汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案要考慮的因素

汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案要考慮的因素

汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)（TPMS）主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全，是駕車(chē)者和乘車(chē)人員的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了TPMS系統(tǒng)的組成以及器件選擇、節(jié)能和安裝等設(shè)計(jì)考慮因素。

??? 在汽車(chē)的高速行駛過(guò)程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70％-80％是由于爆胎引起的，怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家的分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而TPMS毫無(wú)疑問(wèn)將是理想的工具。

??? 目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型：一種是基于車(chē)輪速度的TPMS（WSBTPMS，間接式TPMS），這種系統(tǒng)是通過(guò)汽車(chē)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，該類(lèi)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100公里/小時(shí)的情況進(jìn)行判斷；另一種是基于壓力傳感器的TPMS（PSBTPMS，直接式TPMS），這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。PSBTPMS在功能和性能上均優(yōu)于WSBTPMS。許多歐洲的汽車(chē)廠商已將PSBTPMS配裝于自己的車(chē)型之中，其中包括德國(guó)寶馬的Z8、法國(guó)雪鐵龍的C5、林肯大陸、克萊斯勒與道奇迷你箱型車(chē)以及Chrysler300M與ConcordeLimited客車(chē)、旁蒂克的旗艦BonnevilleSE等。國(guó)內(nèi)多數(shù)汽車(chē)廠家目前還沒(méi)有進(jìn)行這方面的研究，隨著國(guó)際化的要求和國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的出口，相信國(guó)內(nèi)廠家會(huì)跟上這個(gè)步伐。

一、TPMS系統(tǒng)組成

? ??PSBTPMS主要由安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器和信號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，以及安裝在汽車(chē)駕駛臺(tái)上包括數(shù)字信號(hào)處理單元的RF接收器、液晶顯示器（LCD）組成。其系統(tǒng)如圖1所描述的。

（一）TPMS傳感器

??? TPMS傳感器是一個(gè)集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器、數(shù)字信號(hào)處理單元和電源管理器的片上系統(tǒng)模塊。為了強(qiáng)化胎壓檢測(cè)功能，有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘、看門(mén)狗，和帶12位ADC、4kBFlash、2kBROM、128BRAM、128BEEPROM及其它功能的ASIC數(shù)字信號(hào)處理單元。這些功能芯片使得TPMS傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車(chē)開(kāi)動(dòng)中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且還能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機(jī)、自動(dòng)喚醒、節(jié)省電能等功能。電源管理器確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗，使一節(jié)鋰電池可以使用3-5年。

??? TPMS的壓力傳感器都是用基于MEMS技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的，主要有硅集成電容式壓力傳感器，如飛思卡爾的MPXY8020、MPXY8040；硅壓阻式壓力傳感器，如GENova Sensor的NPX1、NPXC01746，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路，其測(cè)量精度能達(dá)0.01-0.03％FS。

??? TPMS壓力傳感器是一個(gè)片上系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部典型架構(gòu)包括整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘，以及一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號(hào)處理單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶(hù)專(zhuān)用軟件進(jìn)行配置。壓阻式傳感器是由MEMS壓力傳感器和半導(dǎo)體SoC電路，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測(cè)量電橋，同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。

??? 為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有6-8位獨(dú)特的ID碼。

（二）壓力/溫度信號(hào)處理與發(fā)射

??? 壓力/溫度信號(hào)經(jīng)TPMS傳感器模塊內(nèi)的ASIC/SoC電路處理，通過(guò)其SPI口傳輸給安裝在發(fā)射模塊內(nèi)的信號(hào)處理單元，綜合成數(shù)據(jù)流再進(jìn)入同一封裝內(nèi)的RF發(fā)射IC，按設(shè)定的超高頻率（UHF）調(diào)制發(fā)射給安裝在駕駛臺(tái)內(nèi)的接收器。如圖2所示。

??? 為了縮小汽車(chē)輪胎內(nèi)的測(cè)量、信號(hào)處理IC所占面積與發(fā)射模塊的體積，壓力/溫度信號(hào)處理與發(fā)射也采用組合的SoC，如ATMEL的ATAR862、飛思卡爾的MC68HC908RF2，它們都是將一片MCU、一片超高頻（UHF）RF發(fā)送器整合在同一封裝內(nèi)。

??? MCU一般為4位或8位CPU核，包括時(shí)鐘管理、EEPROM、RAM、多個(gè)計(jì)時(shí)器、多個(gè)I/O口、內(nèi)部晶振等。UHFRF發(fā)送器以ATAR862為例，其內(nèi)部嵌入的是T5754UHFASK/FSKRF發(fā)送器，T5754內(nèi)部由PLL、VCO、功率放大器等組成（見(jiàn)圖3），外部晶振源經(jīng)串口諧振器供給VCO，PLL向MCU提供時(shí)鐘，MCU將已編碼的數(shù)據(jù)流經(jīng)功率放大器調(diào)制在UHF指定頻率，交由天線(xiàn)發(fā)射。天線(xiàn)采用印制在PCB板上的環(huán)狀天線(xiàn)，發(fā)射功率要求PA在9.5mA時(shí)能輸出7-10dBm。

??? ASK是振幅變換調(diào)制，F(xiàn)SK是頻率變換調(diào)制。RF的發(fā)射頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92MHz，韓國(guó)為448MHz，已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為868MHz。

