基于SP37的汽车胎压监测设计与测试

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当汽车轮胎压力出现问题时，不仅会减少轮胎的使用寿命和增大油耗，甚至会导致爆胎等危险情况的发生。统计表明，目前我国高速公路上70%的交通事故为轮胎气压问题所引发。引发轮胎事故的原因比例为：轮胎气压过高占20%，轮胎气压不足占57%，其他为23%。车速在160公里以上时发生爆胎，死亡率近至100%。因此，爆胎已成为目前汽车交通事故的重大杀手之一。汽车胎压监测传感器能够实时准确地测量当前轮胎压力和温度值，当轮胎出现异常危险情况时，传感器将通过无线电信号发送给车汽车仪表显示并报警，达到实时提醒驾驶者的效果，将事故消灭在萌芽之中。
  
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433.92MHz射频无线形式按照一定的规律向汽车仪表发送轮胎的压力值和温度值，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，胎压监测传感器接收安装于每个轮胎挡泥板位置处125kHz低频天线数据信息，实现系统双向通信。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：阴天、下雨等不同天气环境；国道、高速、乡村公路、山路等各种路况；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。
  
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的维护修理，一般要求有10年或10万公里使用工作寿命，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。

图1 系统组成框图
系统分为采集部分、处理部分、驱动部分。采集部分为压力检测、温度检测、电压检测和运动检测。温度检测用于测量轮胎内部温度，也用于压力测量时的温度补偿。压力检测用于测量轮胎内部绝对压力；电压检测用于测量供电电池电压；运动检测用于监视汽车行驶状态；驱动部分为低频驱动和高频驱动组成。低频驱动负责125kHz低频数据接收，高频驱动负责433.92MHz高频数据发射；处理部分由MCU完成，负责按照一定算法策略协调采集部分和驱动部分工作。
本系统器件选择Infineon（英飞凌）公司的SP37，芯片内部集成了图1所有功能处理模块。SP37芯片具体性能为：工作电压1.9～3.6V；工作温度-40～+125℃；压力测量范围0～450kPa；Z轴运动加速度-115～+115g；温度测量-40～+125℃；电池电压AD检测；集成ISM波段315/434MHz射频发射；射频输出功率（50Ω负载）5～8dBm；硬件曼切斯特/双向编码RF发射；射频ASK/FSK调制方式；FSK频偏达50kHz；集成高灵敏度125kHz低频接收器；硬件曼切斯特低频解码；16bit硬件CRC生成器；兼容8051指令的控制器；6KB Flash程序存储空间；16KB ROM库函数存储空间；256Byte RAM数据存储空间；Power Down、Idle、Run和Int四种工作模式；间隔定时器、低频接收或外部管脚中断三种唤醒模式；8bit硬件随机数发生器；看门狗定时器；3个I/O端口。
基于SP37的电路原理图如图2所示。

图2　SP37电路原理图
1 高频电路设计

系统高频工作频率选用欧洲胎压监测系统指定波段433.92MHz，SP37内部集成VCO及PLL，高频频率是24倍频外部晶体频率，故选用汽车级18.08MHz无源晶体，负载电容8pF，晶体连接如图2所示。由于FSK根据用数字信号1或0调制不同的载波频率，抗噪声和衰减性好，而ASK根据数字信号1或0开通或断开载波，但其抗噪声能力较差，易受干扰，所以系统选用FSK调制方式。SP37选择内部电容方式调制FSK，通过设置XTAL1和XTAL0寄存器参数，将频偏调到50kHz，中心频点433.92MHz。
SP37内部集成射频PA发射单元，其输出阻抗为15.02+j53.219Ω，通过π型匹配电路进行阻抗匹配，再通过ADS软件仿真计算出匹配值，具体数值见图2中射频匹配单元。图3是利用ADS软件进行Smith匹配圆图的结果。

射频功率输出有3个等级，即1PA、2PA和3PA，功率从小到大。本系统通过设置RFTX.PAOP为11b，采用3PA放大功率，使频谱仪测试RF输出功率达10.52dBm。

2 低频电路设计

LF低频通信负责SP37接收低频信息。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成。为了达到最优低频接收灵敏度，电感和电容谐振频率设计为低频载波频率125k H z。低频电感采用普莱默（PREMO）公司TP1103-0477，电感量4.77mH，电容值为：

并联电阻R主要用来减少L C D谐振电路品质因数Q 值， 达到低频足够带宽（ 7 . 8 k H z ） 。谐振电路品质因数Q = f c/ B W = 1 2 5 k H z /（2×3.9k H z）=15，这就要求L F谐振电路品质因数Q不能大于15。可以计算电阻R=Q×X L=15×2π×f c×L=49.5k Ω。具体电路见图2低频接收单元。
由于S P37低频接收波特率硬件设定为3.9k b p s的曼切斯特编码。图4为低频载波数据传输和曼切斯特编码之间关系。

由于硬件已被固化为3.9k b p s曼切斯特码波特率，通过计算L F每个发送位时间为3.9kbps×2=7.8kbps。
低频接收信息帧格式如图5所示。

射频数据传输需按照此格式进行信息交互。首先发送引导位32位，接着是18位的同步码，之后是按照曼切斯特编码方式发送唤醒ID、用户DATA数据。
3 电池选择
电池选择日本M a x e l l电池公司推出的高温系列电池(C R2450H R)，供电电压+3.6V，电池容量480m A h，具有特点：寿命特长、能量密度大、自放电极低、重量轻（8.8g）、温限宽（-55～+125℃）。

