(shù)據(jù)接收，高頻驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)433.92MHz高頻數(shù)據(jù)發(fā)射；處理部分由MCU完成，負(fù)責(zé)按照一定算法策略協(xié)調(diào)采集部分和驅(qū)動(dòng)部分工作。

本系統(tǒng)器件選擇Infineon（英飛凌）公司的SP37，芯片內(nèi)部集成了圖1所有功能處理模塊。SP37芯片具體性能為：工作電壓1.9～3.6V；工作溫度-40～+125℃；壓力測(cè)量范圍0～450kPa；Z軸運(yùn)動(dòng)加速度-115～+115g；溫度測(cè)量-40～+125℃；電池電壓AD檢測(cè)；集成ISM波段315/434MHz射頻發(fā)射；射頻輸出功率（50Ω負(fù)載）5～8dBm；硬件曼切斯特/雙向編碼RF發(fā)射；射頻ASK/FSK調(diào)制方式；FSK頻偏達(dá)50kHz；集成高靈敏度125kHz低頻接收器；硬件曼切斯特低頻解碼；16bit硬件CRC生成器；兼容8051指令的控制器；6KB Flash程序存儲(chǔ)空間；16KB ROM庫函數(shù)存儲(chǔ)空間；256Byte RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；Power Down、Idle、Run和Int四種工作模式；間隔定時(shí)器、低頻接收或外部管腳中斷三種喚醒模式；8bit硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；看門狗定時(shí)器；3個(gè)I/O端口。

基于SP37的電路原理圖如圖2所示。

圖2　SP37電路原理圖

1 高頻電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)高頻工作頻率選用歐洲胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指定波段433.92MHz，SP37內(nèi)部集成VCO及PLL，高頻頻率是24倍頻外部晶體頻率，故選用汽車級(jí)18.08MHz無源晶體，負(fù)載電容8pF，晶體連接如圖2所示。由于FSK根據(jù)用數(shù)字信號(hào)1或0調(diào)制不同的載波頻率，抗噪聲和衰減性好，而ASK根據(jù)數(shù)字信號(hào)1或0開通或斷開載波，但其抗噪聲能力較差，易受干擾，所以系統(tǒng)選用FSK調(diào)制方式。SP37選擇內(nèi)部電容方式調(diào)制FSK，通過設(shè)置XTAL1和XTAL0寄存器參數(shù)，將頻偏調(diào)到50kHz，中心頻點(diǎn)433.92MHz。

SP37內(nèi)部集成射頻PA發(fā)射單元，其輸出阻抗為15.02+j53.219Ω，通過π型匹配電路進(jìn)行阻抗匹配，再通過ADS軟件仿真計(jì)算出匹配值，具體數(shù)值見圖2中射頻匹配單元。圖3是利用ADS軟件進(jìn)行Smith匹配圓圖的結(jié)果。

射頻功率輸出有3個(gè)等級(jí)，即1PA、2PA和3PA，功率從小到大。本系統(tǒng)通過設(shè)置RFTX.PAOP為11b，采用3PA放大功率，使頻譜儀測(cè)試RF輸出功率達(dá)10.52dBm。

2 低頻電路設(shè)計(jì)

LF低頻通信負(fù)責(zé)SP37接收低頻信息。低頻天線由并聯(lián)的電阻、電容和電感組成。為了達(dá)到最優(yōu)低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率設(shè)計(jì)為低頻載波頻率125k H z。低頻電感采用普萊默（PREMO）公司TP1103-0477，電感量4.77mH，電容值為：

并聯(lián)電阻R主要用來減少L C D諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q 值， 達(dá)到低頻足夠帶寬（ 7 . 8 k H z ） 。諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q = f c/ B W = 1 2 5 k H z /（2×3.9k H z）=15，這就要求L F諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q不能大于15?？梢杂?jì)算電阻R=Q×X L=15×2π×f c×L=49.5k Ω。具體電路見圖2低頻接收單元。

