輪胎壓力監測系統無線數據傳輸的設計與實現

當前，針對汽車安全的輪胎壓力監測系統TPMS(Tire Pressure Monitoring System)正逐步走向市場，成為汽車里面的標準配置，為保護駕車人以及行人的生命安全發揮著不可替代的作用。

在主動式的TPMS中，需要把監測到的壓力、溫度等數據實時地傳到控制臺去。壓力監測模塊通常是安裝在氣門嘴上或者是利用緊箍扣安裝在輪轂上，故這兩種安裝方式監測到的數據都只有通過無線通信才能傳輸到駕駛室內的接收裝置，以便及時提醒駕駛員注意輪胎壓力的變化，避免可能發生的事故。

在TPMS實際使用過程中，不可能頻繁地拆卸輪胎來為發射模塊更換電池，故需要做到壓力監測模塊與輪胎同壽命。這就對發射模塊的功耗提出了很苛刻的要求，既要求具有盡可能大的發射功率，能夠把信號及時準確地傳輸到接收端；又要求發射時所需要的能量盡可能的小，少消耗電池的能量，相應地延長發射模塊的使用壽命。這樣，就要求在實際的設計中盡可能地選擇發射效率高的芯片，并且外圍接口電路越少越好，多方面地綜合降低系統的功耗。

由于輪胎內惡劣的運行環境，給信號的發射和接收都帶來許多困難，這對芯片的功耗、溫度等參數要求很高。目前市場上能夠提供此類無線發射、接收芯片的廠家主要有MAXIM、ATMEL、Infineon、freescale等公司，根據實際的使用需要，綜合考慮幾類產品在功耗、抗干擾等方面的因素，本設計選擇Infineon公司的發射芯片TDK5110和接收芯片TDA5210，傳感器芯片選擇Infineon公司的SP12。

1 發射芯片電路設計

單片ASK/FSK發射芯片TDK5110的工作頻段為433MHz～435MHz，此為 ISM(Industrial Scientific Medical Band)頻段。TDK5110內部集成了PLL，且具有一個高效的功率放大器來驅動發射天線，芯片的工作溫度范圍為-40～125℃，電源電壓范圍為 2.1～4V[2]，完全滿足汽車輪胎上要求的溫度及電壓范圍。

TDK5110提供了ASK和FSK兩種數據調制方式。ASK非常容易受到噪聲干擾，FSK在抗干擾方面要優于ASK，而輪胎所處的特殊運行環境，受到的干擾很多。所以本設計采用FSK的數據調制方式。TDK5110的芯片內部主要包含發射功率放大器(PA)、晶體振蕩器(OSC)、壓控振蕩器 (VCO)、相位檢波(PD)電路、分頻器、回路濾波器(LF)、FSK開關等[2]。芯片的外圍設備元器件較少，有利于系統成本的降低，也方便了系統的參數設置與調試。

本設計中發射芯片的中心頻率為434MHz，采用13.56MHz的外接晶振，通過鎖相環32倍頻得到434MHz。發射天線的選擇既可以是單端天線，也可以是PCB印制天線，由于輪胎內對整個發射模塊的重量有所限制，所以最好選擇PCB 印制天線。為獲得好的性能，設計電路板時，天線環包圍的面積應盡可能大，越靠近環的邊沿，場的密度越高，所以設計的形狀近似于一個正方形[6]。

TDK5110提供三種功率模式：低功耗模式(Power Down Mode)、PLL使能模式(PLL Enable Mode)和發射模式(Transmit Mode)[2]。在低功耗模式下，整個芯片都停止工作，電流消耗的典型值在85℃時為14nA；在PLL使能模式下，PLL開始工作而功放(PA)并未啟動，PLL的啟動時間主要取決于外接的晶振大小，一般小于1毫秒，電流的消耗為4mA；在發射模式下，芯片的所有部分都開始工作，電流消耗的典型值為 14mA。當然，在實際的使用過程中，芯片大部分時間處于低功耗模式，就是在汽車的行駛過程中，數據也是間歇傳出來的。所以可以通過軟件設置一些發送模式及發射數據的頻率，以期有效地降低系統的功耗。本設計采用FSK的數據調制方式，所以根據圖1所示的FSK調制的時序邏輯圖，整個芯片的外圍電路連接如圖 2所示。其中，CLKOUT是與單片機同步的時鐘信號，FSKDATA是與單片機的TXD引腳相連的信號，而PDWN和ASKDATA引腳則和單片機的兩個I/O引腳相連，通過軟件可控制數據的發送模式。