胎壓傳感器的超低功耗設計

許紅寧 徐松亮

摘要：無論是應用在汽車領域還是軌道車領域的胎壓監(jiān)測傳感器，無論是內置還是外置的安裝類型，都需要一次性電池供電，連續(xù)工作時間最少要求3年，甚至有的要求8年以上。所以對胎壓傳感器的超低功耗設計變得尤為重要。本文基于飛思卡爾的FXTH87系列胎壓傳感器，提出了影響功耗的設計關鍵點，并討論了優(yōu)化各個功耗關鍵點的方法，不僅給出了理論，也給出了實測驗證數(shù)據(jù)，證明可以使胎壓傳感器連續(xù)工作8年以上。

關鍵詞：軌道交通;胎壓傳感器;超低功耗;TPMS

中圖分類號：TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0085-02

1 ?緒論

1.1 胎壓傳感器的重要性

胎壓系統(tǒng)有兩個重要意義：第一是保證合適的輪胎溫度和輪胎氣壓，提高車輛的安全性能;第二是提高車輛的燃油經濟性。因此，世界各地區(qū)都已經要求或將要求車輛安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。而胎壓傳感器作為整個系統(tǒng)的核心傳感部件，系統(tǒng)的精度、傳輸距離、通訊穩(wěn)定性、維護周期等核心重要參數(shù)都來源于它。

1.2 胎壓傳感器按安裝方式的分類

外置安裝：安裝在氣嘴上;安裝與更換容易，無線信號相對穩(wěn)定;但是防盜性不如內置，而且對密封工藝要求較高;與接收機匹配一般采用充氣匹配，或使用專用手持設備匹配。內置安裝：安裝在輪轂上;防盜;密封工藝要求較低;但是安裝、更換、配置較復雜，而且無線信號相對較差;與接收機匹配一般采用放氣匹配，或使用專用手持設備匹配。外置傳感器一般可以更換電池，但是更換電池通常也需要更換密封膠圈等耗材。而內置胎壓傳感器大多不支持電池的更換。所以胎壓傳感器的超低功耗設計就變得尤為重要。

2 ?硬件環(huán)境

2.1 FXTH87介紹

胎壓傳感器由一節(jié)3.0V不可充電的鋰電池為電源，初步選定CR2450封裝，大概550mAh容量。傳感器內部MCU是FXTH87，它集成了3個傳感信號：輪胎壓力、溫度、電池電量。

FXTH87內部為8位MCU，雖然計算能力較弱，但是卻滿足了超低功耗的應用。

胎壓傳感器的無線通訊分為RF和LF，RF基于433MHz載波通訊，而LF基于125kHz載波通訊。胎壓傳感器的RF只有發(fā)送功能，沒有接收功能，因為RF在開啟接收時，功耗與發(fā)送是基本是同一數(shù)量級的，不符合胎壓傳感器的低成本和超低功耗設計應用理念。但是在某些應用場景下，雙向通訊是必須的，比如說參數(shù)配置、在線升級、無線喚醒等。所以引入了LF功能，LF只有接收功能，因為LF通訊時所需的能量大多來源于發(fā)送端，而發(fā)送端完全可以使用更大的電池和更大的天線，通訊距離可以達到1～2米?？傊?，使用RF發(fā)送、使用LF接收這樣的設計理念，就是為了雙向通訊時能夠省電。

傳感器內部的Flash不僅可以用來做程序的執(zhí)行，也可以用于參數(shù)的存儲，所以我們可以把編號，發(fā)送周期、功率等參數(shù)信息直接寫入芯片內部Flash即可。

2.2 低成本nA級功耗測試工具

硬件工具：X-NUCLEO-LPM01A

PC軟件工具：STM32CubeMonitor-Power

主要性能參數(shù)：采樣頻率高達100kHz、可編程電壓源范圍1.8～3.3V、靜態(tài)測量電流1nA～200mA、動態(tài)測量電流100nA～50mA的測量范圍、動態(tài)功率測量范圍180nW～165mW。

