汽车胎压监视系统的设计方案思考

汽车胎压监视系统(TPMS)主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。本文详细介绍了TPMS系统的组成以及器件选择、节能和安装等设计考虑因素。

在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故有70%-80%是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，而TPMS毫无疑问将是理想的工具。

目前，TPMS主要分为两种类型：一种是基于车轮速度的TPMS(WSB TPMS，间接式TPMS)，这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的，该类系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断；另一种是基于压力传感器的TPMS(PSB TPMS，直接式TPMS)，这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。PSB TPMS在功能和性能上均优于WSB TPMS。许多欧洲的汽车厂商已将PSB TPMS配装于自己的车型之中，其中包括德国宝马的Z8、法国雪铁龙的C5、林肯大陆、克莱斯勒与道奇迷你箱型车以及Chrysler 300M与Concorde Limited客车、旁蒂克的旗舰Bonneville SE等。国内多数汽车厂家目前还没有进行这方面的研究，随着国际化的要求和国产汽车的出口，相信国内厂家会跟上这个步伐。

TPMS系统组成

PSB TPMS主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、RF发射器组成的TPMS发射模块，以及安装在汽车驾驶台上包括数字信号处理单元的RF接收器、液晶显示器(LCD)组成。其系统如图1所描述的。

图1：PSB TPMS系统结构图

1. TPMS传感器

TPMS传感器是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、数字信号处理单元和电源管理器的片上系统模块。为了强化胎压检测功能，有不少TPMS传感器模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗，和带12位ADC、4kB Flash、2kB ROM、128B RAM、128BEEPROM及其它功能的ASIC数字信号处理单元。这些功能芯片使得TPMS传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、节省电能等功能。电源管理器确保系统实现低功耗，使一节锂电池可以使用3-5年。

TPMS的压力传感器都是用基于MEMS技术来设计、生产的，主要有硅集成电容式压力传感器，如飞思卡尔的MPXY8020、MPXY8040；硅压阻式压力传感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPXC01746，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，其测量精度能达0.01-0.03%FS。

TPMS压力传感器是一个片上系统模块，其内部典型架构包括整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟，以及一个包含模数转换器(ADC)、取样/保持(S/H)、SPI口、校准、数据管理、ID码的数字信号处理单元，模块具有掩膜可编程性，即可以利用客户专用软件进行配置。压阻式传感器是由MEMS压力传感器和半导体SoC电路，用集成电路工艺做在一个封装里的。在封装的上方留有一个压力/温度导入孔，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，周边固定的圆形应力薄膜内壁由半导体应变片组成惠斯顿测量电桥，同时这个孔还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。

为了便于TPMS接收器的识别，每个压力传感器都具有6-8位独特的ID码。

2. 压力/温度信号处理与发射

压力/温度信号经TPMS传感器模块内的ASIC/SoC电路处理，通过其SPI口传输给安装在发射模块内的信号处理单元，综合成数据流再进入同一封装内的RF发射IC，按设定的超高频率(UHF)调制发射给安装在驾驶台内的接收器。如图2所示。

图2：TPMS按装在胎内的模块

为了缩小汽车轮胎内的测量、信号处理IC所占面积与发射模块的体积，压力/温度信号处理与发射也采用组合的SoC，如ATMEL的ATAR862、飞思卡尔的MC68HC908RF2，它们都是将一片MCU、一片超高频(UHF)RF发送器整合在同一封装内。

MCU一般为4位或8位CPU核，包括时钟管理、EEPROM、RAM、多个计时器、多个I/O口、内部晶振等。UHF RF发送器以ATAR862为例，其内部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSKRF发送器，T5754内部由PLL、VCO、功率放大器等组成(见图3)，外部晶振源经串口谐振器供给VCO，PLL向MCU提供时钟，MCU将已编码的数据流经功率放大器调制在UHF指定频率，交由天线发射。天线采用印制在PCB板上的环状天线，发射功率要求PA在9.5mA时能输出7-10dBm。 [page]