由于S P37低頻接收波特率硬件設(shè)定為3.9k b p s的曼切斯特編碼。圖4為低頻載波數(shù)據(jù)傳輸和曼切斯特編碼之間關(guān)系。

由于硬件已被固化為3.9k b p s曼切斯特碼波特率，通過計(jì)算L F每個(gè)發(fā)送位時(shí)間為3.9kbps×2=7.8kbps。

低頻接收信息幀格式如圖5所示。

射頻數(shù)據(jù)傳輸需按照此格式進(jìn)行信息交互。首先發(fā)送引導(dǎo)位32位，接著是18位的同步碼，之后是按照曼切斯特編碼方式發(fā)送喚醒ID、用戶DATA數(shù)據(jù)。

3 電池選擇

電池選擇日本M a x e l l電池公司推出的高溫系列電池(C R2450H R)，供電電壓+3.6V，電池容量480m A h，具有特點(diǎn)：壽命特長、能量密度大、自放電極低、重量輕（8.8g）、溫限寬（-55～+125℃）。

天線設(shè)計(jì)

天線的性能將直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，它是汽車輪胎監(jiān)測(cè)傳感器發(fā)射功率提升的重要因素。汽車輪胎監(jiān)測(cè)傳感器的天線靠近氣門嘴，因而在設(shè)計(jì)天線時(shí)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(zhuǎn)時(shí)天線不斷變換方向、角度的影響等，所以天線設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下因素：線極化容易受到天線姿態(tài)的影響，旋轉(zhuǎn)的車輪對(duì)天線的工作極化要求相對(duì)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)；由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內(nèi)，受到車身、天線運(yùn)動(dòng)等對(duì)性能的影響；小型化設(shè)計(jì)，安裝在輪胎內(nèi)部的天線，必須考慮小型化設(shè)計(jì)，433.92M H z的工作頻率，波長為691.37m m，常規(guī)的天線尺寸一定不能滿足要求。

基于以上考慮，我們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(shè)計(jì)、易于匹配等優(yōu)點(diǎn)。氣門嘴安裝方式如圖6所示。

氣門嘴天線是國內(nèi)外目前汽車輪胎監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)和匹配電路的設(shè)置，因?yàn)殡娦√炀€的輻射電阻一般比較小（幾歐姆），導(dǎo)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(chǔ)能因素將導(dǎo)致輻射效率進(jìn)一步降低。虛部可以通過匹配電路予以解決，但實(shí)部電阻需要與發(fā)射芯片的射頻輸出管腳的阻抗進(jìn)行匹配，這也是發(fā)射電小天線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本方案采用的天線加載方式，通過內(nèi)部匹配黃銅片進(jìn)行加載，其類似于倒F天線加載方式，經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)和路試試驗(yàn)后表明我們的設(shè)計(jì)思路和匹配方法是有效的。


軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具有的軟件功能：周期性測(cè)量輪胎壓力、溫度值；可變周期性發(fā)射輪胎壓力、溫度值；低頻射頻數(shù)據(jù)接收處理；氣壓高報(bào)警功能；氣壓低報(bào)警功能；溫度高報(bào)警功能；快漏氣報(bào)警功能；電池電壓低報(bào)警功能；傳感器無信號(hào)報(bào)警功能。系統(tǒng)要求具備10年長的壽命，要達(dá)到如此長的使用年限，一般狀態(tài)下系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流只有0.6μ A。系統(tǒng)休眠狀態(tài)可通過低頻L F中斷或間隔定時(shí)器中斷來喚醒。系統(tǒng)軟件框架流程圖如圖8所示。

