胎压传感器的超低功耗设计

许红宁 徐松亮

摘要：无论是应用在汽车领域还是轨道车领域的胎压监测传感器，无论是内置还是外置的安装类型，都需要一次性电池供电，连续工作时间最少要求3年，甚至有的要求8年以上。所以对胎压传感器的超低功耗设计变得尤为重要。本文基于飞思卡尔的FXTH87系列胎压传感器，提出了影響功耗的设计关键点，并讨论了优化各个功耗关键点的方法，不仅给出了理论，也给出了实测验证数据，证明可以使胎压传感器连续工作8年以上。

关键词：轨道交通;胎压传感器;超低功耗;TPMS

中图分类号：TP212.9                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0085-02

1  绪论

1.1 胎压传感器的重要性

胎压系统有两个重要意义：第一是保证合适的轮胎温度和轮胎气压，提高车辆的安全性能;第二是提高车辆的燃油经济性。因此，世界各地区都已经要求或将要求车辆安装胎压监测系统。而胎压传感器作为整个系统的核心传感部件，系统的精度、传输距离、通讯稳定性、维护周期等核心重要参数都来源于它。

1.2 胎压传感器按安装方式的分类

外置安装：安装在气嘴上;安装与更换容易，无线信号相对稳定;但是防盗性不如内置，而且对密封工艺要求较高;与接收机匹配一般采用充气匹配，或使用专用手持设备匹配。内置安装：安装在轮毂上;防盗;密封工艺要求较低;但是安装、更换、配置较复杂，而且无线信号相对较差;与接收机匹配一般采用放气匹配，或使用专用手持设备匹配。外置传感器一般可以更换电池，但是更换电池通常也需要更换密封胶圈等耗材。而内置胎压传感器大多不支持电池的更换。所以胎压传感器的超低功耗设计就变得尤为重要。

2  硬件环境

2.1 FXTH87介绍

胎压传感器由一节3.0V不可充电的锂电池为电源，初步选定CR2450封装，大概550mAh容量。传感器内部MCU是FXTH87，它集成了3个传感信号：轮胎压力、温度、电池电量。

FXTH87内部为8位MCU，虽然计算能力较弱，但是却满足了超低功耗的应用。

胎压传感器的无线通讯分为RF和LF，RF基于433MHz载波通讯，而LF基于125kHz载波通讯。胎压传感器的RF只有发送功能，没有接收功能，因为RF在开启接收时，功耗与发送是基本是同一数量级的，不符合胎压传感器的低成本和超低功耗设计应用理念。但是在某些应用场景下，双向通讯是必须的，比如说参数配置、在线升级、无线唤醒等。所以引入了LF功能，LF只有接收功能，因为LF通讯时所需的能量大多来源于发送端，而发送端完全可以使用更大的电池和更大的天线，通讯距离可以达到1～2米。总之，使用RF发送、使用LF接收这样的设计理念，就是为了双向通讯时能够省电。

传感器内部的Flash不仅可以用来做程序的执行，也可以用于参数的存储，所以我们可以把编号，发送周期、功率等参数信息直接写入芯片内部Flash即可。

2.2 低成本nA级功耗测试工具

硬件工具：X-NUCLEO-LPM01A

PC软件工具：STM32CubeMonitor-Power

主要性能参数：采样频率高达100kHz、可编程电压源范围1.8～3.3V、静态测量电流1nA～200mA、动态测量电流100nA～50mA的测量范围、动态功率测量范围180nW～165mW。

