胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)技術(shù)與設(shè)計(jì)考慮

胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)技術(shù)與設(shè)計(jì)考慮上網(wǎng)時(shí)間:2006年09月22日打印版函打印版函推薦給同仁団發(fā)送査詢TPMS對(duì)于提高汽車安全性有舉足輕重的影響，輪胎是汽車和路面唯一直接接觸的部分。輪胎過(guò)于膨脹或處于充氣不足狀態(tài)都會(huì)影響汽車安全性。有很多車禍都因輪胎出現(xiàn)狀況而導(dǎo)致的。美國(guó)高速公路安全協(xié)會(huì)(NHTSA)也因此立法強(qiáng)制實(shí)施TPMS。TPMS的要求和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)TPMS系統(tǒng)的要求有：低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運(yùn)行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長(zhǎng)的工作壽命等。為實(shí)現(xiàn)10年使用壽命這一目標(biāo)，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、功效高的系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的第一個(gè)因素就是軟件。因?yàn)檐囕喣K通常是用微控制器來(lái)執(zhí)行命令的，所以應(yīng)采用一種智能化算法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功效。例如，每次都要將一個(gè)完整的8-bit參數(shù)傳輸?shù)浇邮掌鲉幔炕蛘?，傳輸一個(gè)1-bit參數(shù)低壓報(bào)警信號(hào)是否更加有效？多長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量一次胎壓？系統(tǒng)總是測(cè)量所有參數(shù)，還是對(duì)一個(gè)參數(shù)的測(cè)量次數(shù)比其它參數(shù)多？應(yīng)由車輪模塊執(zhí)行參數(shù)計(jì)算還是接收器來(lái)執(zhí)行？軟件工程師在設(shè)計(jì)TPMS系統(tǒng)時(shí)必須考慮這些問(wèn)題。其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低頻接口時(shí)，感應(yīng)模塊可以始終處于電源關(guān)閉模式，這樣功耗最低。只有在收到喚醒信號(hào)后，傳感器才會(huì)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備設(shè)計(jì)靈活性和其他一些優(yōu)勢(shì)。例如，低頻通訊可使系統(tǒng)通過(guò)低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令，以對(duì)輪胎進(jìn)行重新校準(zhǔn)和定位。第三種降低功耗的方法是使用滾動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)輪胎是靜止的還是運(yùn)行的。因此，運(yùn)算可通過(guò)如下方式進(jìn)行——只有當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，才進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和/或傳輸。一些TPMS傳感器(比如SP30)集成了加速度計(jì)，該加速度計(jì)是一種檢測(cè)車輪旋轉(zhuǎn)的高G傳感器。因此,應(yīng)用軟件可以用這種方法編寫(xiě)——即當(dāng)加速度計(jì)的讀數(shù)低于某一水平時(shí)，表明車輛是靜止的或者非常緩慢地行駛著，此時(shí),TPMS可停止運(yùn)行或以很低的頻率運(yùn)行。一般的車輛在公路上行駛的平均時(shí)間大約為15%。考慮到這一點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)方案可以大幅度降低TPMS的功耗。最后，通過(guò)選擇低功耗元件并通過(guò)使用具有集成功能的元件來(lái)盡可能減少元件數(shù)量，可獲得更高功率效率并降低系統(tǒng)總成本。TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還有一個(gè)非常重要的方面是傳感器的介質(zhì)兼容性。傳感器的精確性和可靠性在很大程度上受外部介質(zhì)的影響，如潮濕、灰塵和其它物質(zhì)如制動(dòng)液等。