基于ASK調制模式的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設計

汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓、溫度進行自動檢測，并對輪胎異常情況進行報警的預警系統(tǒng)。當輪胎發(fā)生漏氣、過壓、溫度過高等危險情況時，TPMS能及時告知駕駛員采取措施將事故消滅在萌芽狀態(tài)。由于幅移鍵控（Amplitude-Shift-Keyed，ASK）信號調制模式具有功耗低、靈敏度高以及成本低的優(yōu)點，我們選用基于ASK調制模式的MAX1473和MAX7044作為收發(fā)芯片，設計完成了一種新型胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)描述
胎壓監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示，在每個車輪輪轂上安裝一個輪胎壓力傳感器，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)律向胎壓控制器發(fā)送輪胎的壓力值、溫度值。駕駛員通過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閥值時，胎壓控制器能夠準確識別輪胎的位置，并且發(fā)出圖形、聲音、文字報警。

圖1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)硬件方案設計
該TPMS系統(tǒng)包括兩種硬件模塊：輪胎壓力傳感器和胎壓控制器。筆者以基于ASK調制模式的MAX1473和MAX7044作為無線收發(fā)芯片，設計了輪胎壓力傳感器和胎壓控制器的硬件結構，如圖2所示。收發(fā)無線信號調制頻率為433.92MHz。

圖2 TPMS系統(tǒng)硬件模塊框圖

1 MAX7044射頻應用設計
發(fā)射芯片是無線輪胎壓力傳感器的核心部分。由于輪胎壓力傳感器安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此發(fā)射芯片的選型需具有以下兩個特點：

● 功耗低，支持ASK調制，有多種工作模式，便于根據具體工作狀態(tài)進行功耗管理，以盡可能延長監(jiān)測模塊的工作壽命；

● 芯片最小可工作電壓低，發(fā)射功率足夠大；

根據以上特點，并經過分析比較，我們最終選用了MAX7044這款性價比高的發(fā)射芯片。MAX7044是MAXIM公司生產的300MHz～450MHz頻率范圍內ASK調制芯片，最大輸出功率+13dBm（50Ω負載)，電源電壓最低2.1V工作。應用電路如圖3所示，主要包括電源去耦電路、晶振電路和天線匹配電路三部分。由于RF芯片對電源的噪音非常敏感，恰當有效的電源去耦電路能很好的抑制噪音，提高可靠性，因而靠近3V電源引腳配置了去耦電容C5。MAX7044常用調制頻率有315MHz和433.92MHz兩種，不同調制頻率所選用的晶振也不同。若調制頻率為315MHz，那么外部晶振頻率G1應為9.84375MHz，輸出頻率CLK-OUT為615.2kHz；若調制頻率為433.92MHz，那么外部晶振頻率G1應為13.56MHz，輸出頻率CLK-OUT為847.5kHz。輸出頻率CLK-OUT用于給壓力溫度傳感器SP30內部的MCU提供操作時序。L1、L2、C1、C2和C3組成了天線匹配網絡，通過優(yōu)化這些參數可以將特定阻抗的天線匹配到MAX7044功率放大器的輸出阻抗125Ω，以抑制諧波，提高天線的效能。本設計采用氣門嘴作為天線，通過軟件仿真和反復測試驗證，最佳匹配電路如圖3所示。

 圖3  MAX7044應用電路

2 MAX1473射頻應用設計
因為胎壓控制器直接從車載電源取電，對功耗的要求不是很嚴格。而由于胎壓控制器安裝于車廂內，考慮到車身對無線信號的屏蔽效應，在選擇射頻接收芯片時高靈敏度成為非常重要的因素。此外，與FSK（frequency-shift-keyed，頻移鍵控）制式的接收芯片相比，ASK制式的接收芯片具有更高的靈敏度，成本也較低。因此，我們最終選用MAXIM公司的超外差接收機MAX1473來完成胎壓監(jiān)測數據的可靠接收，其應用電路如圖4所示。MAX1473具有-114～0dBm的信號輸入范圍，調制頻率范圍300～450MHz，接收數據速率最大為100kbps，內部集成了低噪聲放大器、全差分鏡頻抑制混頻器、帶壓控的片上鎖相環(huán)、10.7MHz中頻限幅放大器以及模擬基帶數據恢復電路，只需少量的外部器件即可構成胎壓接收器的射頻前端。

圖4 MAX1473應用電路圖

MAX1473外圍電路主要包括三部分：LNA調諧電路、輸入匹配和晶振電路。LNA調諧電路由連接在LNAOUT引腳的L2和C9組成，諧振頻率。其中，LTOTAL和CTOTAL包括L2、C9以及PCB板引線、封裝引腳的寄生電感和電容，混頻器輸入阻抗和LNA輸出阻抗。為了提高靈敏度，諧振頻率需盡可能接近所希望的RF輸入頻率。在本設計中，RF輸入頻率為433.92MHz，當L2=15nH，C9=3.0pF時，接收靈敏度最高。

LNASRC引腳與參考地之間的外部電感L3用于改善芯片外部的電感效應，并將LNAIN輸入阻抗的實部設置為50Ω。這時LNA的輸入端等效于一個50Ω電阻與一個2.5pF電容串聯(lián)，輸入阻抗為:。當RF輸入頻率為433.92MHz時，Z=50-j145。為消除輸入阻抗的虛部，匹配50Ω天線，可算出匹配電感L4約為73nH。對于315MHz系統(tǒng)，晶振G1頻率為4.7547MHz；對于433.92MHz系統(tǒng)，晶振G1頻率為6.6128MHz，串聯(lián)電容C1、C2用于修正因電路板寄生電容導致的晶振頻率偏移。

系統(tǒng)軟件方案設計
如何節(jié)能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設計的關鍵問題。一個傳感器模塊要在一節(jié)幾百毫安時的電池下工作2～5年，而射頻發(fā)送數據幀時耗電最大，因此在保證數據傳輸正確的前提下應盡量減少發(fā)送次數。發(fā)射模塊軟件流程如圖5所示，本設計采用了基于素數的動態(tài)時延算法，即各輪胎上的傳感器模塊在完成溫度、壓力的測量以后，分別按1000ms×N1（N1為小于20的隨機素數）延時后再將數據發(fā)送出去。與采用固定周期的延時算法相比，這種動態(tài)時延算法能大大降低數據發(fā)送沖突的概率。此外，如果傳感器檢測到輪胎靜止超過1小時，則會自動進入休眠模式，即不再發(fā)送數據，直到被加速度信號喚醒。胎壓控制器即接收模塊的軟件流程如圖6所示。

圖5 發(fā)射模塊軟件流程

圖6 接收模塊軟件流程

性能測試 
本設計方案已在某型號產品上得到應用，經反復測試具體性能指標如下：

● 可監(jiān)測胎壓范圍為0～3.5Bar，分辨率25mBar，通常轎車的輪胎氣壓在2.2～2.8Bar之間；

● 可監(jiān)測溫度范圍：-40～120℃，分辨率2℃，轎車的輪胎溫度一般在75℃左右；

● 輪胎壓力傳感器發(fā)射功率用頻譜分析儀測得在-45dBm左右，胎壓控制器接收靈敏度在-100dBm左右；

● 采用500mAh的電池，若每天正常行車12小時，發(fā)射模塊可正常工作5年以上。

結語
輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是汽車安全系統(tǒng)必備的功能之一，對保護駕駛者的行車安全具有非常重要的作用。筆者基于ASK信號調制模式功耗低、靈敏度高以及成本低的優(yōu)點，選用MAX1473和MAX7044設計實現(xiàn)了一種新的無線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有很好的市場前景。