基于SP37的汽車胎壓監(jiān)測設計與測試

當汽車輪胎壓力出現(xiàn)問題時，不僅會減少輪胎的使用壽命和增大油耗，甚至會導致爆胎等危險情況的發(fā)生。統(tǒng)計表明，目前我國高速公路上70%的交通事故為輪胎氣壓問題所引發(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)測傳感器能夠實時準確地測量當前輪胎壓力和溫度值，當輪胎出現(xiàn)異常危險情況時，傳感器將通過無線電信號發(fā)送給車汽車儀表顯示并報警，達到實時提醒駕駛者的效果，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，胎壓監(jiān)測傳感器接收安裝于每個輪胎擋泥板位置處125kHz低頻天線數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)系統(tǒng)雙向通信。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：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。這就需要在設計汽車胎壓監(jiān)測傳感器時要嚴格選擇各個器件。

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的維護修理，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。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)分為采集部分、處理部分、驅動部分。采集部分為壓力檢測、溫度檢測、電壓檢測和運動檢測。溫度檢測用于測量輪胎內部溫度，也用于壓力測量時的溫度補償。壓力檢測用于測量輪胎內部絕對壓力；電壓檢測用于測量供電電池電壓；運動檢測用于監(jiān)視汽車行駛狀態(tài)；驅動部分為低頻驅動和高頻驅動組成。低頻驅動負責125kHz低頻數(shù)據(jù)接收，高頻驅動負責433.92MHz高頻數(shù)據(jù)發(fā)射；處理部分由MCU完成，負責按照一定算法策略協(xié)調采集部分和驅動部分工作。

本系統(tǒng)器件選擇Infineon（英飛凌）公司的SP37，芯片內部集成了圖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℃；壓力測量范圍0～450kPa；Z軸運動加速度-115～+115g；溫度測量-40～+125℃；電池電壓AD檢測；集成ISM波段315/434MHz射頻發(fā)射；射頻輸出功率（50Ω負載）5～8dBm；硬件曼切斯特/雙向編碼RF發(fā)射；射頻ASK/FSK調制方式；FSK頻偏達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程序存儲空間；16KB ROM庫函數(shù)存儲空間；256Byte RAM數(shù)據(jù)存儲空間；Power Down、Idle、Run和Int四種工作模式；間隔定時器、低頻接收或外部管腳中斷三種喚醒模式；8bit硬件隨機數(shù)發(fā)生器；看門狗定時器；3個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 高頻電路設計

系統(tǒng)高頻工作頻率選用歐洲胎壓監(jiān)測系統(tǒng)指定波段433.92MHz，SP37內部集成VCO及PLL，高頻頻率是24倍頻外部晶體頻率，故選用汽車級18.08MHz無源晶體，負載電容8pF，晶體連接如圖2所示。由于FSK根據(jù)用數(shù)字信號1或0調制不同的載波頻率，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調制方式。SP37選擇內部電容方式調制FSK，通過設置XTAL1和XTAL0寄存器參數(shù)，將頻偏調到50kHz，中心頻點433.92MHz。

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

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

2 低頻電路設計

LF低頻通信負責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。為了達到最優(yōu)低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率設計為低頻載波頻率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諧振電路品質因數(shù)Q 值， 達到低頻足夠帶寬（ 7 . 8 k H z ） 。諧振電路品質因數(shù)Q = f c/ B W = 1 2 5 k H z /（2×3.9k H z）=15，這就要求L F諧振電路品質因數(shù)Q不能大于15?？梢杂嬎汶娮鑂=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，通過計算L F每個發(fā)送位時間為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行信息交互。首先發(fā)送引導位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：壽命特長、能量密度大、自放電極低、重量輕（8.8g）、溫限寬（-55～+125℃）。

天線設計

天線的性能將直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量，它是汽車輪胎監(jiān)測傳感器發(fā)射功率提升的重要因素。汽車輪胎監(jiān)測傳感器的天線靠近氣門嘴，因而在設計天線時必須考慮輪胎金屬絲的屏蔽，輪輞金屬的反射影響，以及車輪高速旋轉時天線不斷變換方向、角度的影響等，所以天線設計時必須考慮以下因素：線極化容易受到天線姿態(tài)的影響，旋轉的車輪對天線的工作極化要求相對較高；天線與射頻模塊連接，需要解決好阻抗匹配的問題，這也是天線設計的重點；由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內，受到車身、天線運動等對性能的影響；小型化設計，安裝在輪胎內部的天線，必須考慮小型化設計，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、易于一體化設計、易于匹配等優(yōu)點。氣門嘴安裝方式如圖6所示。

