轮胎压力监测系统无线数据传输的设计与实现

当前，针对汽车安全的轮胎压力监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)正逐步走向市场，成为汽车里面的标准配置，为保护驾车人以及行人的生命安全发挥着不可替代的作用。

　　在主动式的TPMS中，需要把监测到的压力、温度等数据实时地传到控制台去。压力监测模块通常是安装在气门嘴上或者是利用紧箍扣安装在轮毂上，故这两种安装方式监测到的数据都只有通过无线通信才能传输到驾驶室内的接收装置，以便及时提醒驾驶员注意轮胎压力的变化，避免可能发生的事故。

　　在TPMS实际使用过程中，不可能频繁地拆卸轮胎来为发射模块更换电池，故需要做到压力监测模块与轮胎同寿命。这就对发射模块的功耗提出了很苛刻的要求，既要求具有尽可能大的发射功率，能够把信号及时准确地传输到接收端；又要求发射时所需要的能量尽可能的小，少消耗电池的能量，相应地延长发射模块的使用寿命。这样，就要求在实际的设计中尽可能地选择发射效率高的芯片，并且外围接口电路越少越好，多方面地综合降低系统的功耗。

　　由于轮胎内恶劣的运行环境，给信号的发射和接收都带来许多困难，这对芯片的功耗、温度等参数要求很高。目前市场上能够提供此类无线发射、接收芯片的厂家主要有MAXIM、ATMEL、Infineon、freescale等公司，根据实际的使用需要，综合考虑几类产品在功耗、抗干扰等方面的因素，本设计选择Infineon公司的发射芯片TDK5110和接收芯片TDA5210，传感器芯片选择Infineon公司的SP12。

　　1 发射芯片电路设计

　　单片ASK/FSK发射芯片TDK5110的工作频段为433MHz～435MHz，此为 ISM(Industrial Scientific Medical Band)频段。TDK5110内部集成了PLL，且具有一个高效的功率放大器来驱动发射天线，芯片的工作温度范围为-40～125℃，电源电压范围为 2.1～4V[2]，完全满足汽车轮胎上要求的温度及电压范围。

　　TDK5110提供了ASK和FSK两种数据调制方式。ASK非常容易受到噪声干扰，FSK在抗干扰方面要优于ASK，而轮胎所处的特殊运行环境，受到的干扰很多。所以本设计采用FSK的数据调制方式。TDK5110的芯片内部主要包含发射功率放大器(PA)、晶体振荡器(OSC)、压控振荡器 (VCO)、相位检波(PD)电路、分频器、回路滤波器(LF)、FSK开关等[2]。芯片的外围设备元器件较少，有利于系统成本的降低，也方便了系统的参数设置与调试。

本设计中发射芯片的中心频率为434MHz，采用13.56MHz的外接晶振，通过锁相环32倍频得到434MHz。发射天线的选择既可以是单端天线，也可以是PCB印制天线，由于轮胎内对整个发射模块的重量有所限制，所以最好选择PCB 印制天线。为获得好的性能，设计电路板时，天线环包围的面积应尽可能大，越靠近环的边沿，场的密度越高，所以设计的形状近似于一个正方形[6]。

　　TDK5110提供三种功率模式：低功耗模式(Power Down Mode)、PLL使能模式(PLL Enable Mode)和发射模式(Transmit Mode)[2]。在低功耗模式下，整个芯片都停止工作，电流消耗的典型值在85℃时为14nA；在PLL使能模式下，PLL开始工作而功放(PA)并未启动，PLL的启动时间主要取决于外接的晶振大小，一般小于1毫秒，电流的消耗为4mA；在发射模式下，芯片的所有部分都开始工作，电流消耗的典型值为 14mA。当然，在实际的使用过程中，芯片大部分时间处于低功耗模式，就是在汽车的行驶过程中，数据也是间歇传出来的。所以可以通过软件设置一些发送模式及发射数据的频率，以期有效地降低系统的功耗。本设计采用FSK的数据调制方式，所以根据图1所示的FSK调制的时序逻辑图，整个芯片的外围电路连接如图 2所示。其中，CLKOUT是与单片机同步的时钟信号，FSKDATA是与单片机的TXD引脚相连的信号，而PDWN和ASKDATA引脚则和单片机的两个I/O引脚相连，通过软件可控制数据的发送模式。

2 接收芯片电路设计

　　与TDK5110相对应的接收芯片为TDA5210，TDA5210是低功耗的单片FSK/ASK 超外差接收芯片，工作在ISM的810MHz～870MHz以及400MHz～440MHz频段。芯片的集成度高，所需要的外设较少，有利于用户的设计。此芯片内有低噪声放大器(LNA)、双平衡混频器(mixer)、压控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、晶振、限幅器(limiter)、锁相环 FSK解调器(PLL FSK demodulator)、数据滤波器(data filter)、数据限幅器(data slicer)、峰值检波器(peak detector)等电路[3]。

本接收端选择FSK数据调制方式，此时电流的消耗为5.9mA，接收灵敏度为-100dBm，在低功耗模式下电流消耗为50nA。

　　接收天线选择鞭状天线，其长度为λ/4(λ为其接收信号的波长)，接收信号的频率为434MHz，故天线长度大约为17.3cm，此天线接收信号很灵敏。信号通过天线接收到以后，通过一个LC滤波器进入LNA(低噪声放大器)，把一个微弱的信号放大。由于LNA本身具有噪声，故需要通过第二个LC滤波网络进行滤波，然后进入混频器，与晶振通过锁相环倍频的信号进行混频，混频后的信号通过中频滤波器(IF filter)进入限幅器。再经过数字滤波器、数据限制器送入单片机作进一步的解码处理。接收端的单片机选择NEC公司的78F0034单片机[7]。接收芯片的外围接口电路如图3所示。

LNA主要是把天线接收到的微弱信号放大，理想的放大器希望只放大期望信号的幅度，而不放大任何失真信号和噪声信号，但实际上信号在通过LNA时都不可避免的产生噪声。这就需要在LNA的前后都加上滤波网络，若参数匹配合适，可以有效地滤除接收进来的杂波，提高信噪比。

接收端要同时接收来自四个车轮的数据信息，如何区分数据信息来自于哪个轮胎，就需要给轮胎编上序号。Infineon的传感器芯片SP12就为每一个传感器编了一个惟一的序号，这使得在提取每一个传感器的相关信息时，首先读取该传感器的序号，据此就可以确定轮胎的位置[1]。

　　3 系统的软件设计

　　 系统启动后，通过发射模块内的单片机读取传感器芯片所测量到的胎内压力、温度、电池电压以及加速度等，然后把这些信息和传感器的序号通过发射模块TDK5210发送出去。传感器芯片与单片机之间的数据传输主要通过SPI总线协议完成[1]。

　　汽车启动后，接收端上电开始工作，通过接收发射端传输过来的相关数据信息，实时地监测轮胎内的压力变化情况。当压力低于某一个设定的阈值时，通过警报方式提醒驾驶人员的注意，以便采取相应的措施。

　　轮胎压力监测系统中无线数据传输问题是整个TPMS系统的关键部分，本设计在实验室条件下已经取得了预期的效果。由于实际的环境条件远比实验室复杂，所以要在实际的生产中使用，还需要更多次实验以及现场调试，并在此基础上作一些调整与改进。