汽车轮胎压力检测系统接收模块的设计

常国鹏，张凤登，胡忠义

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引 言

汽车轮胎气压监测系统（TPMS），主要用于在汽车行驶时，适时地对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎漏气、低压、高压、高温等危险状态提前进行预警，确保行车安全。这个概念在2000年就已频繁地出现在各种报刊、杂志中，成为汽车界关注的热点。目前，TPMS属于汽车三大安全系统之一。它将是继ABS、ESP之后的又一主动安全系统，也是未来汽车发展的必然趋势。TPMS主要分为直接式和间接式两种类型。由于间接式TPMS自身原理的局限，不能对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100 km／h的情况进行判断而淘汰。直接式TPMS利用安装在每个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示与监视，当轮胎气压过低、过高或有渗漏时，系统会自动报警。直接式TPMS能测定每个轮胎内部的压力，很容易确定轮胎的故障而成为主流。本文介绍一种直接式TPMS接收模块的软硬件设计，利用PIC16F917内部的LCD驱动器驱动LCD显示器显示胎压信息，当胎压过高或过低时显示器报警，蜂鸣器报警。

1 系统组成结构及原理

TPMS轮胎接收模块主要完成对轮胎发射模块发出数据的采集和显示，并针对数据进行一定的分析，根据分析结果判断胎压状态。当胎压过大或过小时给出声光报警。该模块由天线、SAW滤波器、射频接收芯片TDA5210、PIC16F917单片机、LCD显示器和蜂鸣器组成。射频接收原理如图1所示。

图1 射频接收原理图

2 接收模块硬件电路设计

2.1 射频芯片外围设计

本设计采用Infineon公司的433／840 MHz射频信号接收芯片TDA5210。TDA5210是一种低功耗单片射频接收芯片，同时支持FSK／ASK解调方式，工作频段为810 MHz～870 MHz频段和400 MHz～440 MHz频段。可以通过对TDA5210外部引脚的配置来选择解调方式和射频芯片的中心工作频率［1］。

TDA5210的内部结构原理充分反映并利用了射频信号解调原理。理解其内部原理对后期PCB板的规划与布线，以及系统性能的改进起到了关键的作用，是整个433 MHz射频信号系统搭建的关键前提。

其内部分为三个模块：前端放大、数字解调、低通滤波。

前端放大主要由两个组成部分：低噪声放大器（Low Noise Amplifer）和起到自动增益控制作用的负反馈电路（Automatic Gain Control）。该模块中输入信号为经过前端匹配滤波后的433 MHz信号，经过混频器（Mixer）降频，向下一级输出解调后的10.7 MHz的中频信号［2］。

数字解调部分可通过外部引脚来调整选择解调调频信号（FSK）或调幅信号（ASK），其外部输出为不带有载波成分的数字信号。

低通滤波部分含有数字滤波（Low－pass Data Filter）与数字切割（Data Slicer）两部分，其最后输出信号由TDA5210的25引脚DATA 引脚来输出PIC16F917能够识别的数字信号。

2.2 射频前端设计

射频前端的设计主要包括三个部分，天线的设计、滤波器的设计和阻抗匹配。

由于PCB天线设计复杂，受干扰因素较多，需要不断地进行仿真设计、参数优化、阻抗测试、再设计再优化。此过程相当繁琐，因此采用较简单尺寸如较小的螺旋天线，天线中心频率为433 MHz，输出阻抗为50Ω。

为得到良好的433 MHz信号，要在前端添加一个中心频率为433.92 MHz的窄带通滤波器，本文选用EPCOS公司的射频专用SAW滤波器B3743。B3743在通带内幅值衰减很小，10 dB通带带宽约为1 MHz，尺寸为3 mm×3 mm，贴片封装，具有ESD保护功能，非常适合应用于射频前端滤波。

在射频电路设计中，RF电路的主要功能是功率传送。不管是输入阻抗还是输出阻抗，阻抗匹配是不可缺少的，并且非常重要。阻抗匹配不但能实现功率的最大传输，而且消除了功率从信号源到负载传输过程中的相移。实现匹配的通常做法是在源和负载之间插入一个无源网络，这种网络通常被称为匹配网络［3］。Simth圆图是应用最广泛的匹配电路设计工具之一，它直观地描述了匹配设计的全过程。螺旋天线的阻抗为50Ω，在天线和TDA5210的LNA（low noise amplifier）之间接入一个SAW 滤波器B3743。要对B3743的输入阻抗和输出阻抗都匹配到50Ω。利用ADS里的Smith Chart Unity Tool来进行匹配，匹配电路如图2所示。

匹配完成后，利用ADS的S－PARAMETERS下的SIMULATE工具对电路进行仿真，仿真结果如图3所示。

由图3可知，已经将滤波器的输入阻抗和输出阻抗匹配到50Ω，并且插入损耗较小，滤波器幅值衰减较小，匹配效果较理想。

图2 滤波器阻抗匹配电路图

图3 S参数图

3 接收模块软件设计

轮胎接收模块的程序主要完成系统的初始化、显示初始化、ID及CRC校验、数据的接收处理报警。接收程序流程图如图4所示。接收模块具有高压、低压报警、漏气报警、高温报警等功能。通过使用看门狗设置，有效地避免了系统的死机问题，提高了系统的稳定性。系统具有对汽车颠簸而带来误差的处理能力，极大地提高了系统的可靠性。

图4 接收程序流程图

4 结束语

本文阐述了基于英飞凌TDA5210的433 MHz无线接收模块的设计。通过ADS仿真，设计出了天线前端射频匹配网络。通过软件设计，实现了数据接收处理报警功能。该系统性能优良，实现了主动安全功能，对危险进行及时预警，具有很好的市场前景。

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

［2］ 何 仁，胡青训，薛 翔.汽车轮胎气压检测系统发疹综述［J］.中国安全科学学报，2005，（10）：105－109.

［3］ 肇一霏.基于TDA5210的433MHz无线接收机的设计和实现［D］.长春：吉林大学，2012.

［4］ 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］.北京：电子工业出版社，2009.