氣門嘴天線是國內外目前汽車輪胎監(jiān)測傳感器常用的天線形式，它屬于電小天線的范疇。電小天線的設計重點在于結構尺寸的設計和匹配電路的設置，因為電小天線的輻射電阻一般比較?。◣讱W姆），導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，這種儲能因素將導致輻射效率進一步降低。虛部可以通過匹配電路予以解決，但實部電阻需要與發(fā)射芯片的射頻輸出管腳的阻抗進行匹配，這也是發(fā)射電小天線的設計重點。本方案采用的天線加載方式，通過內部匹配黃銅片進行加載，其類似于倒F天線加載方式，經過臺架試驗和路試試驗后表明我們的設計思路和匹配方法是有效的。


軟件設計

系統(tǒng)具有的軟件功能：周期性測量輪胎壓力、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；氣壓高報警功能；氣壓低報警功能；溫度高報警功能；快漏氣報警功能；電池電壓低報警功能；傳感器無信號報警功能。系統(tǒng)要求具備10年長的壽命，要達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中斷或間隔定時器中斷來喚醒。系統(tǒng)軟件框架流程圖如圖8所示。

S P37內部R O M自帶底層庫函數(shù)（Library Function），用戶可以直接調用庫函數(shù)。庫函數(shù)的使用大大簡化了程序員軟件開發(fā)難度而且軟件可靠性也得到增強。庫函數(shù)包含傳感器測量函數(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，傳感器測量函數(shù)包含：測量壓力或運動加速度M e a s_P r e s s u r e函數(shù)、測量溫度M e a s_T e m p e r a t u re函數(shù)、測量電池電壓Meas_Supply_Voltage函數(shù)、測量加速度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CRC8_Calc函數(shù)、CRC16校驗C R C16_C h e c k函數(shù)、讀取設備標識碼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)、間隔定時器校準IntervalTimerCalibration函數(shù)、獲取硬件版本號FW_Revision_Nb函數(shù)。

由于安裝在每個輪胎內部的輪胎壓力傳感器會存在同時發(fā)射高頻數(shù)據(jù)可能性，數(shù)據(jù)之間會產生射頻干擾，從而導致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)沖突是隨機產生的，因而無法避免，但是要在產生沖突后將再次產生數(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)在每個發(fā)射高頻數(shù)據(jù)幀之間增加一段隨機延時，隨機延時的時間為數(shù)據(jù)幀時間長度的質數(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，則只有當發(fā)送沖突的模塊的隨機延時時間相同時才會再次產生數(shù)據(jù)沖突，此概率為4%。

結構設計

輪胎壓力傳感器安裝在汽車輪胎內部，由氣門嘴、殼體和防塵帽組成。汽車行駛速度最高可達250k m/h，而且輪胎內部環(huán)境復雜且異常惡劣，長期處于高壓、高濕、溫度交變、油污、顛簸震動等環(huán)境中。溫度高低變化容易使殼體脆化并使機械強度降低，高濕情況下也會使殼體發(fā)生膨脹、強度降低并產生腐蝕等化學反應。輪胎行駛在各種路面上，顛簸震動頻率幅度都各不相同，這些情況都可能導致零部件松脫。這就要求系統(tǒng)結構設計考慮如下幾點：系統(tǒng)總重量要輕（小于40g）、耐速旋轉加速度性能高、結構斷裂強度高、密封性高（I P6防護等級）、結構和氣門嘴材料
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設計。

結論

輪胎壓力傳感器無論臺架試驗還是各種情況的道路測試，系統(tǒng)保持高可靠性，系統(tǒng)低頻收發(fā)準確率和高頻收發(fā)準確率達到98%，當輪胎出現(xiàn)異常危險情況時，汽車儀表盤顯示相關報警信息，實時提醒駕駛者，將因輪胎氣壓問題造成的事故消滅在萌芽之中，增強了汽車行駛的安全性。本系統(tǒng)成功應用將會對汽車行駛安全系統(tǒng)帶來更高使用價值和社會價值。