基于智能傳感器SP12/SP30的TPMS設(shè)計(jì)

　　汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）主要利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過射頻無線傳輸，在汽車行駛時實(shí)時地對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣、低氣壓和高氣壓進(jìn)行報警，以保障行車安全。

　　英飛凌面向TPMS應(yīng)用的SP12/SP30傳感器整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個電池電壓監(jiān)測器，提供四合一傳感功能，并配有一個能完成測量、信號補(bǔ)償與調(diào)整及SPI串行通信接口CMOS大規(guī)模集成電路，其中SP30內(nèi)置8位哈佛結(jié)構(gòu)RISC MCU和2D通道的低頻（LF）接口，且消耗的電流僅0.4uA。

　　星科半導(dǎo)體有限公司基于英飛凌傳感器SP12/SP30提供整個TPMS系統(tǒng)所涉及的IC以及解決方案，來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　TPMS構(gòu)成

　　1. 發(fā)射模塊

　　發(fā)射模塊由壓力傳感器、MCU、射頻發(fā)射芯片、電池和天線組成，該模塊對輪胎壓力、溫度、電池電壓及加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)射出去。

　　發(fā)射模塊有基于SP12/SP12T和SP30的兩個方案：方案一是SP12/SP12T+MCU+TDK5100F（見圖1），其中壓力傳感器SP12（100~450kPa）/SP12T（0~1，400kPa）和射頻發(fā)射芯片TDK5100F（434MHz ASK/FSK發(fā)射器）均來自英飛凌公司。

　　壓力傳感器SP30（100~900kPa）內(nèi)置8位哈佛結(jié)構(gòu)RISC MCU和2D通道的LF接口。射頻發(fā)射IC采用英飛凌公司的TDK5100F（434MHz ASK/FSK發(fā)射器），該系統(tǒng)可直接接收125kHz的低頻喚醒信號控制發(fā)射模塊在不同的模式下工作。

　　2. 接收模塊

　　接收模塊由TDA5210、XC866/XC886、LCD模塊和天線組成。

　　接收模塊將TPMS發(fā)射模塊發(fā)送的信息進(jìn)行解調(diào)、解碼，并將接收的數(shù)據(jù)通過LCD顯示輸出。該模塊的MCU和射頻接收芯片分別采用了英飛凌公司的XC866/XC886和TDA5210。其中XC866/XC886是專為汽車電子設(shè)計(jì)的8位MCU，帶有CAN/LIN控制器，可以快速地將TPMS功能轉(zhuǎn)移次要任務(wù)中。

　　SP30_TPMS發(fā)射模塊原理

　　TPMS發(fā)射系統(tǒng)實(shí)際上是一個定時監(jiān)測無線系統(tǒng)，整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題主要體現(xiàn)在系統(tǒng)低功耗和汽車高速轉(zhuǎn)動時射頻接收靈敏度以及噪聲抑制方面。針對英飛凌SP30+TDK5100F發(fā)射系統(tǒng)，以下是關(guān)于這兩個核心問題的詳細(xì)闡述。

　　首先，系統(tǒng)低功耗是建立在硬件基礎(chǔ)上，并且與軟件程序相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，所以選擇靜態(tài)低功耗硬件是前提條件；其次，系統(tǒng)要盡量保持在功耗最低的PWDN模式下；第三，系統(tǒng)從PWDN到RUN模式的硬件喚醒要與軟件闋值比較相結(jié)合；最后，系統(tǒng)進(jìn)入RUN模式中，在某些獨(dú)立于RISC內(nèi)核的單元工作時，可以讓系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式等待，這樣也會節(jié)省供耗。實(shí)測星科DEMO板靜態(tài)電流3uA。圖１為SP30+TDK5100F發(fā)射系統(tǒng)的程序流程。

　　圖１：SP30+TDK5100F發(fā)射系統(tǒng)的程序流程圖

　　在軟件架構(gòu)中有一些需要注意的地方：

　　1. 整個軟件架構(gòu)主要由三個模塊組成：初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)測量模塊（Measure_Data）、RF發(fā)射模塊（SSI_Datagram）。這三個模塊盡量做成函數(shù)包，方便移植和功能升級。

　　2. 間隔定時器（IT）喚醒系統(tǒng)后利用軟件設(shè)置幾個闋值區(qū)加以判斷參數(shù)測量和RF發(fā)射，盡量節(jié)省功耗。比如利用加速度測量判定汽車啟動/停止?fàn)顟B(tài)來決定其他參數(shù)是否需要測量，判定汽車大致速度決定RF發(fā)射頻率等；利用欠壓、高壓等級區(qū)域判定RF發(fā)射報警頻率等。這些需要客戶根據(jù)實(shí)際去完善。需要注意的是，所有的闋值不要設(shè)置成某一固定值，應(yīng)該是某一區(qū)域，當(dāng)然這個區(qū)域的設(shè)定要反復(fù)測量，太小將對系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，也不利于節(jié)省功耗，太大則測量靈敏性較差。

　　3. 利用IT和LT（LF定時器）來實(shí)現(xiàn)LF接口使能和關(guān)閉LF檢測，這樣可以不必使LF接口常開又能保證實(shí)時檢測主機(jī)命令，更大程度省電。