我们的应用最小电流是500nA左右，所以这款500元左右的开发工具，就可以满足我们的超低功耗的测试使用。

3  影响功耗的项点与优化方法

3.1 电池的选型

选择胎压传感器纽扣电池的第一个因素是体积，受空间限制，所以要平衡容量与体积，本文的应用场景为轨道车，所以对体积要求不是很严格，选了CR2450封装的纽扣电池，依据电池的产品手册，容量可以高达到550mAh。第二个选择因素是温度系数，这个就会排除大多数品牌的电池，根据汽车级的使用场景和相关标准要求，需要在-40～+125摄氏度全温度范围内正常工作，且能基本保证电量。第三个选择因素是电池的放电曲线，一般纽扣的电池放电曲线会随着能量的消耗，电压也不断的下降，当下降到CPU的工作电压极限时，虽然电池仍有电能，但是系统将不能正常工作，所以胎压传感器电池要求使用过程中的保证标定电压。根据上述三个选择条件，目前用于胎压传感器的纽扣电池通常为下面两个品牌：以色列的塔迪兰电池、日本的maxell电池。塔迪兰电池性能优良，但是长时间不使用需要微小持续电流激活。所以本设计选择了日本maxeII的CR2450HR电池。

3.2 发射功率

FXTH87的发射功率范围是-10dB至+8dB，从低功耗的角度来说，肯定是越低的发射功率消耗的电能越小，但是具体还要考虑现场环境，因为过小的发射功率意味着抗干扰丢包率的上升，所以要根据车型、使用环境及天线的匹配状况来确定能够稳定通讯的最小发射功率。另外有一个重要的知识点：是不是发射功率越大通讯效果越好呢？如果是单一的通讯网络，可以这么认为;但如果是像轨道车多节车厢多网络的应用场景就不是这样了，因为对于一般的设计来说，传感器是都是频率434MHz等开放公共载波频率，如果功率过大，会相互产生同频干扰。导致频繁丢包，所以在发射功率的选择上最好能找到一个功率既可以在本网络稳定通讯又不影响其他网络。

3.3 发射周期

发射周期的优化是超低功耗设计是最重要的环节，因为传感器在发射时的电流高达近10mA，绝大部分能量消耗都用于无线数据的发射上了。设计发射周期有两种方法，一种是固定发射周期，比如固定5秒发送一包数据，这样的设计虽然简单，但是一般只用于实验室或前期開发测试。第二种就是根据不同的状况动态的改变发射周期，比如当车辆停止的时候，可以拉长发射周期甚至停止发射;而当监测到胎压或温度异常的时候，可以缩短发射周期;还可以按车辆的运行速度来改变发射周期，当车辆低速运行的时候，危险系数不大，可以拉长发射周期，当车辆高速运行的时候，危险系数增大，可以缩短发射周期。

3.4 CPU各睡眠模式的功耗

FXTH87传感器内置的CPU，有多种电源管理方式，包括浅睡眠和深睡眠，不同的睡眠模式耗电不同，唤醒条件也不同，比如深睡眠状态下静态电流只需要510nA左右，但是只能被周期性唤醒，且唤醒即复位;而在浅睡模式下，静态电流高达几微安，但是可以被低频通讯等多个条件唤醒。所以最优的设计不应该只采取单一的睡眠模式，而是根据采集频率和发送频率等条件的变化，动态交替的使用深睡和浅睡两种睡眠模式。

3.5 采集周期优化

通常的设计，采集周期与RF发送周期是相同的，但是这样设计会浪费掉很多能量。比如说电池电压的采集周期，按照传感器的功耗及电池的特性曲线，电池电压在短时间内不会有较大的变化，所以每小时甚至每天采集一次就够用了。其次是温度的采集，同样轮胎的温度也不会在短时间内急速的上升或下降（火灾或涉水等条件除外），所以通常几分钟至几十分钟采集一次即可。而胎压的监测是尤为重要的，可能会出现轮胎损坏导致胎压突然下降的情况，所以胎压的监测应该是秒级的，胎压的采集频率应该大于射频的发射频率，如果数据产生异常，则可以迅速的实现高频率实时射频发送。所以设置合适的采集周期能够大幅度的减少CPU的唤醒次数，从而实现降低能耗的效果。

