汽车胎压监测传感器研究

摘要：对汽车胎压监测传感器系统进行研究，当轮胎气压和温度发生异常时实时提醒驾驶者，提高汽车安全行驶性能。从系统、硬件、天线、软件和结构等设计方面进行阐述。系统经过实车测试达到预期效果，能实时监测汽车4个轮胎的压力和温度值，当轮胎压力或温度超出标准范围时，能及时提醒驾驶者停车检查轮胎情况。
关键词：胎压监测；传感器；汽车安全；SP300V2．1-E106-0

1 系统描述
在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器，它能够准确测量轮胎内部的压力和温度，传感器通过无线形式按照一定的规律向车身控制器(Body Control Model，BCM)发送轮胎的压力值和温度值，BCM通过CAN总线将信息帧发送给仪表盘，驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值，仪表盘能够准确显示报警轮胎的位置，并发出图形、声音、文字报警。同时安装于每个轮胎挡泥板位置处的低频天线与BCM进行信息通信，并将BCM需要汽车胎压监测传感器何种操作信息解析并转换为125 kHz低频无线数据发射出去，汽车胎压监测传感器将接收此低频无线信号，然后按照解析后的操作信息进行工作。以上就是TPMS双向通信系统。由于该产品是汽车产品安全件，其应在各种环境下具有高可靠性，各种环境为：各种天气情况下，例如阴天、下雨等不同天气环境；各种路况，例如国道、高速、乡村公路、山路等等；冬季中的雪路、冰面、极其寒冷地区(-40℃)；夏季中的炎热、潮湿地区(地表温度+50℃，90％湿度)；不同的车速(0～200km／h)等。这就需要在设计汽车胎压监测传感器时要严格选择各个器件。

2 电路设计
由于汽车胎压监测传感器是安装在轮胎内部，不与外界接触，这就要求不能过于频繁地维护修理，一般要求有10年使用工作寿命，而且其工作温度范围为-40～+125℃，这就要求所选择的器件都要是汽车级和低功耗元器件。
汽车胎压监测传感器系统组成框图如图1所示。

2．1 传感器选择
MCU／Sensor是系统的核心，由Infineon公司的SP300V2．1-E106-0实现。SP300V2．1-E106-0整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器与加速度传感器和一个电池电压监测器，并内部集成一个低功耗8位哈佛结构的RISC控制器；它具有下电、运行、空闲、关断4种工作模式，并有IT／LT唤醒、PORT唤醒和LF低频检测唤醒3种唤醒方式，能够有效地满足系统低功耗设计要求。压力测量范围0～3．5 Bar；温度测量范围-40～+125℃；向心加速度测量范围-12g～115g；工作电压范围1．8～3．6 V。
2．2 射频单元选择
RF射频芯片主要用于将数字信号转换为高频信号。系统采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作电压为+2．1～+6．0 V，8 mA的低工作电流，00K／ASK调制方式，通信速率能达到100 kbps，小封装3 mm×3 mm，8引脚S0T23封装。它消除了基于SAW发送器设计的问题；采用晶体结构，提供了更大的调制深度和快速的频率响应机制；降低了温度的影响，温度范围可达-40～+125℃。其内部包含功率放大器(PA)、晶体振荡器(crystal oscillator)、驱动器(driver)、数据有效检测电路(data activity detector)、锁定检测电路(10ck detect)、锁相环(32xPLL)、分频器(16分频)等电路。
MAX7044有一个自动的低功耗模式(shutdown mode)控制方式。如果DATA引脚在一个确定的时间(等待时间)内没有动作，器件自动进入低功耗模式。等待时间大约是216个时钟周期，在433 MHz频率大约为4．84 ms。进入低功耗模式的等待时间为：。其中，fRF是射频发射频率。当器件在低功耗模式时，在DATA信号的上升沿“热”启动晶振和PLL，晶振和PLL在数据发射前需要220μs的建立时间。基准频率和载波频率的关系为：fXTAL=fRF／32。
MAX7044的主要特性参数如下：
◆+2．1～+3．6 V单电源供电
◆OOK／ASK发射数据格式
◆最大数据率100 kbps
◆+13 dBm输出功率(50 Ω负载)
◆供电电流低(典型值7．7 mA)
◆250μs快速启动时间
由MAX7044构成的发射电路图如图2所示，实际设计时根据天线的实际阻抗和射频发射芯片输入阻抗，利用π型匹配网络完成射频发射芯片和天线之间的阻抗匹配，以达到最大功率输出。