　　其次，汽車高速轉(zhuǎn)動時射頻接收靈敏度以及噪聲抑制問題。發(fā)射模塊是內(nèi)置在輪胎內(nèi)部的，除了輪胎中環(huán)境溫度、RF信號屏蔽等會對射頻造成影響之外，更需要解決的是汽車高速轉(zhuǎn)動對射頻性能的影響。需要強(qiáng)調(diào)的是TPMS系統(tǒng)選擇的RF器件基本都是集成電路，RF IC的性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)工程師需要做的只是針對這顆IC外圍某些器件的選型（晶振、天線）、功率放大器與天線的參數(shù)匹配以及RF布局等，作好這幾方面則基本上能夠解決以上的問題。英飛凌RF TX芯片TDK5100F是針對汽車級別設(shè)計(jì)的低速（120Kbaud）低功耗RF IC，與之配套的RX芯片TDA5210接收靈敏度達(dá)到-107dBm。

　　在RF設(shè)計(jì)中需要注意以下一些問題：

　　1. 晶振的選擇。TDK5100F/TDA5210是窄帶RF IC，由于溫度導(dǎo)致的晶振頻差和晶振負(fù)載電容的不一致都會導(dǎo)致接收靈敏度的差異，所以晶振的特性選擇非常重要。

　　2. 天線的選擇。TPMS發(fā)射系統(tǒng)安裝要求是比較高的，當(dāng)然除了天線性能之外，對其外型結(jié)構(gòu)也有同樣高的要求。從兩者的折衷考慮，目前用的比較多的是螺旋天線。PCB環(huán)行天線雖然結(jié)構(gòu)與成本最好，但是由于其諧振中心頻點(diǎn)以及等效阻抗等需要網(wǎng)絡(luò)分析儀去校正，以及其本身PCB材料造成的天線損耗都使其在TPMS中應(yīng)用不多。單級天線的性能是可以做得很好的，但是結(jié)構(gòu)不具備良好的安裝性，其使用也不是很多。

　　3. TD5100F布局注意要點(diǎn)。晶振布局遠(yuǎn)離天線，匹配元件要彼此直角布局，天線不要鋪地和走其它信號線等。

　　4. 在不需要對PCB做較大更改的前提下，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀做天線參數(shù)匹配的最后確定，并實(shí)測發(fā)射功率以及接收靈敏度。

　　接收模塊

　　本系統(tǒng)接收模塊是由TDA5210+XC866組成的，實(shí)際XC866只需要一個I/O就可以接收TDA5210的解調(diào)數(shù)據(jù)，需要考慮的TPMS系統(tǒng)屬于汽車電子安全系統(tǒng)，為了系統(tǒng)任務(wù)升級擴(kuò)展，MCU的選型也盡量滿足汽車環(huán)境的要求，英飛凌XC866/XC886是專為汽車電子設(shè)計(jì)的8位MCU，帶有CAN/LIN控制器，可以快速地將TPMS功能轉(zhuǎn)移次要任務(wù)中。如果此時TPMS功能是作為節(jié)點(diǎn)存在，那么MCU就可以釋放出來執(zhí)行其他的任務(wù)，而在汽車電子中，這種任務(wù)相當(dāng)多的是電機(jī)控制，這就用到了XC866的強(qiáng)大外設(shè)功能（電機(jī)控制單元和PWM捕獲比較單元）。因此，接收端MCU的選擇不僅是關(guān)系到汽車級別的MCU，更應(yīng)該有一些超前的意識。

　　本文小結(jié)

　　由于汽車市場的快速增長，TPMS系統(tǒng)也將擁有更多的發(fā)展空間，在這個充滿機(jī)遇同時又面臨眾多技術(shù)調(diào)整的市場上，選擇合適的解決方案將對廠商在這個市場上是否能取得成功起著非常關(guān)鍵的作用。星科半導(dǎo)體公司推出了TPMS的參考設(shè)計(jì)，用戶可以利用該參考設(shè)計(jì)快速地將產(chǎn)品推向市場。

　　基于SP30_TPMS的IC簡要說明

　　SP30：內(nèi)部集成一個低功耗8 BIT哈佛結(jié)構(gòu)的RISC控制器；

　　工作模式：下電、運(yùn)行、空閑、熱關(guān)斷；

　　喚醒方式：IT/LT喚醒，PORT喚醒，LF檢測喚醒；

　　固化函數(shù)庫，可方便用戶直接調(diào)用

　　壓力范圍：100-900Kpa

　　溫度范圍：-40到+125℃

　　電壓測量范圍：1.8-3.6V

　　加速度范圍：-12-115g

　　TDK5100F：433-435MASK/FSA發(fā)射器，PLL、VCO、功率放大器集成在內(nèi)部，發(fā)射功率為5dBm，帶有POWER DOWN模式，CLKOUT輸出。

　　電壓范圍：2.1-4V；溫度范圍：？40℃~+125℃；靜態(tài)電流：0.3nA。

　　TDA5210:400-440M/810-870M ASK/FSK SFR 接收器

　　FSK靈敏度《-100dBm， ASK靈敏度《 -107dBm

　　PWDN電流：50nA

　　芯片內(nèi)部集成LNA、PLL、VCO、MIXER、LIMITER、AGC