英飛凌的TPMS傳感器SP30采用夾層工藝,由夾在兩個(gè)玻璃層之間的單硅晶組成。傳感器元件具備卓越的介質(zhì)兼容性，因?yàn)槠錃鈮喝肟诔蚬枘て谋趁?。同時(shí)，芯片的封裝方式也會(huì)影響傳感器的性能。英飛凌的SP30TPMS傳感器幾年之前已進(jìn)入批量生產(chǎn)，迄今為止已銷售了數(shù)百萬(wàn)套。隨著市場(chǎng)不斷要求更高的集成度和更低的系統(tǒng)成本，英飛凌將在2007年向亞太市場(chǎng)推出下一代產(chǎn)品SP35。SP35將集成車輪模塊所需的感應(yīng)功能和發(fā)射功能。這就意味著，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現(xiàn)有的SP30加外部射頻發(fā)射器集成電路(IC)解決方案相比，SP35系統(tǒng)解決方案將減少一個(gè)組件。

圖2：英飛凌的下一代TPMS傳感器SP35框圖53PS圖2：英飛凌的下一代TPMS傳感器SP35框圖53PS壓感氣傳器［「8053微處理器'

:IFLASHRAM-TOC\o"1-5"\h\z；ADC :\o"CurrentDocument":低頻接口 ：ill1^^■:I 1\o"CurrentDocument";射頻發(fā)射器 ；SP35集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHZ射頻發(fā)射器。除減少組件數(shù)量外，它還可以降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榘蹇ㄔO(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，尺寸更小。另外一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自于無(wú)線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計(jì)采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率。該ASK系統(tǒng)雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車輪（發(fā)送器安裝在其上）旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的接收?qǐng)鰪?qiáng)變化的影響。出于這一原因，現(xiàn)在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調(diào)制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應(yīng)用中，即使是在車輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)SK都具備可靠的射頻通訊功能。英飛凌的超高頻（UHF）發(fā)射器TDK51xxF系列設(shè)計(jì)用于315MHz、434MHz、868MHz和915MHz等頻段，可同時(shí)支持ASK調(diào)制和FSK調(diào)制。該產(chǎn)品系列具備一個(gè)完全集成的鎖相環(huán)（PLL）合成器和一個(gè)高效功率放大器以驅(qū)動(dòng)環(huán)路天線。其典型功耗為7mA（當(dāng)電阻為50Ohm，射頻輸出功率為5dBm時(shí)），該設(shè)備可在-40°C至到+125°C的汽車運(yùn)行溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。英飛凌還提供用于不同頻段的各種接收器芯片，集成了各種功能，這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可使用最少的元件，從而降低系統(tǒng)成本。在FSK調(diào)制模式下當(dāng)接收頻率為434MHz時(shí)，低達(dá)3.9-7.5mA的工作電流，以及高達(dá)-100dBm的敏感度。（測(cè)定條件：FSK頻偏為+/-50kHz，誤碼率為2xE-3比特誤差率，曼徹斯特編碼方式，數(shù)據(jù)率為4KHz,中頻帶寬為280KHz）。無(wú)線控制設(shè)計(jì)考慮因素采用英飛凌TDK51xxF發(fā)射器時(shí)需要考慮以下因素：.天線選擇和匹配網(wǎng)絡(luò)。模擬和測(cè)試已經(jīng)證明，與常規(guī)的接地天線相比，環(huán)路天線更加有效并且?guī)捀鼘挕－h(huán)路天線通常被印刷在電路板上，并且要適當(dāng)匹配才能獲得最佳效率。但是，有幾個(gè)常見(jiàn)的外界因素會(huì)影響天線的性能和阻抗，如手效應(yīng)——會(huì)改變自由空間(?0)和金屬物體附近的介電常數(shù)，而且這些因素對(duì)于獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，并且必須被考慮在內(nèi)。