（三）TPMS發(fā)射模塊的安裝

??? 由于現(xiàn)在的汽車(chē)大多都已取消了內(nèi)胎，因此給TPMS發(fā)射模塊安裝帶來(lái)了極大的方便，目前TPMS發(fā)射模塊在汽車(chē)輪胎內(nèi)的安裝有兩種方式：利用氣門(mén)咀安裝和利用緊箍扣安裝在輪轂上。無(wú)論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊都必須對(duì)輪胎重新做動(dòng)平衡檢驗(yàn)。

（四）TPMS接收器和顯示器

??? TPMS接收器由UHFASK/FSKRF接收IC和信號(hào)處理MCU、鍵盤(pán)、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號(hào)處理MCU安裝在一個(gè)盒子里，可安裝在汽車(chē)儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤(pán)的LCD顯示器可安裝在駕駛臺(tái)上，LCD顯示器能實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎的壓力、溫度和每一個(gè)輪胎的ID識(shí)別碼，以及聲光報(bào)警。

??? UHFASK/FSKRF接收器以T5743為例，該芯片由低噪音放大器（LAN）、低通濾波器（LPF）、中頻功率放大器、ASK/FSK解調(diào)器、數(shù)據(jù)接口，以及PLL、XTO、VCO、混頻器組成（圖4）。天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)RF模擬前端的LAN放大、LPF濾波、ASK/FSK解調(diào)，取出的數(shù)據(jù)流交TPMS接收器的MCU，經(jīng)軟件處理還原出胎壓、溫度、ID碼給LCD顯示，并智能辨別系統(tǒng)是否安全，以及提供聲光報(bào)警。

??? 接收器的MCU需要有8KFlash和32位I/O口，才能適應(yīng)系統(tǒng)功能的需要。

??? 二、TPMS系統(tǒng)方案

??? 由SP12傳感器模塊、ATAR862、T5743、AVRMCU主要芯片可以組成整套TPMS系統(tǒng)（圖2），一輛轎車(chē)需要4個(gè)TPMS發(fā)射模塊（備胎還需要1個(gè)）、1個(gè)TPMS接收器。一輛卡車(chē)需要6-12個(gè)TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力，系統(tǒng)安裝時(shí)需要在汽車(chē)底盤(pán)安裝接收天線(xiàn)，如圖5所示。

（一）器件選擇

??? 由于TPMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、環(huán)境溫差變化很大和不便于隨時(shí)檢修的條件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩(wěn)定性，能適應(yīng)工作在-40℃到+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強(qiáng)功能，需要盡可能的選用片上復(fù)合芯片，如包含壓力、溫度、加速度和ASIC的復(fù)合芯片，包含MCU和Tx（RF）或Rx（RF）的復(fù)合芯片。

??? TPMS是一個(gè)按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)，按消費(fèi)電子產(chǎn)品價(jià)格銷(xiāo)售的產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的生產(chǎn)成本至關(guān)重要。產(chǎn)品的ESD保護(hù)要符合MIL-STD.833的標(biāo)準(zhǔn)，即人體模式（HBM）大于4KV。

（二）省電與喚醒

??? 為了使TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下能工作3-5年，系統(tǒng)節(jié)電是一個(gè)十分重要的課題，因此只有在大多數(shù)時(shí)間讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長(zhǎng)電池壽命。汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)和進(jìn)入高速行駛時(shí)，喚醒TPMS系統(tǒng)的方法一般有二種，一是汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)TPMS自檢，進(jìn)入高速行駛時(shí)用事先設(shè)定軟件程序定時(shí)巡回檢測(cè)。為此，需要TPMS接收器發(fā)出呼喚信號(hào)，在TPMS發(fā)射模塊上要安置喚醒（Wake-up）芯片，如ATA5283，由于喚醒頻率為125kHz低頻，TPMS接收器要發(fā)出具有一定功率的呼喚信號(hào)，需要在TPMS接收器上增加一級(jí)天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，如ATA5275；二是在傳感器模塊中增加加速度傳感器，利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)啟動(dòng)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢，汽車(chē)高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力。

（三）胎壓與溫度

??? 汽車(chē)輪胎的壓力與溫度是密切相關(guān)的，也是汽車(chē)駕乘人員的生命安全所系。汽車(chē)輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，變形增大，受力發(fā)生變化，易使輪壁簾布層呈環(huán)狀斷裂，胎面磨損不均，胎肩的磨損急劇增大；同時(shí)，各部件膠于簾布層，簾布層之間剪切力增大，生熱加劇，使膠層與簾線(xiàn)的物理性能下降，輪胎使用壽命縮短。若胎壓長(zhǎng)期低于正常氣壓的80％，在高速行使時(shí)，輪胎會(huì)急劇升溫而脫層，最后導(dǎo)致爆胎。

??? 輪胎氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，因輪胎與地面接觸的面積減少，單位壓力增高，使輪胎胎面的中部磨損增加。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)證明：一般認(rèn)為提高氣壓25％，輪胎壽命將會(huì)降低15-20％；降低氣壓25％，壽命大約降低30％。（注意：一般轎車(chē)的輪胎正常氣壓值在210kpa左右（1kgf/cm=98kpa），多座位商務(wù)車(chē)（7-9座）在240kpa左右為宜。）汽車(chē)輪胎溫度越高，輪胎的強(qiáng)度越低，變形越大（一般溫度不能超過(guò)80度，當(dāng)溫度達(dá)到95度時(shí)，輪胎的情況非常危險(xiǎn)），每升高1度，輪胎磨損就增加2％；行使速度每增加一倍，輪胎行使里程降低50％。因此，不允許超溫超速行使。