我們的應用最小電流是500nA左右，所以這款500元左右的開發(fā)工具，就可以滿足我們的超低功耗的測試使用。

3 ?影響功耗的項點與優(yōu)化方法

3.1 電池的選型

選擇胎壓傳感器紐扣電池的第一個因素是體積，受空間限制，所以要平衡容量與體積，本文的應用場景為軌道車，所以對體積要求不是很嚴格，選了CR2450封裝的紐扣電池，依據(jù)電池的產品手冊，容量可以高達到550mAh。第二個選擇因素是溫度系數(shù)，這個就會排除大多數(shù)品牌的電池，根據(jù)汽車級的使用場景和相關標準要求，需要在-40～+125攝氏度全溫度范圍內正常工作，且能基本保證電量。第三個選擇因素是電池的放電曲線，一般紐扣的電池放電曲線會隨著能量的消耗，電壓也不斷的下降，當下降到CPU的工作電壓極限時，雖然電池仍有電能，但是系統(tǒng)將不能正常工作，所以胎壓傳感器電池要求使用過程中的保證標定電壓。根據(jù)上述三個選擇條件，目前用于胎壓傳感器的紐扣電池通常為下面兩個品牌：以色列的塔迪蘭電池、日本的maxell電池。塔迪蘭電池性能優(yōu)良，但是長時間不使用需要微小持續(xù)電流激活。所以本設計選擇了日本maxeII的CR2450HR電池。

3.2 發(fā)射功率

FXTH87的發(fā)射功率范圍是-10dB至+8dB，從低功耗的角度來說，肯定是越低的發(fā)射功率消耗的電能越小，但是具體還要考慮現(xiàn)場環(huán)境，因為過小的發(fā)射功率意味著抗干擾丟包率的上升，所以要根據(jù)車型、使用環(huán)境及天線的匹配狀況來確定能夠穩(wěn)定通訊的最小發(fā)射功率。另外有一個重要的知識點：是不是發(fā)射功率越大通訊效果越好呢？如果是單一的通訊網(wǎng)絡，可以這么認為;但如果是像軌道車多節(jié)車廂多網(wǎng)絡的應用場景就不是這樣了，因為對于一般的設計來說，傳感器是都是頻率434MHz等開放公共載波頻率，如果功率過大，會相互產生同頻干擾。導致頻繁丟包，所以在發(fā)射功率的選擇上最好能找到一個功率既可以在本網(wǎng)絡穩(wěn)定通訊又不影響其他網(wǎng)絡。

3.3 發(fā)射周期

發(fā)射周期的優(yōu)化是超低功耗設計是最重要的環(huán)節(jié)，因為傳感器在發(fā)射時的電流高達近10mA，絕大部分能量消耗都用于無線數(shù)據(jù)的發(fā)射上了。設計發(fā)射周期有兩種方法，一種是固定發(fā)射周期，比如固定5秒發(fā)送一包數(shù)據(jù)，這樣的設計雖然簡單，但是一般只用于實驗室或前期開發(fā)測試。第二種就是根據(jù)不同的狀況動態(tài)的改變發(fā)射周期，比如當車輛停止的時候，可以拉長發(fā)射周期甚至停止發(fā)射;而當監(jiān)測到胎壓或溫度異常的時候，可以縮短發(fā)射周期;還可以按車輛的運行速度來改變發(fā)射周期，當車輛低速運行的時候，危險系數(shù)不大，可以拉長發(fā)射周期，當車輛高速運行的時候，危險系數(shù)增大，可以縮短發(fā)射周期。

3.4 CPU各睡眠模式的功耗

FXTH87傳感器內置的CPU，有多種電源管理方式，包括淺睡眠和深睡眠，不同的睡眠模式耗電不同，喚醒條件也不同，比如深睡眠狀態(tài)下靜態(tài)電流只需要510nA左右，但是只能被周期性喚醒，且喚醒即復位;而在淺睡模式下，靜態(tài)電流高達幾微安，但是可以被低頻通訊等多個條件喚醒。所以最優(yōu)的設計不應該只采取單一的睡眠模式，而是根據(jù)采集頻率和發(fā)送頻率等條件的變化，動態(tài)交替的使用深睡和淺睡兩種睡眠模式。