3.6 利用加速度传感器判断车辆运行速度

因为车辆在停止的时候，胎压监测系统的接收机也是停止工作的，所以此时胎压传感器发送数据就变得毫无意义。考虑到这个场景，胎压传感器的厂家将加速度传感器一同融合进传感器件。FXTH87系列的芯片内部有单轴加速度的芯片，也有双轴加速度的芯片，如果只是判定车辆的走停及运行速度，那么含有单轴加速度的胎压传感芯片就可以满足。轮旋转的速度越快，离心力越大，加速度传感器所呈现的数据绝对值则越大。根据这个原理，我们可以把运行状态分为三类：停止、低速和高速。当车辆停止时，可以停止一切的传感采集和发送操作，让传感器达到超级省电的状态。当车辆低速运行时，因为爆胎等风险较小，所以可以低速采集、低速发送数据。当车辆高速运行时，这时轮胎如果异常则会带来较大灾难，所以传感器进入正常工作状态。综上所述，通过识别车辆的运行速度来动态的改变采集与发送周期，从而灵活的调节了CPU的唤醒频率和射频的发送频率。

3.7 LF的周期性唤醒

并不是所有的胎压传感器都会用到LF，一般汽车上的传感器不需要使用，它们与接收机的配对可以通过充放气操作来识别。然而轨道车就不能接受轮胎的充放气，不仅如此，轨道车的胎压监测系统更加复杂，还需要编号设置、升级等更过操作。所以双向通讯功能是必不可少的。

根据电流表的静态耗电电流测量，开启LF的低功耗耗电为5.1uA，而不开启LF的低功耗耗电为0.51uA，虽然是uA级，但是统计一下每年的耗电量：

关闭LF每年功耗：0.00051mA*24h*365=4.4675mAh/年。

全开LF每年功耗：0.0051mA*24h*365=40.4675mAh/年。

由上面数据可知对电量影响较大。

因为配置传感器的过程是偶发使用功能，所以可以使用窗口式开启模式，比如以1/10窗口开启LF，即10秒开启1秒，则每年的耗电量：

窗口LF每年功耗：0.0051mA*24h*365约等于10 mAh/年。

由上面数据可知对电量影响较小。

但是注意的是窗口式应用，在配置传感器时，体验会有影响，具体要看应用场景是否能够接受。

4  功耗计算与测试

电池电量：实际应用为maxell的CR2450电池，额定容量550mAh。

单位换算：由公式1J/S=1W，推导如下：

3600J=1000mVAh

1mVAh=3.6J

电池能量3V*550mAh=1650mVAh=1650*3.6J=5940J=5，940，000，000uJ。

功耗估算：条件为25°工作，15秒周期采集发送，计算每年的功耗。每年的处理总包数：3600*24*365/15=2102400包。

经过STM32CubeMonitor-Power工具测出每个周期的功耗，工具连续测出10次发送的总功耗，再做平均就可以准确得出每次发送的功耗，再通过公式计算出使用年限，例如：发送功率为-10dBm时，单次功耗为313.694uJ，用CR2450使用年限为9年以上。

5  总结

经过本次计算，maxell品牌的CR2450的标定能量，以15秒周期采集发送模式可以满足5～9年的应用需求，如果结合上述智能超低功耗优化算法，可以满足5～10年甚至10年以上，如果用这么长时间，则电池有效期及自放电将是要重点考虑的问题。

参考文献：

[1]阳婷，于芳.轮胎压力监测报警系统[J].湘南学院学报，2020，41（05）：120-124.

[2]郭玉言.基于ARM的汽车胎压监测系统[J].自动化技术与应用，2020，39（12）：173-178.

[3]白艳茹.基于TPMS的轮胎智能感压充气装置设计[J].现代电子技术，2021，44（03）：83-86.

[4]孙继文，代永升，李建锋.基于FXTH87模块的胎压智能监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（02）：41-44.

[5]兰羽.一种低功耗无线传感器网络节点设计[J].计算机测量与控制，2021，29（02）：262-266.

[6]于向前，陈鸿飞，邹鸿，施伟红，邹积清，仲维英.极弱电流信号检测电路中前置放大器模拟研究[J].核电子学与探测技术，2014，34（12）：1514-1517.

作者简介：许红宁（1982-），女，辽宁沈阳人，本科，中级，研究方向为电子信息工程（工控）;徐松亮（1982-），男，辽宁沈阳人，本科，中级，研究方向为测控技术与仪器（工控与医疗器械）。