S P37內(nèi)部R O M自帶底層庫函數(shù)（Library Function），用戶可以直接調(diào)用庫函數(shù)。庫函數(shù)的使用大大簡(jiǎn)化了程序員軟件開發(fā)難度而且軟件可靠性也得到增強(qiáng)。庫函數(shù)包含傳感器測(cè)量函數(shù)、低頻接口控制函數(shù)、高頻接口控制函數(shù)和其他處理函數(shù)。其中，傳感器測(cè)量函數(shù)包含：測(cè)量壓力或運(yùn)動(dòng)加速度M e a s_P r e s s u r e函數(shù)、測(cè)量溫度M e a s_T e m p e r a t u re函數(shù)、測(cè)量電池電壓Meas_Supply_Voltage函數(shù)、測(cè)量加速度Meas_Acceleration函數(shù)；低頻接口控制函數(shù)包含：低頻波特率校準(zhǔn)LFBaudrateCalibration函數(shù)；高頻接口控制函數(shù)包括：使能晶體工作S t a r t X t a l O s c函數(shù)、停止晶體工作St o p X t a l O sc函數(shù)、VCO工作V C O_T u n i n g函數(shù)、發(fā)射R F幀
S e n d_R F_T e l e g r a m函數(shù)；其他處理函數(shù)包括：P o w e r d o w n函數(shù)、CRC8校驗(yàn)CRC8_Calc函數(shù)、CRC16校驗(yàn)C R C16_C h e c k函數(shù)、讀取設(shè)備標(biāo)識(shí)碼R e a d_I D函數(shù)、16位數(shù)據(jù)乘S M u l I n t I n t函數(shù)、間隔定時(shí)器校準(zhǔn)IntervalTimerCalibration函數(shù)、獲取硬件版本號(hào)FW_Revision_Nb函數(shù)。

由于安裝在每個(gè)輪胎內(nèi)部的輪胎壓力傳感器會(huì)存在同時(shí)發(fā)射高頻數(shù)據(jù)可能性，數(shù)據(jù)之間會(huì)產(chǎn)生射頻干擾，從而導(dǎo)致B C M控制器射頻接收端無法收到正確的數(shù)據(jù)，這即是數(shù)據(jù)沖突。數(shù)據(jù)沖突是隨機(jī)產(chǎn)生的，因而無法避免，但是要在產(chǎn)生沖突后將再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的概率降低，避免造成連續(xù)的數(shù)據(jù)沖突。目前，系統(tǒng)在每個(gè)發(fā)射高頻數(shù)據(jù)幀之間增加一段隨機(jī)延時(shí)，隨機(jī)延時(shí)的時(shí)間為數(shù)據(jù)幀時(shí)間長度的質(zhì)數(shù)倍，即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(shù)據(jù)沖突，則只有當(dāng)發(fā)送沖突的模塊的隨機(jī)延時(shí)時(shí)間相同時(shí)才會(huì)再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，此概率為4%。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪胎壓力傳感器安裝在汽車輪胎內(nèi)部，由氣門嘴、殼體和防塵帽組成。汽車行駛速度最高可達(dá)250k m/h，而且輪胎內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜且異常惡劣，長期處于高壓、高濕、溫度交變、油污、顛簸震動(dòng)等環(huán)境中。溫度高低變化容易使殼體脆化并使機(jī)械強(qiáng)度降低，高濕情況下也會(huì)使殼體發(fā)生膨脹、強(qiáng)度降低并產(chǎn)生腐蝕等化學(xué)反應(yīng)。輪胎行駛在各種路面上，顛簸震動(dòng)頻率幅度都各不相同，這些情況都可能導(dǎo)致零部件松脫。這就要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮如下幾點(diǎn)：系統(tǒng)總重量要輕（小于40g）、耐速旋轉(zhuǎn)加速度性能高、結(jié)構(gòu)斷裂強(qiáng)度高、密封性高（I P6防護(hù)等級(jí)）、結(jié)構(gòu)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(dòng)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

輪胎壓力傳感器無論臺(tái)架試驗(yàn)還是各種情況的道路測(cè)試，系統(tǒng)保持高可靠性，系統(tǒng)低頻收發(fā)準(zhǔn)確率和高頻收發(fā)準(zhǔn)確率達(dá)到98%，當(dāng)輪胎出現(xiàn)異常危險(xiǎn)情況時(shí)，汽車儀表盤顯示相關(guān)報(bào)警信息，實(shí)時(shí)提醒駕駛者，將因輪胎氣壓?jiǎn)栴}造成的事故消滅在萌芽之中，增強(qiáng)了汽車行駛的安全性。本系統(tǒng)成功應(yīng)用將會(huì)對(duì)汽車行駛安全系統(tǒng)帶來更高使用價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。