湯自寧，吳 瑾，王冠達(dá)，劉志霞

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

隨著中國對胎壓監(jiān)測強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的出臺，2019年1月起國內(nèi)銷售的M1類車輛 （乘用車2020年1月）必須搭載胎壓監(jiān)測系統(tǒng) （Tire Pressure Monitoring System，TPMS），TPMS正式成為汽車標(biāo)配［1］。常用的直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)展，在汽車電控系統(tǒng)中，車身控制器（Body Control Module，BCM）自身帶有汽車門禁系統(tǒng) （RKE）高頻接收模塊，該模塊與胎壓監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)約空間與成本的考慮，將胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的接收器集成在BCM中，減小電控單元復(fù)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(xiàn)中控儀表顯示胎壓信息和執(zhí)行聲光報警，可進(jìn)一步實現(xiàn)整車電控聯(lián)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(fù)責(zé)接收并解調(diào)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(jìn)來后經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)從而傳輸?shù)絋DA5210射頻接收芯片，芯片對信號進(jìn)行解調(diào)后，將其傳輸至MCU，經(jīng)MCU處理后在顯示屏實時顯示各輪胎氣壓、溫度、報警信息或?qū)崿F(xiàn)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(wǎng)絡(luò)、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(dá)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(yōu)點(diǎn)，但需由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(diào)整至50Ω，實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計

用矢量網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，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(jīng)過調(diào)試，最終確定C78=4.3 pF，L1=82 nH，C185=1 pF。用矢量網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計

經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。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(jīng)調(diào)試確定Cs1=1.6 pF，Lp1=33 nH，Cs2=8 pF。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試反射系數(shù)S11=-25 dB，駐波比為1.07，輸入阻抗值調(diào)節(jié)為46+j3Ω，匹配情況良好。

3 芯片外圍電路設(shè)計

工程應(yīng)用中，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)通常采用抗干擾能力強(qiáng)的FSK調(diào)制方式［4］，數(shù)據(jù)率選擇9.6 kb／s；同時，傳統(tǒng)的RKE常用的發(fā)射芯片有HCS300，芯片的數(shù)據(jù)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(jìn)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(shù)據(jù)路徑的帶通頻率特性

FSK模式下解調(diào)數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)路徑呈帶通特性。芯片TDA5210引腳20上的數(shù)據(jù)切割器閾值負(fù)反饋連接至FSK解調(diào)器的負(fù)端，以補(bǔ)償FSK鎖相環(huán)解調(diào)時產(chǎn)生的DC偏移，呈高通特性；數(shù)據(jù)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(jìn)行帶通頻率特性的設(shè)計，其低截止頻率應(yīng)低于數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的最低頻率，高截止頻率應(yīng)高于數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的最高頻率［6］，以保證在濾除多余頻率成分的同時有效數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)切割器設(shè)計

數(shù)據(jù)切割器是一個帶寬為100 kHz的快速比較器，F(xiàn)SK模式時引腳20上的閾值由RC回路產(chǎn)生。RC回路的頻率必須低于數(shù)據(jù)信號中出現(xiàn)的最低頻率。同時，為保持低失真，R的值應(yīng)大于20 kΩ。數(shù)據(jù)切割閾值計算為［5］：

已知RKE鑰匙信號中出現(xiàn)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(shù)據(jù)切割閾值f2低于數(shù)據(jù)最低頻率，滿足設(shè)計要求。

3.3 數(shù)據(jù)濾波器設(shè)計

數(shù)據(jù)濾波器的2階Sallen-Key低通濾波器由芯片內(nèi)部的電壓跟隨器和2個電阻結(jié)合芯片外部2個電容構(gòu)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(dāng)選取巴特沃斯濾波器時，a=1.414，b=1。f3dB的取值應(yīng)高于數(shù)據(jù)信號中出現(xiàn)的最高頻率，已知胎壓傳感器信號數(shù)據(jù)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(jié)果測試

4.1 TDA5210硬件解調(diào)波形測試

4.1.1 RKE鑰匙硬件解調(diào)波形測試

首先對接收模塊硬件解調(diào)準(zhǔn)確性進(jìn)行測試。在射頻接收芯片DATA引腳測試FSK解調(diào)數(shù)據(jù)波形，根據(jù)HCS300通信協(xié)議對解調(diào)波形進(jìn)行判斷，以前導(dǎo)符作為一個編碼字開始的標(biāo)識，前導(dǎo)符為12個占空比50%的規(guī)則脈沖。前導(dǎo)符前為防護(hù)周期，由圖5波形可以看出防護(hù)周期內(nèi)為干凈的低電平，無雜波出現(xiàn)。前導(dǎo)符后為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)頭長度為4.48 ms，符合HCS300通信協(xié)議要求。數(shù)據(jù)頭后為數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)波形內(nèi)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(diào)波形

4.1.2 胎壓信號硬件解調(diào)波形測試

圖6所示為胎壓傳感器數(shù)據(jù)解調(diào)波形，也是胎壓傳感器信號的導(dǎo)碼部分。由圖6可知解調(diào)波形內(nèi)無雜波，數(shù)據(jù)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(jìn)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(jìn)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(yīng)，則認(rèn)為該位置為有效接收點(diǎn)；若在該半徑圓上所有測試點(diǎn)均為有效接收點(diǎn)，則之后每次將半徑增加一米進(jìn)行相同測試。經(jīng)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(qū)的設(shè)計要求。

圖6 胎壓傳感器信號硬件解調(diào)波形

4.3 胎壓傳感器信號接收性能測試

使用信號發(fā)射器 （Agilent N9310A）模擬實際傳感器的信號定時發(fā)送信號，以數(shù)據(jù)幀接收率>90%為標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)射模式，將BCM放于距離水平面1.5 m處，以幀接收率90%為標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

基于TDA5210設(shè)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(shè)計確保對兩種不同波特率解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確濾波處理，優(yōu)化了接收模塊的硬件接收靈敏度。經(jīng)測試，接收模塊TPMS數(shù)據(jù)接收靈敏度為-100 dBm，裝車后胎壓數(shù)據(jù)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(qū)，滿足車身周圍30 m無盲區(qū)的要求，并達(dá)到了節(jié)約成本和空間的目的，具有良好的實用價值與應(yīng)用前景。