許紅寧 徐松亮

摘要：無(wú)論是應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域還是軌道車(chē)領(lǐng)域的胎壓監(jiān)測(cè)傳感器，無(wú)論是內(nèi)置還是外置的安裝類(lèi)型，都需要一次性電池供電，連續(xù)工作時(shí)間最少要求3年，甚至有的要求8年以上。所以對(duì)胎壓傳感器的超低功耗設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，并討論了優(yōu)化各個(gè)功耗關(guān)鍵點(diǎn)的方法，不僅給出了理論，也給出了實(shí)測(cè)驗(yàn)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(guān)鍵詞：軌道交通;胎壓傳感器;超低功耗;TPMS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(gè)重要意義：第一是保證合適的輪胎溫度和輪胎氣壓，提高車(chē)輛的安全性能;第二是提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，世界各地區(qū)都已經(jīng)要求或?qū)⒁筌?chē)輛安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而胎壓傳感器作為整個(gè)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(hù)周期等核心重要參數(shù)都來(lái)源于它。

1.2 胎壓傳感器按安裝方式的分類(lèi)

外置安裝：安裝在氣嘴上;安裝與更換容易，無(wú)線信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定;但是防盜性不如內(nèi)置，而且對(duì)密封工藝要求較高;與接收機(jī)匹配一般采用充氣匹配，或使用專(zhuān)用手持設(shè)備匹配。內(nèi)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(fù)雜，而且無(wú)線信號(hào)相對(duì)較差;與接收機(jī)匹配一般采用放氣匹配，或使用專(zhuān)用手持設(shè)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(nèi)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(shè)計(jì)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(nèi)部MCU是FXTH87，它集成了3個(gè)傳感信號(hào)：輪胎壓力、溫度、電池電量。

FXTH87內(nèi)部為8位MCU，雖然計(jì)算能力較弱，但是卻滿(mǎn)足了超低功耗的應(yīng)用。

胎壓傳感器的無(wú)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(méi)有接收功能，因?yàn)镽F在開(kāi)啟接收時(shí)，功耗與發(fā)送是基本是同一數(shù)量級(jí)的，不符合胎壓傳感器的低成本和超低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)用理念。但是在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，雙向通訊是必須的，比如說(shuō)參數(shù)配置、在線升級(jí)、無(wú)線喚醒等。所以引入了LF功能，LF只有接收功能，因?yàn)長(zhǎng)F通訊時(shí)所需的能量大多來(lái)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(dá)到1～2米?？傊褂肦F發(fā)送、使用LF接收這樣的設(shè)計(jì)理念，就是為了雙向通訊時(shí)能夠省電。

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

2.2 低成本nA級(jí)功耗測(cè)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(dá)100kHz、可編程電壓源范圍1.8～3.3V、靜態(tài)測(cè)量電流1nA～200mA、動(dòng)態(tài)測(cè)量電流100nA～50mA的測(cè)量范圍、動(dòng)態(tài)功率測(cè)量范圍180nW～165mW。

我們的應(yīng)用最小電流是500nA左右，所以這款500元左右的開(kāi)發(fā)工具，就可以滿(mǎn)足我們的超低功耗的測(cè)試使用。

3 ?影響功耗的項(xiàng)點(diǎn)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(gè)因素是體積，受空間限制，所以要平衡容量與體積，本文的應(yīng)用場(chǎng)景為軌道車(chē)，所以對(duì)體積要求不是很?chē)?yán)格，選了CR2450封裝的紐扣電池，依據(jù)電池的產(chǎn)品手冊(cè)，容量可以高達(dá)到550mAh。第二個(gè)選擇因素是溫度系數(shù)，這個(gè)就會(huì)排除大多數(shù)品牌的電池，根據(jù)汽車(chē)級(jí)的使用場(chǎng)景和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要在-40～+125攝氏度全溫度范圍內(nèi)正常工作，且能基本保證電量。第三個(gè)選擇因素是電池的放電曲線，一般紐扣的電池放電曲線會(huì)隨著能量的消耗，電壓也不斷的下降，當(dāng)下降到CPU的工作電壓極限時(shí)，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(guò)程中的保證標(biāo)定電壓。根據(jù)上述三個(gè)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間不使用需要微小持續(xù)電流激活。所以本設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，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(chǎng)環(huán)境，因?yàn)檫^(guò)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(chē)型、使用環(huán)境及天線的匹配狀況來(lái)確定能夠穩(wěn)定通訊的最小發(fā)射功率。另外有一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)：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(luò)，可以這么認(rèn)為;但如果是像軌道車(chē)多節(jié)車(chē)廂多網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景就不是這樣了，因?yàn)閷?duì)于一般的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，傳感器是都是頻率434MHz等開(kāi)放公共載波頻率，如果功率過(guò)大，會(huì)相互產(chǎn)生同頻干擾。導(dǎo)致頻繁丟包，所以在發(fā)射功率的選擇上最好能找到一個(gè)功率既可以在本網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定通訊又不影響其他網(wǎng)絡(luò)。

