汽车胎压监测传感器研究

删嵩怎嚣戎攀：鬻一=芑篙争。雌_““产?‰。精‘：!，?艺+脚窖：薯乏yb铀 ： ‘“ ， ：⋯；rj-|t，。，，|o。：一毫7．一?、“。：盘。》扎；o志黔一。：+‰。 =i；掣瘫嚣～。””醅“霉：‘4坷篡’：。?”47 u；；。’二；巍‘。o．k+o：≮矗=：、1 汽车胎压监测传感器研究 李栋梁，李武屹。吴义保，秦浩 (中国电子科技集团第三十八研究所汽车电子工程研究中心，合肥230088) 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；SP300V2．1一E106—0 中图分类号：TP216 文献标识码：B ResearchonAutomotiveTirePressureMonitoringSensor LiDongliang，LiWuyi，WuYibao，QinHao (AutomotiveEngineeringResearchCenter，38thInstitute，ChinaElectronicsTechnologyGroup，Hefei230088，China) Abstract：Thispaperstudiesautomotivetirepressuremonitoringsensorsystemwhichremindsdriversinrealtimewhenabnormaltire pressureandtemperatureOCCUr，toimprovetheperformanceofsafetydriving．Thispaperdescribesthedesignofthesystem，hardware， antenna，softwareandstructureamongothers．Thesystemachievesdesiredeffectbyrealvehicletesting，andcanmonitorthepressure andtemperatureofthevehicle’Sfourtiresinrealtime．Whenthetirepressureortemperatureexceedsthestandardrange，itcanremind thedrivertocheckthetireconditionintime． Keywords：tirepressuremonitoring；sensor!automotivesafetySP300V2．1一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(BodyControlModel， 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125kHz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(0～200 kin／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 工作温度范围为一40～ +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 图1 系统组成框图 MCU／Sensor是系统的核心，由Infineon公司的 SP300V2．1一E106—0实现。SP300V2．1一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 paper@mesnet．com．cn(投稿专用) 2011g-g2期 羊谤机舶入式条髓l应甩 15 万方数据 腚 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0～3．5Bar；温度测量范围一40～ +125℃；向心加速度测量范围一129～1159；工作电压范 围1．8～3．6V。 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～+6．0V，8mA的低工作电流，00K／ASK调制 方式，通信速率能达到100kbps，小封装3mm×3mm， 8引脚SOT23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，温度范围可达一40～ +125℃。其内部包含功率放大器(PA)、晶体振荡器 (crystaloscillator)、驱动器(driver)、数据有效检测电路 (dataactivitydetector)、锁定检测电路(10ckdetect)、锁相 环(32xPI。I^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433MHz频率大约为 4．84ms。进入低功耗模式的等待时间为：t。。盯一 016Voo生芦。其中，f。是射频发射频率。当器件在低功耗模 IRF 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220Ⅱs的建立时间。基准频 率和载波频率的关系为：f。，。。一fRF／32。 