湯自寧,吳 瑾,王冠達(dá),劉志霞
(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)
隨著中國(guó)對(duì)胎壓監(jiān)測(cè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),2019年1月起國(guó)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(cè)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(cè)系統(tǒng)由安裝于4個(gè)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(cè)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(wú)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(cè)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(shí)可以利用BCM提供的車輛總線與整車通信,實(shí)現(xiàn)中控儀表顯示胎壓信息和執(zhí)行聲光報(bào)警,可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整車電控聯(lián)動(dòng)。
車身控制器高頻無(wú)線接收模塊負(fù)責(zé)接收并解調(diào)自由空間中來(lái)自胎壓傳感器信號(hào)或者RKE遙控鑰匙信號(hào),信號(hào)從天線接收進(jìn)來(lái)后經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)從而傳輸?shù)絋DA5210射頻接收芯片,芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后,將其傳輸至MCU,經(jīng)MCU處理后在顯示屏實(shí)時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度、報(bào)警信息或?qū)崿F(xiàn)遙控解閉鎖及自動(dòng)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(jiàn)圖1。
在接收模塊中,LNA的輸入阻抗與前級(jí)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(shí),將芯片LNA輸入阻抗也調(diào)整至50Ω,實(shí)現(xiàn)LNA與天線間的阻抗匹配,減小傳輸路徑上的功率損耗。
用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試實(shí)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(guò)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(cè)試此時(shí)的天線輸入阻抗為49.2+j1.8Ω。天線阻抗匹配效果良好。
經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(shí)天線阻抗匹配路徑
圖3 433.92 MHz時(shí)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(cè)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。
工程應(yīng)用中,胎壓監(jiān)測(cè)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(shí),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(duì)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(duì)胎壓傳感器信號(hào)的接收與處理,同時(shí)不影響對(duì)RKE鑰匙信號(hào)的接收。
FSK模式下解調(diào)數(shù)據(jù)時(shí),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(shí)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(duì)兩種不同波特率信號(hào)進(jìn)行帶通頻率特性的設(shè)計(jì),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(shí)有效數(shù)據(jù)不被錯(cuò)誤濾除。FSK模式時(shí)頻率特性如圖4所示。
圖4 FSK模式時(shí)頻率特性
數(shù)據(jù)切割器是一個(gè)帶寬為100 kHz的快速比較器,F(xiàn)SK模式時(shí)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(hào)中出現(xiàn)的最低頻率。同時(shí),為保持低失真,R的值應(yīng)大于20 kΩ。數(shù)據(jù)切割閾值計(jì)算為[5]:
已知RKE鑰匙信號(hào)中出現(xiàn)的最低頻率約為750 Hz,故取R=100 kΩ,C=220 nF,此時(shí)計(jì)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(jì)要求。
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(gè)電阻結(jié)合芯片外部2個(gè)電容構(gòu)成,其截止頻率f3(f3dB)取決于2個(gè)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(shí),a=1.414,b=1。f3dB的取值應(yīng)高于數(shù)據(jù)信號(hào)中出現(xiàn)的最高頻率,已知胎壓傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)率為9.6 kb/s,故f3dB取19.2 kHz。計(jì)算得Q=0.71,C1取120 pF,C2取56 pF。
4.1.1 RKE鑰匙硬件解調(diào)波形測(cè)試
首先對(duì)接收模塊硬件解調(diào)準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試。在射頻接收芯片DATA引腳測(cè)試FSK解調(diào)數(shù)據(jù)波形,根據(jù)HCS300通信協(xié)議對(duì)解調(diào)波形進(jìn)行判斷,以前導(dǎo)符作為一個(gè)編碼字開(kāi)始的標(biāo)識(shí),前導(dǎo)符為12個(gè)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(wú)雜波出現(xiàn)。前導(dǎo)符后為數(shù)據(jù)頭,其長(zhǎng)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(shí)際數(shù)據(jù)頭長(zhǎng)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(wú)雜波,RKE鑰匙信號(hào)得到正確解析。
圖5 RKE鑰匙信號(hào)硬件解調(diào)波形
4.1.2 胎壓信號(hào)硬件解調(diào)波形測(cè)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(hào)的導(dǎo)碼部分。由圖6可知解調(diào)波形內(nèi)無(wú)雜波,數(shù)據(jù)解析正確。
對(duì)RKE鑰匙接收距離進(jìn)行裝車測(cè)試,測(cè)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(cè)試,測(cè)試時(shí),在一個(gè)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(cè)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(cè)試。經(jīng)測(cè)試得到RKE鑰匙接收距離為35 m,滿足RKE信號(hào)接收遙控距離裝車后車身周圍30 m無(wú)盲區(qū)的設(shè)計(jì)要求。
圖6 胎壓傳感器信號(hào)硬件解調(diào)波形
使用信號(hào)發(fā)射器 (Agilent N9310A)模擬實(shí)際傳感器的信號(hào)定時(shí)發(fā)送信號(hào),以數(shù)據(jù)幀接收率>90%為標(biāo)準(zhǔn),測(cè)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(shí)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(cè)試胎壓傳感器的有效傳輸距離為45 m,滿足裝車要求。
基于TDA5210設(shè)計(jì)的集成于車身控制器的胎壓接收模塊,通過(guò)天線與射頻接收芯片LNA輸入之間的阻抗匹配減小了信號(hào)傳輸過(guò)程中的功率損耗,通過(guò)芯片外圍電路設(shè)計(jì)確保對(duì)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(cè)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(wú)盲區(qū),滿足車身周圍30 m無(wú)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(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景。