集成于車身控制器的胎壓接收模塊硬件設計

湯自寧，吳 瑾，王冠達，劉志霞

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

隨著中國對胎壓監測強制性標準的出臺，2019年1月起國內銷售的M1類車輛 （乘用車2020年1月）必須搭載胎壓監測系統 （Tire Pressure Monitoring System，TPMS），TPMS正式成為汽車標配［1］。常用的直接式胎壓監測系統由安裝于4個輪胎的胎壓傳感器與中央接收模塊組成。汽車電子如今正向集成化方向發展，在汽車電控系統中，車身控制器（Body Control Module，BCM）自身帶有汽車門禁系統 （RKE）高頻接收模塊，該模塊與胎壓監測系統的高頻通信均使用ISM （Industrial Scientific Medical） 頻段中的433.05～434.79 MHz頻段作為其高頻無線通信的載波頻率［2］。出于節約空間與成本的考慮，將胎壓監測系統的接收器集成在BCM中，減小電控單元復雜度和冗余度，同時可以利用BCM提供的車輛總線與整車通信，實現中控儀表顯示胎壓信息和執行聲光報警，可進一步實現整車電控聯動。

1 接收模塊工作原理介紹

車身控制器高頻無線接收模塊負責接收并解調自由空間中來自胎壓傳感器信號或者RKE遙控鑰匙信號，信號從天線接收進來后經過匹配網絡從而傳輸到TDA5210射頻接收芯片，芯片對信號進行解調后，將其傳輸至MCU，經MCU處理后在顯示屏實時顯示各輪胎氣壓、溫度、報警信息或實現遙控解閉鎖及自動升降窗功能。其主要組成部分有接收天線、阻抗匹配網絡、射頻接收芯片TDA5210及其周邊電路。接收模塊原理圖見圖1。

2 天線與芯片LNA間的阻抗匹配

在接收模塊中，LNA的輸入阻抗與前級電路阻抗必須達到匹配以滿足最大功率傳輸條件［3］。在本文中，接收天線采用PCB板制天線，PCB天線具有成本低、易于制作、占用空間小等優點，但需由阻抗匹配網絡調整天線阻抗，使其諧振在工作頻率433.92 MHz。同時，將芯片LNA輸入阻抗也調整至50Ω，實現LNA與天線間的阻抗匹配，減小傳輸路徑上的功率損耗。

2.1 天線及其阻抗匹配網絡設計

用矢量網絡分析儀測試實物PCB天線的阻抗為ZL=15.8+j123.6Ω，呈感性，選擇π型低通匹配網絡，將天線阻抗在433.92 MHz工作頻率上匹配至50Ω，匹配路徑如圖2所示。

經過調試，最終確定C78=4.3 pF，L1=82 nH，C185=1 pF。用矢量網絡分析儀測試此時的天線輸入阻抗為49.2+j1.8Ω。天線阻抗匹配效果良好。

2.2 LNA輸入阻抗匹配網絡設計

經矢量網絡分析儀測試LNA的輸入阻抗為24-j114Ω，呈容性，選擇T型低通匹配網絡。其匹配路徑如圖3所示。

圖1 接收模塊原理圖

圖2 433.92 MHz時天線阻抗匹配路徑

圖3 433.92 MHz時LNA輸入阻抗匹配路徑

經調試確定Cs1=1.6 pF，Lp1=33 nH，Cs2=8 pF。用矢量網絡分析儀測試反射系數S11=-25 dB，駐波比為1.07，輸入阻抗值調節為46+j3Ω，匹配情況良好。

3 芯片外圍電路設計

工程應用中，胎壓監測系統通常采用抗干擾能力強的FSK調制方式［4］，數據率選擇9.6 kb／s；同時，傳統的RKE常用的發射芯片有HCS300，芯片的數據率為2.5kb／s。基于此背景，對芯片外圍濾波元器件配置選值進行研究，在硬件上保證了BCM對胎壓傳感器信號的接收與處理，同時不影響對RKE鑰匙信號的接收。

3.1 FSK模式下數據路徑的帶通頻率特性

FSK模式下解調數據時，數據路徑呈帶通特性。芯片TDA5210引腳20上的數據切割器閾值負反饋連接至FSK解調器的負端，以補償FSK鎖相環解調時產生的DC偏移，呈高通特性；數據濾波器則為二階Sallen-Key低通濾波器，呈低通特性［5］。

