为TPMS系统选择合适的半导体器件和方案

为TPMS系统选择合适的半导体器件和方案在欧美相关安全法规的推动下，汽车轮胎压力实时监视系统(TPMS)的需求正在全球兴起，今后五年里全球预计有7.01亿只轮胎需要安装胎压监测传感器。中国是汽车消费大国，相信不久的将来政府也会制定类似法规，TPMS也已经成为中国汽车电子产业的研发和市场热点。有数据显示，2005年中国TPMS产品市场容量就达20万套，销售额近7亿元人民币；2006达50万套，近17亿元；2007年将达70万套，近23亿元。TPMS可以分为直接式和间接式TPMS。间接式TPMS通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以实现胎压监视；而直接式TPMS利用安装在每一个轮胎里的的压力传感器直接测量胎压。由于直接式从功能和性能上均优于间接式,TPMS的发展和实用现状是直接式TPMS淘汰了间接式TPMS。TPMS系统主要由两个部分组成：安装在轮胎上的远程胎压监测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器。直接安装在每个轮胎里的胎压和温度监测模块将测量到的信号调制后通过高频RF发射出去，一辆轿车或面包车TPMS系统有4个或5个(包括备用胎)监测模块，一辆卡车有8~36个监测模块。中央监视器接收TPMS监测模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果胎压或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。由于汽车轮胎现在大多都是没有内胎的真空子午胎，因此，将TPMS监测模块安装在轮胎里十分方便和容易。但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温度十分恶劣，压力、温度和湿度变化特别大，所以该模块的设计要按军级产品的要求来选用元器件，按工业产品的要求来制订生产工艺。然而，它又是一个量大面广的汽车通用安全产品，要按消费电子产品来定价。五大部分构建胎压监测模块胎压监测模块是安装在轮胎上的轮胎压力、温度实时监测和数据发送系统装置，它由五个部分组成：(1)具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC芯片组合的智能传感器MCM；(2)8-16位单片机(MCU)；(3)RF射频发射芯片；(4)锂亚电池；(5)天线。另外外壳选用高强度ABS塑料，所有器件、材料都要满足-40℃到+125℃的使用温度范围。1.智能传感器TPMS智能传感器是整合了MEMS技术制作的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含ADC、S/H、SPI口、校准(Calibration)、数据管理(Data)、ID码的数字信号处理ASIC单元或MCU的片上系统模块。简单来说，智能传感器是一个多芯片模块(MCM)，将MEMS传感器和ASIC/MCU两块芯片封装在一起。模块具有掩膜可编程性，即可以利用客户专用软件进行配置。适用于TPMS的智能传感器主要有硅集成电容式和硅压阻式压力传感器，前者如飞思卡尔的MPXY8020、8040和8300系列；后者如GENovaSensor的NPX1、NPX2，英飞凌SensoNor的SP12、SP30、SP35。硅压阻式采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，具有较高的测量精度、较低的功耗，惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。电容式传感器技术最近几年有很大的发展，MPXY8300系列采用了新一代电容式传感器技术，完全不同于前一代，使之功耗更低、集成能力更高。NPX和SP30、SP35、MPXY8300系列智能传感器都包含了加速计，并封装了8位MCU。MPXY8300还集成了X、Z二个轴向加速度计可用于轮胎位置识别。2.MCU的选择MCU的选择要求是低功耗和汽车级使用温度，其功能够用即可。为使MCU能够达到电流预算的所有功能，断电模式最重要。Microchip超低功耗PIC16F63X系列产品，完全关闭器件上包括RAM存储在内的所有功能时，电流消耗仅1nA(WDT不使能)，在WDT使能下仅0.3μA。英飞凌的SP30、GE的NPX2掉电模式下的电流为0.6~1μA.。时钟系统是MCU功耗的关键。应用可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要，因为CPU会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。大多低功耗MCU都具有“实时启动”时钟，其可以在不到5~10μs时间内为CPU准备就绪。但是，重要的是要明白哪些时钟是实时启动、哪些非实时启动的。某些MCU具有双级时钟启动功能，该功能在高频时钟稳定化过程中提供一个低频时钟，其可以达到1毫秒。CPU在大约15μs时间内正常运行，但是运行频率较低，效率也较低.。