這被證明是TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所面臨的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樘炀€必須在盡可能多的實(shí)時(shí)影響因素同時(shí)出現(xiàn)的情況下進(jìn)行測(cè)量，即要同時(shí)調(diào)整天線電阻網(wǎng)以及安裝在邊框上或靠近底部的發(fā)射器模塊。.功率模式。在電源關(guān)閉模式下，整個(gè)芯片是不通電的，電流消耗一般為0.3nA。通過(guò)將FSKDTA切換到HIGH(因?yàn)槲催B接PWDWN)可以進(jìn)入PLL激活模式。在這期間，PLL接通電源，但功率放大器關(guān)閉,以便在PLL需要穩(wěn)定時(shí)避免不必要的功率輻射。采用FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行FSK調(diào)制的功率模式示例(沒(méi)有連接PDWN)圖4:采用FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行FSK調(diào)制的功率模式示例(沒(méi)有連接DWN)PLL的導(dǎo)通時(shí)間主要由晶體振蕩器的導(dǎo)通時(shí)間決定，當(dāng)使用規(guī)定的晶體時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間小于1msec。PLL本身需要大約10?s的時(shí)間鎖定。在PLL啟用期間，電流消耗一般為3.5mA。TDK51xxF上的功率放大器由ASKDTA接通至HIGH位置。在此期間，F(xiàn)SKDTA可以發(fā)送。當(dāng)將適當(dāng)?shù)淖儞Q網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于PAOUT時(shí)，集成電路的電流消耗一般為7mA。.晶體部分。發(fā)射器晶體板應(yīng)被屏蔽和接地，并且遠(yuǎn)離天線，以避免來(lái)自功率輸出的干擾。同樣的原理發(fā)射時(shí)鐘輸出應(yīng)遠(yuǎn)離晶體輸入，并且所有晶體跡線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。.電路板接地。在電路下面進(jìn)行牢固的接地是很重要的，射頻和集成電路(IC)接地應(yīng)彼此分開(kāi)。(5.)匹配元件布置。所有匹配的元件彼此應(yīng)盡量正交放置在接地平面上，如果可能的話，它們的并聯(lián)匹配元件都應(yīng)彼此分離。（6）.天線設(shè)計(jì)部分。天線應(yīng)總是放置在“自由空間”（無(wú)交流電源接地）內(nèi)并且應(yīng)使天線與接地層的距離至少為5mm。如果使用環(huán)路天線，必須進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)。（7）.去耦合電容布置。去耦合電容必須盡可能靠近Vs和地。英飛凌的TDA52xx是一種專門用于短程遙控的單片接收器。超外差接收器（SHR）的基本結(jié)構(gòu)由低噪聲放大器（LNA）和前端的混頻器構(gòu)成，IC進(jìn)行了高度集成并且只需很少的外部元件。該器件包括一個(gè)低噪放大器（LAN）、雙平衡混頻器、完全集成的壓控振蕩器（VCO）、PLL合成器、晶體振蕩器、帶RSSI發(fā)生器的限幅器、PLLFSK解調(diào)器、數(shù)據(jù)濾波器、數(shù)據(jù)比較器（分割器）和峰值檢波器等。此外，該器件還具備斷電功能以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。采用英飛凌TDA52xx接收器需要考慮以下因素。圖3：英飛凌的TDA5210超高頻（UHF）接收器的框圖（1） .用SAW濾波器克服外界干擾。為提高選擇性和鏡頻抑制比，可在天線和LAN入口之間放置一個(gè)SAW前端濾波器。這樣即可有效克服帶外干擾信號(hào)造成接收器堵塞的問(wèn)題。窄帶前端SAW濾波器的功率，必須與輸入側(cè)的天線和位于輸出側(cè)的LNA相匹配，以獲得扁平通帶、低插入損耗和良好的抑制效應(yīng)。所有的PCB跡線都要盡可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由SAW濾波器供應(yīng)商推薦的輸入和輸出匹配元件的值可以作為一個(gè)很好的參考指南。（2） .提高接收器的靈敏度。有很多可能影響到接收器靈敏度的因素，我們可以對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)以使接收器的靈敏度最優(yōu)化。為獲得更好的靈敏度和接收器性能，從前端匹配、LNA/Mixer電路、中頻濾波器和晶頻、到數(shù)據(jù)濾波器和數(shù)據(jù)分割器都要進(jìn)行