低频RFIC技术在轮胎压力监测系统中的应用

轮胎压力监测系统(TPMS)提供轮胎压力或故障异常的早期预警。 TPMS单独使用或与其他车辆电子系统结合使用，对于乘客安全，车辆操纵和轮胎使用寿命起着至关重要的作用。作为大多数TPMS设计的核心，RF设备在传达车辆安全系统使用的轮胎压力数据以提醒驾驶员方面起着基本作用。为了构建集成的，独立的和附加的TPMS设备，工程师可以利用来自制造商的可用设备，包括Atmel，Maxim Integrated Products，Silicon Labs和Texas Instruments等。

TPMS系统通过监测轮胎压力直接起作用，或通过使用车辆的防抱死系统间接地检测与缩小的轮胎的半径减小相关的转速变化。直接方法(本文的主题)依靠低频RF设备将轮胎压力测量值传输到车辆安全管理系统。

TPMS架构

安装在内圈上的直接TPMS单元连接到阀杆以测量轮胎压力，将测量无线传输到专用TPMS控制器或车辆的电子系统控制器。这些设备采用不可更换的电池制造，其设计时考虑了功耗。为了节省功率，大多数TPMS架构通常使用发起器，其发送低频RF信号，使得每个TPMS单元在返回到低功率模式之前唤醒并发送更新的轮胎压力数据(图1)。

图1：在这个TPMS设计中，一个低频RF发起器唤醒每个安装在轮胎上的单元，然后将这些单元发送到专用的接收器或接收器中。集中式子系统(由Panasonic提供。)

专为支持这种启动功能而设计，Atmel ATA5276 IC驱动125 KHz LC谐振回路电路，启动此唤醒过程。 ATA5276由MCU通过简单的单线接口控制，将控制逻辑与VCO相结合，产生125 KHz信号，用于驱动发射器LC线圈电路。通过使用数据驱动器件的DIO引脚而不是使用简单的“使能”信号，工程师还可以使用ATA5276将ASK调制数据传输到TPMS单元(图2)。

图2：除了提供简单的唤醒信号外，Atmel ATA5276还可以向TPMS单元传输数据：使用数据驱动DIO切换DRV，从而产生ASK调制信号线圈。 (由Atmel提供。)

安装在每个轮胎上的实际TPMS测量单元包括压力传感器，信号处理级和RF发射器。使用启动器时，轮胎侧的唤醒电路可以像模拟比较器一样简单，例如Maxim MAX9075。在这种方法中，比较器将检测设计有与发射器匹配的谐振频率的线圈的输出(图3)。当比较器达到阈值时，它可以驱动单个晶体管，驱动启动信号到TPMS测量单元。

图3：响应其谐振电路检测到的信号，轮胎侧TPMS唤醒电路可以发送TPMS电路的其余部分使用由模拟比较器切换的单个晶体管使能信号。 (由Maxim Integrated Products提供。)

压力测量

实际轮胎压力测量依赖于压力传感器，这些压力传感器提供与温度相关的差分输出信号，通常是高度非线性的，具有较大的偏移和偏移漂移。需要信号调理电路来提供所需的线性化，校准和温度补偿。为了简化TPMS设计的这一阶段，工程师可以利用德州仪器(TI)PGA309或Maxim MAX1452等集成器件，以及专门设计用于传感器信号调理所需的片上子系统的IC(图4)。

图4：TI PGA309等专用信号调理IC提供实现压力非线性，温度相关输出的线性化，补偿和校准所需的功能传感器。 (德州仪器公司提供。)

TI PGA309包括完整的传感器调节信号链，集成了输入多路复用器，可编程增益仪表放大器，线性化电路，电压基准，控制逻辑和输出放大器。工程师可以通过其单线数字接口校准器件，并将校准参数存储在片外存储器(如SOT23-5 EEPROM)上。

Maxim MAX1452是一款精密信号调理器，集成了可编程增益放大器，数模转换器(DAC)，温度传感器和内部EEPROM。该器件使用模拟放大来初始提升输入信号，然后进行模拟温度校正，最后使用数字电路完成校正。该器件专门用于传感器调节应用，允许工程师通过编程改变传感器电桥激励电流或电压来校准和校正传感器信号。

RF link

对于TPMS单元的通信核心，工程师可以从不同的ISM RF设备中进行选择。对于仅需要传输能力的TPMS轮胎安装单元设计，Maxim 7044，Micrel MICRF112，Silicon Labs Si4020/Si4021和Texas Instruments CC1070等设备提供完整的解决方案，需要最少的外部元件，包括晶体，阻塞电容器，以及功率放大器输出和天线之间的适当匹配元件。

Maxim MAX7044提供300 MHz至450 MHz范围内的OOK/ASK传输。与同类产品中的其他器件一样，MAX7044只需极少的外部元件。然而，MAX7044能够提供高达13 dBm的输出功率，同时在2.7 V时仅提供7.7 mA的电流。

Micrel MICRF112发送器在300至450 MHz频段内提供ASK/FSK调制，输出功率高达10 dBm。 MICRF112能够在低至1.8 V的电源电压下工作，与此类大多数器件相比，最小电源电压通常为2.0至2.2 V.

Silicon Labs Si4020/Si4021 ISM发送器提供了完全集成的解决方案，仅需外部晶振和旁路滤波器。引脚兼容器件包括一个集成PLL，具有快速建立时间，可在433，868和915 MHz频段内工作。 Si4020还可在315 MHz频段工作，而Si4021则提供更高的输出功率(433 MHz时为8 dBm，而Si4020为3 dBm)。

德州仪器(TI)CC1070允许工程师使用集成的VCO和分频器以编程方式设置工作频段，以达到所需的工作频率。该器件具有灵活的可编程电源管理功能，允许工程师在轮胎安装的TPMS单元在数据传输事件后返回低功耗模式时，轻松设置器件以实现最低功耗。

TPMS设备具有重要的安全功能，有助于提高乘客的整体舒适度和车辆操控性。为了在集成，独立或第三方TPMS产品中取得成功，工程师需要将传感器信号调理电路与灵活的RF通信功能相结合。高度集成的ISM设备(如上所述)的可用性有助于简化TPMS设计并加快部署更复杂的车辆安全功能。