MAX7044的主要特性参数如下： ◆+2．1～+3．6V单电源供电 ◆00K／ASK发射数据格式 ◆最大数据率i00kbps ◆+13dBm输出功率(50Q负载) ◆供电电流低(典型值7．7mA) ◆250／Ls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：芷：片输入阻抗，利用 兀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。 2．3 电池选择 电池选择以色列Tadiran电池公司推出的高温系列 电池(TLH)，供电电压+3．6V，电池容量500mAh，具有 寿命长、能量密度大、自放电极低、重量轻(8．8g)、温限宽 (一55～+125℃)等特点。 2．4低频接口与计算 LF低频通信中，SP300V2．1一E106—0接收来自BCM 发出低频信息。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成， 如图3所示。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125kHz。谐振频 率计算为fc一 (2uv／-丽)～。低频电感采 用普莱默(Premo)公司 TPll03—0477，电感量 4．77mH，通过上述公式推 导计算电容值： 4．77mH 49．5162 。。330pF n、13 IN4 IN2 P10 INl Pll P14MSDA P15MSCL P17 VDD VSSVSS SP300V2．1．E106．0 图3 低频硬件电路示意图 c一(去)‘／L一 (万百可页蠢汉丽瓦)／(4．77×10。3H)一 3．398×10“F≈330pF 并联电阻R主要减少LCD谐振电路品质因数Q (QualityFactor)值，达到低频足够带宽(7．8kHz)。谐振 aaN品NNttQ一南=丢器一15，这就要求LF 谐振电路品质因数Q不能大于15。可以计算电阻R—Q XXL一15×2,tXfoXL----49．5kfl。 由于SP300V2．1一E106—0低频唤醒和接收波特率 硬件设定为3．9kbps的曼彻斯特编码。图4为低频载波 数据传输和曼彻斯特编码之间关系。 图2 MAX7044电路图 LF 传输位 曼彻斯特 编码位 酷瑚 图4 曼彻斯特编码和LF载波传输关系图 由于硬件已被固化为3．9kbps曼彻斯特码波 特率，通过计算LF每个发送位时间为3．9kbps×2 —7．8kbps。 16 Microcontrollers＆EmbeddedSystems2017年第2期 WWW．mesnet．C0m．cn 万方数据 ⋯＆。i吲?¨tp卅“一吣4》”E?m一⋯?。毽。一一r—i”“。，p⋯。带v卅o：：。“oo“曙’●r’“一母亨鼍氆一：一 ．≮。i。 ～- ，， ．。 ．一： ⋯ “一t‘-8： 3 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：极化选择，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，主要是指对天线的增 益、方向图形状、阻抗(电阻和电抗)等的影响；小型化设 计，安装在轮胎内部的天线，必须考虑小型化设计，433．92 MHz的工作频率，波长为691．37inm，常规的天线尺寸一 定不能满足要求。 基于以上考虑，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Q)，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 出引脚的阻抗进行匹配，这也是发射电小天线的设计重 点。本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，如图5所示。经 过台架试验和路试，表明我们的设计思路和匹配方法是 有效的。 射频输出 。＼ 弦 I 血带传输线 I l气门嘴 l 倒F天线 图5 气门嘴天线示意图及等效倒F天线示意图 4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，BCM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lo年长寿命特性，系统要 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0．6肛A，系统休眠状态可通过低频LF 中断或定时器中断来唤醒。系统软件框架如图6 所示。 图6 系统软件框架 SP300V2．1一E106—0内部ROM自带底层库函数 (LibraryFunction)，用户可以直接调用库函数。 由于安装在车上每个轮胎内部的轮胎压力传感器会 存在同时高频数据发射可能性，在此期间数据之间会产生 射频干扰，从而导致BCM控制器射频接收端无法收到正 确的数据，即数据冲突。数据冲突由于是随机产生的，因 而无法避免，但是必须在产生冲突后再次产生数据冲突的 概率尽量低，避免造成连续的数据冲突。