3.3 發(fā)射周期

發(fā)射周期的優(yōu)化是超低功耗設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)閭鞲衅髟诎l(fā)射時(shí)的電流高達(dá)近10mA，絕大部分能量消耗都用于無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)射上了。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但是一般只用于實(shí)驗(yàn)室或前期開(kāi)發(fā)測(cè)試。第二種就是根據(jù)不同的狀況動(dòng)態(tài)的改變發(fā)射周期，比如當(dāng)車(chē)輛停止的時(shí)候，可以拉長(zhǎng)發(fā)射周期甚至停止發(fā)射;而當(dāng)監(jiān)測(cè)到胎壓或溫度異常的時(shí)候，可以縮短發(fā)射周期;還可以按車(chē)輛的運(yùn)行速度來(lái)改變發(fā)射周期，當(dāng)車(chē)輛低速運(yùn)行的時(shí)候，危險(xiǎn)系數(shù)不大，可以拉長(zhǎng)發(fā)射周期，當(dāng)車(chē)輛高速運(yùn)行的時(shí)候，危險(xiǎn)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(nèi)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(fù)位;而在淺睡模式下，靜態(tài)電流高達(dá)幾微安，但是可以被低頻通訊等多個(gè)條件喚醒。所以最優(yōu)的設(shè)計(jì)不應(yīng)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(dòng)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(shè)計(jì)，采集周期與RF發(fā)送周期是相同的，但是這樣設(shè)計(jì)會(huì)浪費(fèi)掉很多能量。比如說(shuō)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(shí)間內(nèi)不會(huì)有較大的變化，所以每小時(shí)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(huì)在短時(shí)間內(nèi)急速的上升或下降（火災(zāi)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(cè)是尤為重要的，可能會(huì)出現(xiàn)輪胎損壞導(dǎo)致胎壓突然下降的情況，所以胎壓的監(jiān)測(cè)應(yīng)該是秒級(jí)的，胎壓的采集頻率應(yīng)該大于射頻的發(fā)射頻率，如果數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常，則可以迅速的實(shí)現(xiàn)高頻率實(shí)時(shí)射頻發(fā)送。所以設(shè)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(shí)現(xiàn)降低能耗的效果。

3.6 利用加速度傳感器判斷車(chē)輛運(yùn)行速度

因?yàn)檐?chē)輛在停止的時(shí)候，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接收機(jī)也是停止工作的，所以此時(shí)胎壓傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)就變得毫無(wú)意義。考慮到這個(gè)場(chǎng)景，胎壓傳感器的廠家將加速度傳感器一同融合進(jìn)傳感器件。FXTH87系列的芯片內(nèi)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(chē)輛的走停及運(yùn)行速度，那么含有單軸加速度的胎壓傳感芯片就可以滿(mǎn)足。輪旋轉(zhuǎn)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(duì)值則越大。根據(jù)這個(gè)原理，我們可以把運(yùn)行狀態(tài)分為三類(lèi)：停止、低速和高速。當(dāng)車(chē)輛停止時(shí)，可以停止一切的傳感采集和發(fā)送操作，讓傳感器達(dá)到超級(jí)省電的狀態(tài)。當(dāng)車(chē)輛低速運(yùn)行時(shí)，因?yàn)楸サ蕊L(fēng)險(xiǎn)較小，所以可以低速采集、低速發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)，這時(shí)輪胎如果異常則會(huì)帶來(lái)較大災(zāi)難，所以傳感器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。綜上所述，通過(guò)識(shí)別車(chē)輛的運(yùn)行速度來(lái)動(dòng)態(tài)的改變采集與發(fā)送周期，從而靈活的調(diào)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(huì)用到LF，一般汽車(chē)上的傳感器不需要使用，它們與接收機(jī)的配對(duì)可以通過(guò)充放氣操作來(lái)識(shí)別。然而軌道車(chē)就不能接受輪胎的充放氣，不僅如此，軌道車(chē)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加復(fù)雜，還需要編號(hào)設(shè)置、升級(jí)等更過(guò)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(cè)量，開(kāi)啟LF的低功耗耗電為5.1uA，而不開(kāi)啟LF的低功耗耗電為0.51uA，雖然是uA級(jí)，但是統(tǒng)計(jì)一下每年的耗電量：

關(guān)閉LF每年功耗：0.00051mA*24h*365=4.4675mAh/年。

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

由上面數(shù)據(jù)可知對(duì)電量影響較大。

因?yàn)榕渲脗鞲衅鞯倪^(guò)程是偶發(fā)使用功能，所以可以使用窗口式開(kāi)啟模式，比如以1/10窗口開(kāi)啟LF，即10秒開(kāi)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(duì)電量影響較小。

但是注意的是窗口式應(yīng)用，在配置傳感器時(shí)，體驗(yàn)會(huì)有影響，具體要看應(yīng)用場(chǎng)景是否能夠接受。

4 ?功耗計(jì)算與測(cè)試

電池電量：實(shí)際應(yīng)用為maxell的CR2450電池，額定容量550mAh。

單位換算：由公式1J/S=1W，推導(dǎo)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(jì)算每年的功耗。每年的處理總包數(shù)：3600*24*365/15=2102400包。

經(jīng)過(guò)STM32CubeMonitor-Power工具測(cè)出每個(gè)周期的功耗，工具連續(xù)測(cè)出10次發(fā)送的總功耗，再做平均就可以準(zhǔn)確得出每次發(fā)送的功耗，再通過(guò)公式計(jì)算出使用年限，例如：發(fā)送功率為-10dBm時(shí)，單次功耗為313.694uJ，用CR2450使用年限為9年以上。

5 ?總結(jié)

經(jīng)過(guò)本次計(jì)算，maxell品牌的CR2450的標(biāo)定能量，以15秒周期采集發(fā)送模式可以滿(mǎn)足5～9年的應(yīng)用需求，如果結(jié)合上述智能超低功耗優(yōu)化算法，可以滿(mǎn)足5～10年甚至10年以上，如果用這么長(zhǎng)時(shí)間，則電池有效期及自放電將是要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：許紅寧（1982-），女，遼寧沈陽(yáng)人，本科，中級(jí)，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ蹋üた兀?徐松亮（1982-），男，遼寧沈陽(yáng)人，本科，中級(jí)，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器（工控與醫(yī)療器械）。