例如，英飞凌的SP30、GE的NPX2的都是采用Philips的PCH7970内核，该内核提供5种时钟频率125K、250K、500K、1M、2M，另外PCH7970内核提供一个额外的独立CPU下的时钟源。Microchip的PIC16F63X内置2个时钟源8M和31K，高达8种时钟频率(31K、125K、250K、500K、1M、2M、4M、8MHz)。MPXY8300和SP35内嵌MCU使用技术成熟的SO8Core和8051Core，附加适合TPMS用的10bitADC、256~512KBRAM、6KBFLASH、LF和SPI接口等必需功能架构，使之满足胎压监测模块信号处理的要求。3.RF的选择RF芯片选用的要求是：发射功率尽可能大，接受灵敏度尽可能高；芯片外型尺寸尽可能小；具有比较好的性价比。RF器件还要考虑待机功耗和晶振启动时间，晶振启动时间将影响功耗。通常一个完整的数据包(6?到128位)以2.4kHz至20kHz的速率发送。假定数据包是100位，数据速率是10kHz(每位0.1ms)。那么发送100位需要10ms。为了节省电能，希望RF工作的时间尽量短。如果普通晶体稳定时间需要1ms，RF发射功耗是25mA，则在稳定时间内消耗电量为25mAms；如果选用300μS启振时间的RF则功耗电量为7.5mAms，由此可见省电的快速唤醒能延长电池寿命7%。MAX1479掉电下功耗为0.2μA，发射功耗7.4mA@25℃，晶振启动时间为200微秒；英飞凌的TDK5110F掉电下功耗为0.2μA，发射功耗为16mA@25℃，晶振启动时间为1ms。TPMS产品其发射功率不能超过10dBm，否则要接受无线电管制。4.电池的选择锂亚电池优秀的高低温特性使其成为目前TPMS能源的唯一选择。传统的锂电池在-40℃低温时丧失电能，在+100℃高温时会自动放电，而锂亚电池能满足TPMS宽温度范围的要求。由于一个锂亚电池要向模块提供3-5年的工作能源，因此胎压监测模块的整体电源管理十分重要。5.TPMS的天线天线是远程胎压监测模块发射功率提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。TPMS发射器的天线靠近气门咀，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。螺旋天线可能是一种比较好的选择，它可扩大发射和接收的角度，有效地克服静动态盲点。螺旋天线的直经(D)、圈数(N)、圈间距(S)、螺旋角(α)决定了天线的效率、增益和方向性。无论是做在PCB板上的闭环天线，还是用金属丝做的单端开环天线，调整好天线的网络匹配和提高天线的发射效率及接受灵敏度是至关重要的。中央监视器中央监视器即TPMS接收器主要由天线、UHFRF接收IC和信号处理MCU、键盘、LCD/LED显示器、电源组成。RF接收IC和信号处理MCU安装在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的LCD显示器可安装在驾驶台上，LCD显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度，和每一个轮胎的ID识别码，以及声光报警。由于接收系统是工作在汽车车厢内，其环境温度是常温而且变化不大，电源可以使用汽车的12V或24V电源，因此对器件选用只要是工业级即可，省电要求也不高。RF接收IC选用时一般考虑需要较高的接收灵敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整个系统的生产成本，Atmel的T5743、英飞凌的TDK5210的标准灵敏度都达-100dBm以上。TPMS监测模块趋向高集成度发展TPMS发射器模块将向高度集成化、专用化、单一化、无线无源化方向发展。随着TPMS市场对IC高集成度和高可靠性的要求，几年前已经有了如英飞凌SP30、GENPX这种将测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块；目前新推出的英飞凌SP35、飞思卡尔MPXY8300已是包含RF、P/A传感器、与MCU三合一的模块；包含利用运动的机械能自供电的四合一模块也将在明后年问世，届时胎压监测发射器只有一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。值得关注的是电容传感器技术在这几年有长足的进步，MPXY8300是新一代的革命性的产品，在一个封装内集成压力传感器、8位MCU、RF和X、Z双轴加速计，以降低功耗，缩短开发时间和降低成本。MPXY8300主要特点：集成压力和温度传感器包括；集成基于PLL的315/434MHZRF发射器；多种波特率选择，同时支持FSK/ASK调制模式；带有512字节RAM和16K字节Flash的8位MCU；带有探测器和解码器的LF输入；过温关断；供电电压测量；多达二路的加速计用于运动监测和轮胎位置识别；由LFO驱动的低功耗唤醒计时器和周期性复位；独特的用于媒介保护的集成过滤器；针对FMVSS138设计。新一代TPMS应采选用最新集成度高、性价比好和有生命力的器件。特别是发射模块的空间有限，压力、加速度、温度传感器和MCU的分列器件组合的方式是绝不可选的。一些过渡产品因生产厂家停产也不宜采用，如SP12。