基于英飞凌智能传感器SP12/SP30的TPMS设计

        汽车轮胎压力监测系统(TPMS)主要利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，通过射频无线传输，在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气、低气压和高气压进行报警，以保障行车安全。 

        英飞凌面向TPMS应用的SP12/SP30传感器整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口CMOS大规模集成电路，其中SP30内置8位哈佛结构RISC MCU和2D通道的低频(LF)接口，且消耗的电流仅0.4uA。 

        星科半导体有限公司基于英飞凌传感器SP12/SP30提供整个TPMS系统所涉及的IC以及解决方案，来保证系统的稳定性和可靠性。

TPMS构成 

        1. 发射模块 

        发射模块由压力传感器、MCU、射频发射芯片、电池和天线组成，该模块对轮胎压力、温度、电池电压及加速度进行数据采集，并将数据以无线方式发射出去。 

        发射模块有基于SP12/SP12T和SP30的两个方案：方案一是SP12/SP12T+MCU+TDK5100F(见图1)，其中压力传感器SP12(100~450kPa)/SP12T(0~1,400kPa)和射频发射芯片TDK5100F(434MHz ASK/FSK发射器)均来自英飞凌公司。

图1：基于SP12的TPMS发射模块

        方案二是SP30+TDK5100F(图2)。

图2：基于SP30的应用方案框图

        压力传感器SP30(100~900kPa)内置8位哈佛结构RISC MCU和2D通道的LF接口。射频发射IC采用英飞凌公司的TDK5100F(434MHz ASK/FSK发射器)，该系统可直接接收125kHz的低频唤醒信号控制发射模块在不同的模式下工作。 

        2. 接收模块 

        接收模块由TDA5210、XC866/XC886、LCD模块和天线组成(见图3)。

图3：TDA5210+XC866/XC886+LCD模块+天线的接收模块框图

        接收模块将TPMS发射模块发送的信息进行解调、解码，并将接收的数据通过LCD显示输出。该模块的MCU和射频接收芯片分别采用了英飞凌公司的XC866/XC886和TDA5210。其中XC866/XC886是专为汽车电子设计的8位MCU，带有CAN/LIN控制器，可以快速地将TPMS功能转移次要任务中。

SP30_TPMS发射模块原理 

        TPMS发射系统实际上是一个定时监测无线系统，整个系统设计的核心问题主要体现在系统低功耗和汽车高速转动时射频接收灵敏度以及噪声抑制方面。针对英飞凌SP30+TDK5100F发射系统，以下是关于这两个核心问题的详细阐述。 

        首先，系统低功耗是建立在硬件基础上，并且与软件程序相结合实现的，所以选择静态低功耗硬件是前提条件；其次，系统要尽量保持在功耗最低的PWDN模式下；第三，系统从PWDN到RUN模式的硬件唤醒要与软件阕值比较相结合；最后，系统进入RUN模式中，在某些独立于RISC内核的单元工作时，可以让系统进入空闲模式等待，这样也会节省供耗。实测星科DEMO板静态电流3uA。图4为SP30+TDK5100F发射系统的程序流程。 [page]

图4：SP30+TDK5100F发射系统的程序流程图

图5：SP30内部功能框图

        在软件架构中有一些需要注意的地方：

1.  整个软件架构主要由三个模块组成：初始化模块、传感器数据测量模块(Measure_Data)、RF发射模块(SSI_Datagram)。这三个模块尽量做成函数包，方便移植和功能升级。 
   
2.  间隔定时器(IT)唤醒系统后利用软件设置几个阕值区加以判断参数测量和RF发射，尽量节省功耗。比如利用加速度测量判定汽车启动/停止状态来决定其他参数是否需要测量，判定汽车大致速度决定RF发射频率等；利用欠压、高压等级区域判定RF发射报警频率等。这些需要客户根据实际去完善。需要注意的是，所有的阕值不要设置成某一固定值，应该是某一区域，当然这个区域的设定要反复测量，太小将对系统稳定造成影响，也不利于节省功耗，太大则测量灵敏性较差。 
   
3.  利用IT和LT(LF定时器)来实现LF接口使能和关闭LF检测，这样可以不必使LF接口常开又能保证实时检测主机命令，更大程度省电。

图6：TDK5100F内部框图

图7：TDA5210内部框图

         其次，汽车高速转动时射频接收灵敏度以及噪声抑制问题。发射模块是内置在轮胎内部的，除了轮胎中环境温度、RF信号屏蔽等会对射频造成影响之外，更需要解决的是汽车高速转动对射频性能的影响。需要强调的是TPMS系统选择的RF器件基本都是集成电路，RF IC的性能直接影响到整个系统的性能。设计工程师需要做的只是针对这颗IC外围某些器件的选型(晶振、天线)、功率放大器与天线的参数匹配以及RF布局等，作好这几方面则基本上能够解决以上的问题。英飞凌RF TX芯片TDK5100F是针对汽车级别设计的低速(120Kbaud)低功耗RF IC，与之配套的RX芯片TDA5210接收灵敏度达到-107dBm。 

        在RF设计中需要注意以下一些问题：

1. 晶振的选择。TDK5100F/TDA5210是窄带RF IC，由于温度导致的晶振频差和晶振负载电容的不一致都会导致接收灵敏度的差异，所以晶振的特性选择非常重要。 
   
2.  天线的选择。TPMS发射系统安装要求是比较高的，当然除了天线性能之外，对其外型结构也有同样高的要求。从两者的折衷考虑，目前用的比较多的是螺旋天线。PCB环行天线虽然结构与成本最好，但是由于其谐振中心频点以及等效阻抗等需要网络分析仪去校正，以及其本身PCB材料造成的天线损耗都使其在TPMS中应用不多。单级天线的性能是可以做得很好的，但是结构不具备良好的安装性，其使用也不是很多。 
   
3.  TD5100F布局注意要点。晶振布局远离天线，匹配元件要彼此直角布局，天线不要铺地和走其它信号线等。 
   
4.  在不需要对PCB做较大更改的前提下，利用网络分析仪做天线参数匹配的最后确定，并实测发射功率以及接收灵敏度。

接收模块 

        本系统接收模块是由TDA5210+XC866组成的，实际XC866只需要一个I/O就可以接收TDA5210的解调数据，需要考虑的TPMS系统属于汽车电子安全系统，为了系统任务升级扩展，MCU的选型也尽量满足汽车环境的要求，英飞凌XC866/XC886是专为汽车电子设计的8位MCU，带有CAN/LIN控制器,可以快速地将TPMS功能转移次要任务中。如果此时TPMS功能是作为节点存在，那么MCU就可以释放出来执行其他的任务，而在汽车电子中，这种任务相当多的是电机控制，这就用到了XC866的强大外设功能(电机控制单元和PWM捕获比较单元)。因此，接收端MCU的选择不仅是关系到汽车级别的MCU，更应该有一些超前的意识。

本文小结 

        由于汽车市场的快速增长，TPMS系统也将拥有更多的发展空间，在这个充满机遇同时又面临众多技术调整的市场上，选择合适的解决方案将对厂商在这个市场上是否能取得成功起着非常关键的作用。星科半导体公司推出了TPMS的参考设计，用户可以利用该参考设计快速地将产品推向市场。