針對兩種不同波特率信號進行帶通頻率特性的設計，其低截止頻率應低于數據中出現的最低頻率，高截止頻率應高于數據中出現的最高頻率［6］，以保證在濾除多余頻率成分的同時有效數據不被錯誤濾除。FSK模式時頻率特性如圖4所示。

圖4 FSK模式時頻率特性

3.2 數據切割器設計

數據切割器是一個帶寬為100 kHz的快速比較器，FSK模式時引腳20上的閾值由RC回路產生。RC回路的頻率必須低于數據信號中出現的最低頻率。同時，為保持低失真，R的值應大于20 kΩ。數據切割閾值計算為［5］：

已知RKE鑰匙信號中出現的最低頻率約為750 Hz，故取R=100 kΩ，C=220 nF，此時計算得f1=9.4 Hz，f2=103.4 Hz。數據切割閾值f2低于數據最低頻率，滿足設計要求。

3.3 數據濾波器設計

數據濾波器的2階Sallen-Key低通濾波器由芯片內部的電壓跟隨器和2個電阻結合芯片外部2個電容構成，其截止頻率f3（f3dB）取決于2個外部電容，即芯片19引腳與22引腳之間的電容C1，以及21引腳搭鐵電容C2。

其中，Q=b ／a。當選取巴特沃斯濾波器時，a=1.414，b=1。f3dB的取值應高于數據信號中出現的最高頻率，已知胎壓傳感器信號數據率為9.6 kb／s，故f3dB取19.2 kHz。計算得Q=0.71，C1取120 pF，C2取56 pF。

4 結果測試

4.1 TDA5210硬件解調波形測試

4.1.1 RKE鑰匙硬件解調波形測試

首先對接收模塊硬件解調準確性進行測試。在射頻接收芯片DATA引腳測試FSK解調數據波形，根據HCS300通信協議對解調波形進行判斷，以前導符作為一個編碼字開始的標識，前導符為12個占空比50%的規則脈沖。前導符前為防護周期，由圖5波形可以看出防護周期內為干凈的低電平，無雜波出現。前導符后為數據頭，其長度為10TE，TE為脈沖基本要素，其典型值為400μs，介于260μs與660μs之間，由圖5知實際數據頭長度為4.48 ms，符合HCS300通信協議要求。數據頭后為數據部分，數據波形內無雜波，RKE鑰匙信號得到正確解析。

圖5 RKE鑰匙信號硬件解調波形

4.1.2 胎壓信號硬件解調波形測試

圖6所示為胎壓傳感器數據解調波形，也是胎壓傳感器信號的導碼部分。由圖6可知解調波形內無雜波，數據解析正確。

4.2 RKE鑰匙信號接收性能測試

對RKE鑰匙接收距離進行裝車測試，測試方法為：以車為中心，在以一米為半徑的圓上，每隔5°進行接收測試，測試時，在一個位置交替按解閉鎖10次，若其中有8次及以上正確響應，則認為該位置為有效接收點；若在該半徑圓上所有測試點均為有效接收點，則之后每次將半徑增加一米進行相同測試。經測試得到RKE鑰匙接收距離為35 m，滿足RKE信號接收遙控距離裝車后車身周圍30 m無盲區的設計要求。

圖6 胎壓傳感器信號硬件解調波形

4.3 胎壓傳感器信號接收性能測試

使用信號發射器 （Agilent N9310A）模擬實際傳感器的信號定時發送信號，以數據幀接收率>90%為標準，測試BCM的接收靈敏度為-100 dBm。

將傳感器放于距離水平面30 cm處，并使傳感器處于定時發射模式，將BCM放于距離水平面1.5 m處，以幀接收率90%為標準測試胎壓傳感器的有效傳輸距離為45 m，滿足裝車要求。

5 結論

基于TDA5210設計的集成于車身控制器的胎壓接收模塊，通過天線與射頻接收芯片LNA輸入之間的阻抗匹配減小了信號傳輸過程中的功率損耗，通過芯片外圍電路設計確保對兩種不同波特率解調數據進行正確濾波處理，優化了接收模塊的硬件接收靈敏度。經測試，接收模塊TPMS數據接收靈敏度為-100 dBm，裝車后胎壓數據包接收率大于90%，滿足裝車要求；RKE鑰匙的裝車接收距離35 m無盲區，滿足車身周圍30 m無盲區的要求，并達到了節約成本和空間的目的，具有良好的實用價值與應用前景。