汽车胎压监测系统发射模块设计

　　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[3]。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[4]。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。

　　本设计采用的数据帧格式如表1所示，前导码和停止位用于标识一帧数据的开始和结束。设备ID是轮胎发射模块的全球唯一标识，以区别不同的轮胎。状态信息包含了电池供电情况(SP30有低电压检测)和传感器测量故障情况，校验和用于检测数据发送的正确性。

　　② 如何避免发送冲突

　　设计中我们采用了一种基于素数的动态时延算法。当检测到有效加速度信号后，四个轮胎发射模块被唤醒并启动压力和温度检测程序。数据检测完成后分别按素数进行动态延时，延时时间一到再把数据发送出去，发送完毕自动关闭发送器，开始新一轮数据检测。各轮胎延时参数配置如下：左前轮胎发射模块延时按250ms×N1(N1=2，19)周期变化，右前轮胎发射模块延时按250ms×N2(N2=3，17)周期变化，左后轮胎发射模块延时按250ms×N3(N3=5，13)周期变化，右后轮胎发射模块延时按250ms×N4(N4=7，11)周期变化，N1、N2、N3、N4分别取不同的素数[5]。这种基于素数动态延时的算法既能有效避免各发射模块发送冲突，又能降低能耗，延长电池寿命。

　　③ 如何节能

　　由于发射模块采集数据和发射数据帧时耗电最大，因此在保证数据传输正确的前提下应尽可能减少发射频率和每次发射的数据帧数，发射模块软件流程如图4所示。SP30内部集成有加速度传感器，当检测到车子静止时间超过1小时就自动进入低功耗休眠模式(电流为微安级)，此时不再进行数据检测和发射。当车子运动后加速度信号将发射模块唤醒，数据采集完成后启动基于素数的动态时延算法，即按250ms×N(N为小于20的随机素数)延时后再将数据发送出去。实际测试表明，通过工作模式的灵活转换和减小发射频率能够有效控制发射模块的使用寿命。

　　性能测试

　　本设计方案已在产品设计中得到应用，经反复测试具体性能指标如下：

　　● 可监测胎压范围为0~3.5Bar，分辨率25mBar，通常轿车的轮胎气压在2.2Bar～2.8Bar之间;

　　● 可监测温度范围：-40～125℃，分辨率2℃，轿车的轮胎温度一般在75℃左右;

　　● 轮胎压力传感器发射功率用频谱分析仪测得在-45dBm左右;

　　● 采用500mAh的电池，若每天正常行车12小时，发射模块可正常工作5年以上。

　　结语

　　本文设计并实现了一种直接式轮胎压力监测系统发射模块。基于SP30传感器和MAX7044发射器的发射模块集成度高，体积小，能同时监测汽车行驶时轮胎气压、温度和电池电压三个关键参数。当轮胎出现漏气、过压以及温度过高等异常情况时，能自动及时报警，保障行车安全。

　　参考文献：

　　[1]温瑞.汽车胎压监测系统发射模块设计[J].自动化技术与应用, 2008,28(7):80-81

　　[2]Infineon.Tyre Pressure Monitoring Sensor SP30 user manual[EB/OL]. http://www.infineon.com/cms/en/product/findproductTypeByName.html?q=sp30

　　[3]Maxim.300MHz to 450MHz High-Efficiency,Crystal-Based +13dBm ASK Transmitter MAX7044 datasheet[EB/OL].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX7044.pdf

　　[4]Maxim.MAX7044 Evaluation Kit[EB/OL].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX7044EVKIT.pdf

　　[5]肖文光.基于ZigBee技术的新型TPMS设计[J].今日电子,2009(10):42-43