汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)接收模塊的設(shè)計(jì)

常國(guó)鵬，張鳳登，胡忠義

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS），主要用于在汽車行駛時(shí)，適時(shí)地對(duì)輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、低壓、高壓、高溫等危險(xiǎn)狀態(tài)提前進(jìn)行預(yù)警，確保行車安全。這個(gè)概念在2000年就已頻繁地出現(xiàn)在各種報(bào)刊、雜志中，成為汽車界關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，TPMS屬于汽車三大安全系統(tǒng)之一。它將是繼ABS、ESP之后的又一主動(dòng)安全系統(tǒng)，也是未來(lái)汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。TPMS主要分為直接式和間接式兩種類型。由于間接式TPMS自身原理的局限，不能對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100 km／h的情況進(jìn)行判斷而淘汰。直接式TPMS利用安裝在每個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示與監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓過(guò)低、過(guò)高或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。直接式TPMS能測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的壓力，很容易確定輪胎的故障而成為主流。本文介紹一種直接式TPMS接收模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，利用PIC16F917內(nèi)部的LCD驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)LCD顯示器顯示胎壓信息，當(dāng)胎壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)顯示器報(bào)警，蜂鳴器報(bào)警。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及原理

TPMS輪胎接收模塊主要完成對(duì)輪胎發(fā)射模塊發(fā)出數(shù)據(jù)的采集和顯示，并針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷胎壓狀態(tài)。當(dāng)胎壓過(guò)大或過(guò)小時(shí)給出聲光報(bào)警。該模塊由天線、SAW濾波器、射頻接收芯片TDA5210、PIC16F917單片機(jī)、LCD顯示器和蜂鳴器組成。射頻接收原理如圖1所示。

圖1 射頻接收原理圖

2 接收模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 射頻芯片外圍設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Infineon公司的433／840 MHz射頻信號(hào)接收芯片TDA5210。TDA5210是一種低功耗單片射頻接收芯片，同時(shí)支持FSK／ASK解調(diào)方式，工作頻段為810 MHz～870 MHz頻段和400 MHz～440 MHz頻段?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)TDA5210外部引腳的配置來(lái)選擇解調(diào)方式和射頻芯片的中心工作頻率［1］。

TDA5210的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理充分反映并利用了射頻信號(hào)解調(diào)原理。理解其內(nèi)部原理對(duì)后期PCB板的規(guī)劃與布線，以及系統(tǒng)性能的改進(jìn)起到了關(guān)鍵的作用，是整個(gè)433 MHz射頻信號(hào)系統(tǒng)搭建的關(guān)鍵前提。

其內(nèi)部分為三個(gè)模塊：前端放大、數(shù)字解調(diào)、低通濾波。

前端放大主要由兩個(gè)組成部分：低噪聲放大器（Low Noise Amplifer）和起到自動(dòng)增益控制作用的負(fù)反饋電路（Automatic Gain Control）。該模塊中輸入信號(hào)為經(jīng)過(guò)前端匹配濾波后的433 MHz信號(hào)，經(jīng)過(guò)混頻器（Mixer）降頻，向下一級(jí)輸出解調(diào)后的10.7 MHz的中頻信號(hào)［2］。

數(shù)字解調(diào)部分可通過(guò)外部引腳來(lái)調(diào)整選擇解調(diào)調(diào)頻信號(hào)（FSK）或調(diào)幅信號(hào)（ASK），其外部輸出為不帶有載波成分的數(shù)字信號(hào)。

低通濾波部分含有數(shù)字濾波（Low－pass Data Filter）與數(shù)字切割（Data Slicer）兩部分，其最后輸出信號(hào)由TDA5210的25引腳DATA 引腳來(lái)輸出PIC16F917能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

2.2 射頻前端設(shè)計(jì)

射頻前端的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分，天線的設(shè)計(jì)、濾波器的設(shè)計(jì)和阻抗匹配。

由于PCB天線設(shè)計(jì)復(fù)雜，受干擾因素較多，需要不斷地進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、阻抗測(cè)試、再設(shè)計(jì)再優(yōu)化。此過(guò)程相當(dāng)繁瑣，因此采用較簡(jiǎn)單尺寸如較小的螺旋天線，天線中心頻率為433 MHz，輸出阻抗為50Ω。

為得到良好的433 MHz信號(hào)，要在前端添加一個(gè)中心頻率為433.92 MHz的窄帶通濾波器，本文選用EPCOS公司的射頻專用SAW濾波器B3743。B3743在通帶內(nèi)幅值衰減很小，10 dB通帶帶寬約為1 MHz，尺寸為3 mm×3 mm，貼片封裝，具有ESD保護(hù)功能，非常適合應(yīng)用于射頻前端濾波。

在射頻電路設(shè)計(jì)中，RF電路的主要功能是功率傳送。不管是輸入阻抗還是輸出阻抗，阻抗匹配是不可缺少的，并且非常重要。阻抗匹配不但能實(shí)現(xiàn)功率的最大傳輸，而且消除了功率從信號(hào)源到負(fù)載傳輸過(guò)程中的相移。實(shí)現(xiàn)匹配的通常做法是在源和負(fù)載之間插入一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)通常被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)［3］。Simth圓圖是應(yīng)用最廣泛的匹配電路設(shè)計(jì)工具之一，它直觀地描述了匹配設(shè)計(jì)的全過(guò)程。螺旋天線的阻抗為50Ω，在天線和TDA5210的LNA（low noise amplifier）之間接入一個(gè)SAW 濾波器B3743。要對(duì)B3743的輸入阻抗和輸出阻抗都匹配到50Ω。利用ADS里的Smith Chart Unity Tool來(lái)進(jìn)行匹配，匹配電路如圖2所示。

匹配完成后，利用ADS的S－PARAMETERS下的SIMULATE工具對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，已經(jīng)將濾波器的輸入阻抗和輸出阻抗匹配到50Ω，并且插入損耗較小，濾波器幅值衰減較小，匹配效果較理想。

圖2 濾波器阻抗匹配電路圖

圖3 S參數(shù)圖

3 接收模塊軟件設(shè)計(jì)

輪胎接收模塊的程序主要完成系統(tǒng)的初始化、顯示初始化、ID及CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的接收處理報(bào)警。接收程序流程圖如圖4所示。接收模塊具有高壓、低壓報(bào)警、漏氣報(bào)警、高溫報(bào)警等功能。通過(guò)使用看門(mén)狗設(shè)置，有效地避免了系統(tǒng)的死機(jī)問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)具有對(duì)汽車顛簸而帶來(lái)誤差的處理能力，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 接收程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于英飛凌TDA5210的433 MHz無(wú)線接收模塊的設(shè)計(jì)。通過(guò)ADS仿真，設(shè)計(jì)出了天線前端射頻匹配網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收處理報(bào)警功能。該系統(tǒng)性能優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)安全功能，對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，具有很好的市場(chǎng)前景。

［1］ TDA5210 Data Sheet［Z］.Infineon Technologies，2001.

［2］ 何 仁，胡青訓(xùn)，薛 翔.汽車輪胎氣壓檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)疹綜述［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（10）：105－109.

［3］ 肇一霏.基于TDA5210的433MHz無(wú)線接收機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

［4］ 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.