基于胎压监测传感器的TPMS双向通信系统

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        1 系统描述

  在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器,它能够准确测量轮胎内部的压力和温度,传感器通过无线形式按照一定的规律向车身控制器(Body Control Model,BCM)发送轮胎的压力值和温度值,BCM通过CAN总线将信息帧发送给仪表盘,驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值,仪表盘能够准确显示报警轮胎的位置,并发出图形、声音、文字报警。同时安装于每个轮胎挡泥板位置处的低频天线与BCM进行信息通信,并将BCM需要汽车胎压监测传感器何种操作信息解析并转换为125 kHz低频无线数据发射出去,汽车胎压监测传感器将接收此低频无线信号,然后按照解析后的操作信息进行工作。以上就是TPMS双向通信系统。由于该产品是汽车产品安全件,其应在各种环境下具有高可靠性,各种环境为:各种天气情况下,例如阴天、下雨等不同天气环境;各种路况,例如国道、高速、乡村公路、山路等等;冬季中的雪路、冰面、极其寒冷地区(-40℃);夏季中的炎热、潮湿地区(地表温度+50℃,90%湿度);不同的车速(0~200km/h)等。这就需要在设计汽车胎压监测传感器时要严格选择各个器件。

  2 电路设计

  由于汽车胎压监测传感器是安装在轮胎内部,不与外界接触,这就要求不能过于频繁地维护修理,一般要求有10年使用工作寿命,而且其工作温度范围为-40~+125℃,这就要求所选择的器件都要是汽车级和低功耗元器件。

  汽车胎压监测传感器系统组成框图如图1所示。

  

  图1 汽车胎压监测传感器系统组成框图

  2.1 传感器选择

  MCU/Sensor是系统的核心,由Infineon公司的SP300V2.1-E106-0实现。SP300V2.1-E106-0整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器与加速度传感器和一个电池电压监测器,并内部集成一个低功耗8位哈佛结构的RISC控制器;它具有下电、运行、空闲、关断4种工作模式,并有IT/LT唤醒、PORT唤醒和LF低频检测唤醒3种唤醒方式,能够有效地满足系统低功耗设计要求。压力测量范围0~3.5 Bar;温度测量范围-40~+125℃;向心加速度测量范围-12g~115g;工作电压范围1.8~3.6 V。

  2.2 射频单元选择

  RF射频芯片主要用于将数字信号转换为高频信号。系统采用Maxim公司的MAX7044芯片,其工作电压为+2.1~+6.0 V,8 mA的低工作电流,00K/ASK调制方式,通信速率能达到100 kbps,小封装3 mm×3 mm,8引脚S0T23封装。它消除了基于SAW发送器设计的问题;采用晶体结构,提供了更大的调制深度和快速的频率响应机制;降低了温度的影响,温度范围可达-40~+125℃。其内部包含功率放大器(PA)、晶体振荡器(crystal oscillator)、驱动器(driver)、数据有效检测电路(data activity detector)、锁定检测电路(10ck detect)、锁相环(32xPLL)、分频器(16分频)等电路。

  MAX7044有一个自动的低功耗模式(shutdown mode)控制方式。如果DATA引脚在一个确定的时间(等待时间)内没有动作,器件自动进入低功耗模式。等待时间大约是216个时钟周期,在433 MHz频率大约为4.84 ms。进入低功耗模式的等待时间为:。其中,fRF是射频发射频率。当器件在低功耗模式时,在DATA信号的上升沿“热”启动晶振和PLL,晶振和PLL在数据发射前需要220μs的建立时间。基准频率和载波频率的关系为:fXTAL=fRF/32。

  MAX7044的主要特性参数如下:

  ◆+2.1~+3.6 V单电源供电

  ◆OOK/ASK发射数据格式

  ◆最大数据率100 kbps

  ◆+13 dBm输出功率(50 Ω负载)

  ◆供电电流低(典型值7.7 mA)

  ◆250μs快速启动时间

  由MAX7044构成的发射电路图如图2所示,实际设计时根据天线的实际阻抗和射频发射芯片输入阻抗,利用π型匹配网络完成射频发射芯片和天线之间的阻抗匹配,以达到最大功率输出。

         图2 由MAX7044构成的发射电路图

  2.3 电池选择

  电池选择以色列Tadiran电池公司推出的高温系列电池(TLH),供电电压+3.6 V,电池容量500 mAh,具有寿命长、能量密度大、自放电极低、重量轻(8.8 g)、温限宽(-55~+125℃)等特点。

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