基于SP37的新型TPMS系统设计

摘要：简要介绍了胎压监测系统(TPMS)的组成，提出了一种基于新型传感器SP37的胎压监测系统。该系统采用SP37和MAX1473作为无线收发芯片，详细阐述了其软件和硬件设计中的关键技术。实际测试效果表明，该系统接收灵敏度可达到-100 dBm，高速跑车时速100 km时工作稳定。
关键词：TPMS；SP37；MAX1473；压力；温度

    汽车胎压监测系统(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一种能对汽车轮胎气压、温度进行自动检测，并对轮胎异常情况进行报警的预警系统。目前直接式TPMS发射模块较多采用以下两种方案：1)电池+单片机+传感器+射频芯片，2)是电池+内部集成MCU的传感器+射频芯片。前一种方案由于集成度低、体积和功耗大而被市场逐渐淘汰，后一种方案是当前市场上较为先进的产品设计形式。随着半导体及硅显微机械加工技术的快速发展，一种新的设计方案即电池+内部集成MCU和RF的专用传感器正成为TPMS发射模块设计的主流。这种方案集成度更高，体积和功耗更小，使用寿命更长，产品竞争力也更强。本文选用Infineon新一代系统级芯片SP37作为胎压传感器和射频发射器，选用MAXIM公司的MAX1473作为接收芯片，设计完成了一种新型胎压监测系统。

1 系统描述
    胎压监测系统组成如图1所示，轮胎压力传感器分别安装在4个车轮轮毂上，负责测量轮胎内部的压力、温度和电池电压等物理状况，并将测量数据通过无线形式按照一定的规律发给胎压控制器。驾驶员通过胎压控制器上的显示屏和按键可查看4个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的温度、压力或电池电压超过了报警阀值，胎压控制器能够准确识别轮胎的位置，并且发出图形、声音、文字报警。

2 系统硬件方案设计
    该TPMS系统包括两种硬件模块：轮胎压力传感器和胎压控制器，两种模块的硬件结构如图2所示。轮胎压力传感器主要由电池和集传感器、单片机和RF发射单元于一体的SP37组成，外围器件少，重量轻，成本低。胎压控制器采用了基于ASK调制模式的MAX1473作为无线接收芯片，由8位单片机控制实现数据的接收、显示和报警。本设计方案遵循欧洲标准，无线信号调制中心频率为433．92 MHz。

2．1 SP37应用设计
    传感器和射频是无线轮胎压力传感器设计的关键。由于轮胎压力传感器安装在轮毂上，采用能量有限的锂电池供电，因此实现传感器和射频功能的芯片需具有以下两个特点：
    1)集成度高，外围器件尽可能少，便于进行可靠性设计；
    2)最小可工作电压低，功耗低，有多种工作模式，便于根据具体工作状态进行功耗管理，以尽可能延长监测模块的工作寿命。
    根据以上特点，并经过分析比较，最终选用了SP37这款高集成度系统级芯片。SP37是调频范围为300～450 MHz的胎压传感器芯片，内部集传感器、单片机和RF发射单元于一体，最大输出功率+8 dBm(50 Ω负载)，最低1．9 V工作。应用电路如图3所示，主要包括电源滤波电路、晶振电路和天线匹配电路三部分。由于RF芯片对汽车电磁噪音非常敏感，恰当有效的滤波电路能很好地抑制噪音，提高可靠性，因而靠近电源引脚配置了滤波电容C1、C4和C6。SP37常用调制频率有315 MHz和433．92 MHz两种，不同调制频率所选用的晶振也不同。若调制频率为315 MHz，那么外部晶振频率G1应为19．687 5 MHz；若调制频率为433．92 MHz，G1则应为18．08 MHz。L1、L2、C2、C3和C5组成了天线匹配网络，通过优化这些参数可以将特定阻抗的天线匹配到SP37功率放大器的输出阻抗500 Ω，以抑制谐波，提高天线的效能。本设计采用气门嘴作为天线，通过软件仿真和反复测试验证，最佳匹配电路如图3所示。

