汽车胎压监测系统发射模块设计[图]

汽车胎压监测系统(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。TPMS系统可分为间接式和直接式两种。间接式是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。直接式利用安装在每一轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的接收器上。

目前直接式TPMS发射模块较多采用以下两种方案：一种是电池+单片机+传感器+射频芯片，另一种是电池+内部集成MCU(微控制器)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主流的产品设计形式。由于幅移键控(ASK)信号调制模式具有功耗低、灵敏度高以及低成本的优点，本文选用基于ASK模式的MAX7044作为发射芯片，英飞凌公司的SP30作为传感器设计完成了一种新型胎压发射模块。

发射模块硬件设计

发射模块硬件主要由传感器SP30、MAX7044、电池和天线组成，如图1所示。内部集成MCU的传感器SP30通过串行通信接口把数据送给MAX7044发射出去，电池为二者供电。本设计中所选用的器件工作温度均为汽车级(-40～+125℃)，以满足轮胎内发射模块复杂恶劣环境下可靠工作的要求。该方案遵循欧洲标准，无线信号调制中心频率为433.92MHz。

SP30应用设计

SP30是英飞凌公司推出的胎压检测专用传感器芯片，内部不但有压力、温度、加速度和电池电压传感器，而且集成了一个8位哈佛结构的RISC单片机，工作电压范围1.8~3.6V，压力测量范围0~3.5Bar，温度测量范围-40~+125℃，应用电路如图2所示。SP30外围器件很少，只需要接一个3V的电池和滤波电容即可。

SP30可在四种模式下工作，即低功耗模式、空闲模式、运行模式和热关断模式。其中，低功耗模式功耗最小，所以SP30应尽可能处于该工作模式，以保证电池有较长的使用寿命。P14和P15为串行通信口，P14为串行数据，P15为MAX7044提供的外部时钟，时钟频率为847.5kHz ，P17无用接地。XP1为调试接口。

MAX7044射频应用设计

无线发射芯片是发射模块可靠工作的关键。由于发射模块安装在轮毂上，采用能量有限的锂电池供电，因此发射芯片的选型需具有以下两个特点：

● 功耗低，支持ASK调制，有多种工作模式，便于根据具体工作状态进行功耗管理，以尽可能延长电池的使用寿命;

● 芯片最小可工作电压低，且具有足够大的发射功率。

根据以上特点，并经过分析比较，我们最终选用了MAX7044这款性价比高的发射芯片。

MAX7044是Maxim公司生产的300MHz～450MHz频率范围内ASK调制芯片，最大输出功率+13dBm(50Ω负载)，供电电压最低2.1V工作，低功耗模式电流只有几十纳安，内部集成了功率放大器、晶体振荡器、锁相环等电路，采用8引脚SOT23小封装设计。应用电路如图3所示，主要包括电源去耦电路、晶振电路和天线匹配电路三部分。由于RF(射频)芯片对电源的噪音非常敏感，恰当有效的电源去耦电路能很好的抑制噪音，提高可靠性，因而靠近3V电源引脚配置了去耦电容C5。MAX7044常用调制频率有315MHz和433.92MHz两种，不同调制频率所选用的晶振也不同。调制频率fRF和所选晶振频率fXTAL的关系是：fXTAL=fRF/32 。本设计调制频率为433.92MHz，那么外部晶振频率G1应为13.56MHz，输出频率CLK-OUT为晶振频率16分频即847.5kHz。输出频率CLK-OUT用于给压力温度传感器SP30内部的微控制器提供操作时序。MAX7044功率放大器(PA)的输出阻抗为125Ω，为与特定阻抗的天线相匹配必须配置阻抗变换电路，以减小发射功率损耗，提高天线效能。本设计采用气门嘴作为天线，C10用于抵消大部分天线感抗，C1、C2和L1组成了低通滤波器，可以抑制PA输出的高次谐波。L2用来抑制来自电源的射频干扰，C3为隔直电容。通过软件仿真和反复测试验证，最佳匹配电路如图3所示。

发射模块软件设计

因为受轮胎内空间和重量的限制，发射模块只能采用容量有限的微型电池供电，因此要保证单一发射模块2年以上的寿命必须考虑如何节能。此外，一辆轿车上不算备胎至少要配置四个发射模块，由于接收器不能同时接收多路无线信号，若有发射模块同时发射数据给接收器，则必然发生数据冲突，导致接收失败和功耗增加，所以如何避免发送冲突是软件算法要解决的又一关键问题。