3.5 采集周期優(yōu)化

通常的設計，采集周期與RF發(fā)送周期是相同的，但是這樣設計會浪費掉很多能量。比如說電池電壓的采集周期，按照傳感器的功耗及電池的特性曲線，電池電壓在短時間內不會有較大的變化，所以每小時甚至每天采集一次就夠用了。其次是溫度的采集，同樣輪胎的溫度也不會在短時間內急速的上升或下降（火災或涉水等條件除外），所以通常幾分鐘至幾十分鐘采集一次即可。而胎壓的監(jiān)測是尤為重要的，可能會出現(xiàn)輪胎損壞導致胎壓突然下降的情況，所以胎壓的監(jiān)測應該是秒級的，胎壓的采集頻率應該大于射頻的發(fā)射頻率，如果數(shù)據(jù)產生異常，則可以迅速的實現(xiàn)高頻率實時射頻發(fā)送。所以設置合適的采集周期能夠大幅度的減少CPU的喚醒次數(shù)，從而實現(xiàn)降低能耗的效果。

3.6 利用加速度傳感器判斷車輛運行速度

因為車輛在停止的時候，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的接收機也是停止工作的，所以此時胎壓傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)就變得毫無意義?？紤]到這個場景，胎壓傳感器的廠家將加速度傳感器一同融合進傳感器件。FXTH87系列的芯片內部有單軸加速度的芯片，也有雙軸加速度的芯片，如果只是判定車輛的走停及運行速度，那么含有單軸加速度的胎壓傳感芯片就可以滿足。輪旋轉的速度越快，離心力越大，加速度傳感器所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)絕對值則越大。根據(jù)這個原理，我們可以把運行狀態(tài)分為三類：停止、低速和高速。當車輛停止時，可以停止一切的傳感采集和發(fā)送操作，讓傳感器達到超級省電的狀態(tài)。當車輛低速運行時，因為爆胎等風險較小，所以可以低速采集、低速發(fā)送數(shù)據(jù)。當車輛高速運行時，這時輪胎如果異常則會帶來較大災難，所以傳感器進入正常工作狀態(tài)。綜上所述，通過識別車輛的運行速度來動態(tài)的改變采集與發(fā)送周期，從而靈活的調節(jié)了CPU的喚醒頻率和射頻的發(fā)送頻率。

3.7 LF的周期性喚醒

并不是所有的胎壓傳感器都會用到LF，一般汽車上的傳感器不需要使用，它們與接收機的配對可以通過充放氣操作來識別。然而軌道車就不能接受輪胎的充放氣，不僅如此，軌道車的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)更加復雜，還需要編號設置、升級等更過操作。所以雙向通訊功能是必不可少的。

根據(jù)電流表的靜態(tài)耗電電流測量，開啟LF的低功耗耗電為5.1uA，而不開啟LF的低功耗耗電為0.51uA，雖然是uA級，但是統(tǒng)計一下每年的耗電量：

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

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

由上面數(shù)據(jù)可知對電量影響較大。

因為配置傳感器的過程是偶發(fā)使用功能，所以可以使用窗口式開啟模式，比如以1/10窗口開啟LF，即10秒開啟1秒，則每年的耗電量：

窗口LF每年功耗：0.0051mA*24h*365約等于10 mAh/年。

由上面數(shù)據(jù)可知對電量影響較小。

但是注意的是窗口式應用，在配置傳感器時，體驗會有影響，具體要看應用場景是否能夠接受。

4 ?功耗計算與測試

電池電量：實際應用為maxell的CR2450電池，額定容量550mAh。

單位換算：由公式1J/S=1W，推導如下：

3600J=1000mVAh

1mVAh=3.6J

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

功耗估算：條件為25°工作，15秒周期采集發(fā)送，計算每年的功耗。每年的處理總包數(shù)：3600*24*365/15=2102400包。

經過STM32CubeMonitor-Power工具測出每個周期的功耗，工具連續(xù)測出10次發(fā)送的總功耗，再做平均就可以準確得出每次發(fā)送的功耗，再通過公式計算出使用年限，例如：發(fā)送功率為-10dBm時，單次功耗為313.694uJ，用CR2450使用年限為9年以上。

5 ?總結

經過本次計算，maxell品牌的CR2450的標定能量，以15秒周期采集發(fā)送模式可以滿足5～9年的應用需求，如果結合上述智能超低功耗優(yōu)化算法，可以滿足5～10年甚至10年以上，如果用這么長時間，則電池有效期及自放電將是要重點考慮的問題。

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作者簡介：許紅寧（1982-），女，遼寧沈陽人，本科，中級，研究方向為電子信息工程（工控）;徐松亮（1982-），男，遼寧沈陽人，本科，中級，研究方向為測控技術與儀器（工控與醫(yī)療器械）。