2．2 MAX1473射频应用设计
    胎压控制器可以直接由车载电源供电，对功耗的要求不是很严格。由于胎压控制器安装于车厢内，考虑到金属车身的屏蔽效应，高灵敏度是选择射频接收芯片时考虑的重要因素。而与FSK(frequency-shift-keyed，频移键控)制式的接收芯片相比，ASK制式的接收芯片具有更高的灵敏度，成本也较低，因此最终选用MAXIM公司的超外差接收机MAX1473来完成胎压传感器SP37射频无线信号的可靠接收，其应用电路如图4所示。

    MAX1473具有-114～0d Bm的信号输入范围，调制频率范围300～450MHz，接收数据速率最大为100 kb／s，内部集成了低噪声放大器、全差分镜频抑制混频器、带压控的片上锁相环、10．7 MHz中频限幅放大器以及模拟基带数据恢复电路，只需少量的外部器件即可构成胎压接收器的射频前端。MAX1473外围电路主要包括3部分：LNA调谐电路、输入匹配和晶振电路。LNA调谐电路由连接在LNAOUT引脚的L2和C9组成，谐振频率。
    其中，LTOTAL和CTOTAL包括L2、C9以及PCB板引线、封装引脚的寄生电感和电容，混频器输入阻抗和LNA输出阻抗。为了提高灵敏度，谐振频率需尽可能接近所希望的RF输入频率。在本设计中，RF输入频率为433．92 MHz，当L2=15 nH，C9=3．0 pF时，接收灵敏度最高。LNASRC引脚与参考地之间的外部电感L3用于改善芯片外部的电感效应，并将LNAIN输入阻抗的实部设置为50 Ω。这时LNA的输入端等效于一个50Ω电阻与一个2．5 pF电容串联，输入阻抗为：。当RF输入频率为433．92 MHz时，Z=50-j145。为消除输入阻抗的虚部，匹配50 Ω天线，可算出匹配电感L4约为73 nH。对于315 MHz系统，晶振G1频率为4．754 7 MHz；对于433．92 MHz系统，晶振G1频率为6．612 8 MHz，串联电容C1、C2用于修正因电路板寄生电容导致的晶振频率偏移。

3 系统软件方案设计
    如何节能是轮胎压力传感器模块软件设计的关键问题。一个传感器模块要在一节几百毫安时的电池下工作2年以上，而射频发送数据帧时耗电最大，因此在保证数据传输正确的前提下应尽量减少发送次数。发射模块软件流程如图5所示，本设计采用了基于素数的动态时延算法，即各轮胎上的传感器模块在完成温度、压力的测量以后，分别按1 000ms×N1(N1为小于20的随机素数)延时后再将数据发送出去。与采用固定周期的延时算法相比，这种动态时延算法能大大降低数据发送冲突的概率。此外，如果传感器检测到轮胎静止超过1 h，则会自动进入休眠模式，即不再发送数据，直到被加速度信号唤醒。胎压控制器即接收模块的软件流程如图6所示。

4 性能测试
    本设计方案样机已研制出，经反复测试具体性能指标如下：
    1)可监测胎压范围为0～4．5 bar，分辨率25 mbar，通常轿车的轮胎气压在2．2～2．8 bar之间；
    2)可监测温度范围：-40～125℃，分辨率2℃，轿车的轮胎温度一般约75℃；
    3)轮胎压力传感器发射功率用频谱分析仪测得在-40 dBm左右，胎压控制器接收灵敏度在-100 dBm；
    4)采用500 mAh的电池，若每天正常行车12 h，发射模块可正常工作6年以上。

5 结束语
    目前，轮胎压力监测系统的强制标准已送交国家有关部门审核，汽车标配TPMS安全系统成为必然的趋势。本文基于SP37集成度高、可靠性强、功耗低的优点，选用MAX1473设计实现了一种新的无线胎压监测系统，该系统工作稳定可靠，具有很好的市场前景。