目前系统采取在 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，系统选择了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问相同时才会 再次产生数据冲突，此概率为4％。 5 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250km／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、颠簸振动等环境中，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Ⅲ paper@mesnet．com．cn(投稿专用) 2011年第2期平砖机名嵌入式条纯应冈 17 万方数据 unsignedlongkeyr32J ／／##口A#《q 4 2主机驱动与通信软件开发 Windowsq动#序模dfWindowsDriverModel． WDM)旨“提供#灵活的方式束简化菩种驱自程序的 "＆．#现W*H件∞直特．降低H动＆序"＆白勺复杂度。 基TWDM采ⅧDri“⋯Stlio"＆USB驱动程序，会自 动4戚一个Ⅲ动《序框架，在此基Ⅻ±罐加读写管道即可 i成％日程序的"&” USBⅫ信戟件采ⅢMFC编gt；日能目将hex 文件“十^进制的彤式发Ⅸ至USB．接收USB遁日∞数 据，升“}^进捌的形式＆m。采HDES程序标准测试 向目，萁中自*镕目K=lA624c89520DE州6，口女P 748502CD38451”7．密女(1一I)DOUI‘Eli783CF3FDE．在a 信软仲中代日T载＆验Ⅱ数据的收发如目d所*。按月 LⅡ原理，Ⅻ编日T#他若T％证《Jf井T拽iROM 十，徽控制器的执行结粜均t确；■ ．TOPICALDISCOSS霉-臣 目4*日T#Ⅱ§Ⅱ#镕∞＆＆ #}女m [I]F愀一ARMFrecARM7n镕j目[EB／OI](2009-n6— 12)[2nlo-伽Jhttp／，⋯⋯Ⅲacm／bhs／ vlewthreadphi?rid—z370＆cxtr6一“D1&page--1 口]AlteraProd叫Specification：CycloneFPGAFamilyData Sheet．2003一10 [日Opener,sUSBI F咖t吣nIPc。rc[OL](2007o； 221[zoloosjhttpz／／wwwol⋯∞r％。r“pr。Ie。husbl． funct [4jⅡ*《TARM∞☆#c*i*《EJ]*Jin；№^t{ #Ⅲm，zol0(8)74—75 [5]M¨一sAJ，OorwhotPf．v㈣啪"sAm月镕日{}Ⅲ rM2目目．T■．4##；m，』Ⅲ儿；＆#．2005 [明日f自■，{#．※’RWIzIZ000／XVTUSR**g自《B ⅢR々＆”[J]*#n18目*”2008，29f2i)t5562 5065 ÷÷(d#*)+日￡}自*^“^}#自自日I#． (#*日^t20lO0913) ——}种路mt，颤簸《础频卓《世揶各T相同，这些情Z 都日能}8零部件橙脱。镕n{求}统特构设计考虑如 T几点§统总m*口求轻(m十40g)耐建旋转加建度 性能高、镕目断＆4m≈、女封性高(IP6防护等级)结构 自气f】啼材#4#目高m温自目廊№材料气门嘴与轮辋 接合*有日船自设计。 6结论 无≈g☆架试牲《B各#*批的m路测斌．轮胎Ⅸ力 传感#均保持高日靠性．i‰*额№＆№确卒千¨高顿收发 准劬率达到98“。当轮胎m现鼻常危险情况目，汽车仪 丧盘＆m相关报警信息．#日寸提《≈驰*．将lq鞋口气Ⅱ 月蹰堵成的事故潲*在萌#2十，*nT汽车“#∞女 ±性．■ 参考2献 [1]*％#^$#*M*g#冉々*d『D】K#；☆#★{ 200； [2]目#i，＆ia《ER$#mⅢ^《*g‰＆*_J]mm ^{{m，2008(1)；z627 E3]￡＆女}##∞#d*‰(TPMS)m≈&#±n自镕＆I卜 [D2自自；自gⅡt^}2007 n]I☆m，＆％女#∞≮《自自《d目m*§#[J]R}自 g，2uO?(^)。06—58 Es]InlineonSP300V21 E1060肌tasheet2007 [6]MaximMAXT044Datasheet，2009 十#}(1n*)*￡$m*t^^}删**ttBm． (##目自+20l⋯13) paper@mesnetcorncn(投稿}月) 2011年第2期年e“j矗入式豪幢矗阳 21 万方数据 汽车胎压监测传感器研究 作者： 李栋梁， 李武屹， 吴义保， 秦浩， Li Dongliang， Li Wuyi， WuYibao， Qin Hao 作者单位： 中国电子科技集团第三十八研究所汽车电子工程研究中心,合肥,230088 刊名： 单片机与嵌入式系统应用 英文刊名： MICROCONTROLLERS & EMBEDDED SYSTEMS 年，卷(期)： 2011,11(2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dpjyqrsxtyy201102005.aspx