天线设计
天线的性能将直接影响数据传输的质量，它是汽车轮胎监测传感器发射功率提升的重要因素。汽车轮胎监测传感器的天线靠近气门嘴，因而在设计天线时必须考虑轮胎金属丝的屏蔽，轮辋金属的反射影响，以及车轮高速旋转时天线不断变换方向、角度的影响等，所以天线设计时必须考虑以下因素：线极化容易受到天线姿态的影响，旋转的车轮对天线的工作极化要求相对较高；天线与射频模块连接，需要解决好阻抗匹配的问题，这也是天线设计的重点；由于轮胎压力传感器安装在轮胎内，受到车身、天线运动等对性能的影响；小型化设计，安装在轮胎内部的天线，必须考虑小型化设计，433.92M H z的工作频率，波长为691.37m m，常规的天线尺寸一定不能满足要求。

基于以上考虑，我们考虑选用气门嘴作为发射模块的天线，这种天线具有加工容易、成本低、易于一体化设计、易于匹配等优点。气门嘴安装方式如图6所示。

气门嘴天线是国内外目前汽车轮胎监测传感器常用的天线形式，它属于电小天线的范畴。电小天线的设计重点在于结构尺寸的设计和匹配电路的设置，因为电小天线的辐射电阻一般比较小（几欧姆），导致电小天线的辐射效率一般比较低，而且辐射阻抗中的往往存在虚部，这种储能因素将导致辐射效率进一步降低。虚部可以通过匹配电路予以解决，但实部电阻需要与发射芯片的射频输出管脚的阻抗进行匹配，这也是发射电小天线的设计重点。本方案采用的天线加载方式，通过内部匹配黄铜片进行加载，其类似于倒F天线加载方式，经过台架试验和路试试验后表明我们的设计思路和匹配方法是有效的。


软件设计
系统具有的软件功能：周期性测量轮胎压力、温度值；可变周期性发射轮胎压力、温度值；低频射频数据接收处理；气压高报警功能；气压低报警功能；温度高报警功能；快漏气报警功能；电池电压低报警功能；传感器无信号报警功能。系统要求具备10年长的寿命，要达到如此长的使用年限，一般状态下系统都处于休眠状态，静态电流只有0.6μ A。系统休眠状态可通过低频L F中断或间隔定时器中断来唤醒。系统软件框架流程图如图8所示。

S P37内部R O M自带底层库函数（Library Function），用户可以直接调用库函数。库函数的使用大大简化了程序员软件开发难度而且软件可靠性也得到增强。库函数包含传感器测量函数、低频接口控制函数、高频接口控制函数和其他处理函数。其中，传感器测量函数包含：测量压力或运动加速度M e a s_P r e s s u r e函数、测量温度M e a s_T e m p e r a t u re函数、测量电池电压Meas_Supply_Voltage函数、测量加速度Meas_Acceleration函数；低频接口控制函数包含：低频波特率校准LFBaudrateCalibration函数；高频接口控制函数包括：使能晶体工作S t a r t X t a l O s c函数、停止晶体工作St o p X t a l O sc函数、VCO工作V C O_T u n i n g函数、发射R F帧
S e n d_R F_T e l e g r a m函数；其他处理函数包括：P o w e r d o w n函数、CRC8校验CRC8_Calc函数、CRC16校验C R C16_C h e c k函数、读取设备标识码R e a d_I D函数、16位数据乘S M u l I n t I n t函数、间隔定时器校准IntervalTimerCalibration函数、获取硬件版本号FW_Revision_Nb函数。
由于安装在每个轮胎内部的轮胎压力传感器会存在同时发射高频数据可能性，数据之间会产生射频干扰，从而导致B C M控制器射频接收端无法收到正确的数据，这即是数据冲突。数据冲突是随机产生的，因而无法避免，但是要在产生冲突后将再次产生数据冲突的概率降低，避免造成连续的数据冲突。目前，系统在每个发射高频数据帧之间增加一段随机延时，随机延时的时间为数据帧时间长度的质数倍，即3倍、5倍、7倍、11倍和13倍。这样，如果前面有模块发生了数据冲突，则只有当发送冲突的模块的随机延时时间相同时才会再次产生数据冲突，此概率为4%。
结构设计
轮胎压力传感器安装在汽车轮胎内部，由气门嘴、壳体和防尘帽组成。汽车行驶速度最高可达250k m/h，而且轮胎内部环境复杂且异常恶劣，长期处于高压、高湿、温度交变、油污、颠簸震动等环境中。温度高低变化容易使壳体脆化并使机械强度降低，高湿情况下也会使壳体发生膨胀、强度降低并产生腐蚀等化学反应。轮胎行驶在各种路面上，颠簸震动频率幅度都各不相同，这些情况都可能导致零部件松脱。这就要求系统结构设计考虑如下几点：系统总重量要轻（小于40g）、耐速旋转加速度性能高、结构断裂强度高、密封性高（I P6防护等级）、结构和气门嘴材料
选择耐高低温和耐腐蚀材料、气门嘴与轮辋接合处有防松动设计。
结论
轮胎压力传感器无论台架试验还是各种情况的道路测试，系统保持高可靠性，系统低频收发准确率和高频收发准确率达到98%，当轮胎出现异常危险情况时，汽车仪表盘显示相关报警信息，实时提醒驾驶者，将因轮胎气压问题造成的事故消灭在萌芽之中，增强了汽车行驶的安全性。本系统成功应用将会对汽车行驶安全系统带来更高使用价值和社会价值。