基于MEMS传感嚣的TPMS系统开发与实现（二）

　　４胎压传感模块系统设计

　　由于压阻式ＭＥＭＳ气压传感器的输出信号为数十毫伏量级，而且需要对温漂、初始测量等做相应校正，因此一个完善且实用的胎压传感模块系统如下图７所示，需要与之配套的专用芯片，将信号放大调理电路和低功耗ＭＣＵ控制电路集成在一起。胎压传感模块的工作流程如图８所示。

　　如图９所示，ＭＥＭＳ信号调理电路需要对压力传感器、温度传感器和电压监测三个传感器进行信号处理。由于压力惠通斯电桥和温度传感器均为小信号输出，为了充分利用ＡＤＣ的输入动态范围，减小ＡＤＣ要求，需要在信号进入ＡＤＣ之间进行放大。ＬＮＡ采用开关电容实现，控制前级多路选择器在压力和温度信号之间进行切换。温度和压力的ＡＤＣ实现均为１３位。系统功耗管理控制与压力传感器的温度系数校准则由后续的ＭＣＵ实现。

　　微功耗ＭＣＵ控制电路是胎压传感模块的控制组件，主要功能包括：与ＭＥＭＳ信号调理电路一起对气压、温度、电池电压信号进行处理；对ＭＥＭＳ传感器、ＲＦ传送芯片、加速度传感器（备选）进行控制；响应外界ＬＦ或加速度信号，适时解除或恢复系统休眠状态。

　　针对胎压传感模块的ＲＦ发射芯片主要性能指标如下：

　　调制方式：ＡＳＫ、ＦＳＫ

　　频率范围：４３３～４３５ＭＨｚ

　　电源电压：２．１－４．０Ｖ

　　工作温度：一４０℃～１２５℃

　　休眠模式功耗：＜１００ｎＡ

　　ＰＬＬ激活模式功耗电流：＜４．０ｍＡ

　　发射模式电流：＜１０．２ｍＡ

　　４３４ＭＨｚ输出功率（５０Ｑ负载）：３．０～７．５ｄＢｍ

　　与ＲＦ发射芯片配套，用于实现对胎压传感模块无线信号的有效接收放大和解调处理的ＲＦ接收芯片性能指标如下：

　　工作电压：４．５Ｖ。５．５Ｖ

　　频率范围：４００～４４０ＭＨｚ

　　调试方式：ＦＳＫ、ＡＳＫ

　　接收灵敏度：ＦＳＫ模式＜一１００ｄＢｍ

　　ＡＳＫ模式＜一１０７ｄＢｍ

　　工作电流：ＦＳＫ模式＜６．０ｍＡ

　　ＡＳＫ模式＜５．３ｍＡ

　　休眠待机电流：＜５０ｎＡ

　　５接收系统软硬件与人机界面设计

　　如图１０所示，接收器是由８位ＭＣＵ，射频接收单位，显示屏，按钮，蜂鸣器和电源组成。接收器可以显示轮胎压力、温度以及各种报警信息，当轮胎压力或温度超出范围值时（压力过高或过低，温度过高），系统给出报警声，蜂鸣器鸣响，接收器屏幕相应图标闪烁。内置软件工作流程如图１１所示，该流程由内置８位ＭＣＵ中的程序进行控制，可以通过修改软件，灵活增减相应功能。

　　根据国标ＧＢ／Ｔ　２６１４９-２０１０的要求，我们开发的ＴＰＭＳ系统具有６种工作模式，分别是：正常工作模式，学习模式，删除模式，标准值设置模式，轮胎调换模式和报警与提醒模式，如图１２所示，都能在液晶面板上进行有效显示。

　　６模块和系统功能测试结果

　　如图１３所示，基于北京大学自主研发的ＭＥＭＳ传感芯片，完成了ＴＰＭＳ传感发射模块、传感发射单元和系统产品原型的开发，并对该系统进行了实际测试验证。

　　对于量程４５０ｋＰａ传感器产品，按照中国ＴＰＭＳ标准ＧＢ／Ｔ　２６１４９-２０１０，传感器准确度要求为＋／－８．５ｋＰａ（０-５０℃）及＋／＿１７．５ｋＰａ（一４０℃至１２５　℃，不包括０　５０℃）。经６４个样本测试，校准点设定在２２℃、７００Ｃ：ｌＯＯｋＰａ、２７５ｋＰａ、４５０ｋＰａ下进行。验证测试在一４０℃、２５℃、４５℃、７０℃、９５　℃、１２５℃；１００ｋＰａ、１８８ｋＰａ、２７５ｋＰａ、３６２ｋＰａ、４５０ｋＰａ下进行。共读取了３３９４个测量数据并进行分析，具体结果如表２所示，传感器的测量准确度都能附合国标要求。

　　根据ＧＢ／Ｔ２６１４９-２０１０的要求，对射频性能做了测试，实测结果表明，在不同应用环境下，该系统简单调整后都能符合ＧＢ／Ｔ２６１４９-２０１０要求，功能测试结果见表３。

　　我们将所开发ＴＰＭＳ系统与欧洲某ＴＰＭＳ厂商的产品进行了对比实验验证。测试结果如图１４所示，我们的ＴＰＭＳ传感发射单元可以获得和商用产品一致的压力响应曲线（纵轴为环境压力，单位为Ｋｐａ；横轴为９个测试点，分别对应不同环境压力）。

　　上图中测试结果之间的差值是因为我们的压力传感发射单元显示的是相对于真空的压力值，而商用产品显示的是相对于外界大气压的相对压力值。

　　相对压力值指的是轮胎内部的气压减去外界大气压，一般情况下外界大气压为１０１Ｋｐａ左右。因此在相同测试点上，商用产品测量值约等于我方产品测量值减去１０１Ｋｐａ。

　　７　结论

　　本文提出了基于ＭＥＭＳ传感器的整套ＴＰＭＳ系统方案。实测结果表明所开发系统在一４０～１２５℃温度范围内，系统可以有效测量气压、温度、电池电压数据，各项指标参数满足国标ＧＢ／Ｔ　２６１４９-２０１０要求，可以满足安装ＴＰＭＳ的车辆使用需要。