图3：T5754 UHF ASK/FSK RF发送器

ASK是振幅变换调制，FSK是频率变换调制。RF的发射频率北美标准为315MHz，欧洲标准为433.92MHz，韩国为448MHz，已有人建议新标准为868MHz。 3. TPMS发射模块的安装

由于现在的汽车大多都已取消了内胎，因此给TPMS发射模块安装带来了极大的方便，目前TPMS发射模块在汽车轮胎内的安装有两种方式：利用气门咀安装和利用紧箍扣安装在轮毂上。无论采用哪种方式，安装完TPMS发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验。

4. TPMS接收器和显示器

TPMS接收器由UHF ASK/FSK RF接收IC和信号处理MCU、键盘、LCD显示器组成。RF接收IC和信号处理MCU安装在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的LCD显示器可安装在驾驶台上，LCD显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的ID识别码，以及声光报警。 UHF ASK/FSK RF接收器以T5743为例，该芯片由低噪音放大器(LAN)、低通滤波器(LPF)、中频功率放大器、ASK/FSK解调器、数据接口，以及PLL、XTO、VCO、混频器组成(图4)。天线接收到的信号经RF模拟前端的LAN放大、LPF滤波、ASK/FSK解调，取出的数据流交TPMS接收器的MCU，经软件处理还原出胎压、温度、ID码给LCD显示，并智能辨别系统是否安全，以及提供声光报警。

图4：T5743 UHF ASK/FSK RF接收器

接收器的MCU需要有8K Flash和32位I/O口，才能适应系统功能的需要。

TPMS系统方案

由SP12传感器模块、ATAR862、T5743、AVR MCU主要芯片可以组成整套TPMS系统(图2)，一辆轿车需要4个TPMS发射模块(备胎还需要1个)、1个TPMS接收器。一辆卡车需要6-12个TPMS发射模块。为了提高系统的接收能力和抗干扰能力，系统安装时需要在汽车底盘安装接收天线，如图5所示。

图5：轿车与卡车的TPMS安装

1. 器件选择

由于TPMS发射模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，能适应工作在-40℃到+125℃温度范围。为了缩小TPMS发射模块的体积、节省功耗和增强功能，需要尽可能的选用片上复合芯片，如包含压力、温度、加速度和ASIC的复合芯片，包含MCU和Tx(RF)或Rx(RF)的复合芯片。

TPMS是一个按工业标准设计、生产、检验，按消费电子产品价格销售的产品，因此产品的生产成本至关重要。产品的ESD保护要符合MIL-STD.833的标准，即人体模式(HBM)大于4KV。

2. 省电与唤醒

为了使TPMS发射模块在一节锂电池下能工作3-5年，系统节电是一个十分重要的课题，因此只有在大多数时间让系统进入睡眠状态，才能省电与延长电池寿命。汽车启动时和进入高速行驶时，唤醒TPMS系统的方法一般有二种，一是汽车启动时TPMS自检，进入高速行驶时用事先设定软件程序定时巡回检测。为此，需要TPMS接收器发出呼唤信号，在TPMS发射模块上要安置唤醒(Wake-up)芯片，如ATA5283，由于唤醒频率为125kHz低频，TPMS接收器要发出具有一定功率的呼唤信号，需要在TPMS接收器上增加一级天线驱动，如ATA5275；二是在传感器模块中增加加速度传感器，利用其质量块对运动的敏感性，实现汽车启动自动开机，进入系统自检，汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期，用软件设定安全期、敏感期和危险期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力。

3. 胎压与温度

汽车轮胎的压力与温度是密切相关的，也是汽车驾乘人员的生命安全所系。汽车轮胎气压低于标准值时，变形增大，受力发生变化，易使轮壁帘布层呈环状断裂，胎面磨损不均，胎肩的磨损急剧增大；同时，各部件胶于帘布层，帘布层之间剪切力增大，生热加剧，使胶层与帘线的物理性能下降，轮胎使用寿命缩短。若胎压长期低于正常气压的80%，在高速行使时，轮胎会急剧升温而脱层，最后导致爆胎。

轮胎气压高于标准值时，因轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，使轮胎胎面的中部磨损增加。通过室内试验证明：一般认为提高气压25%，轮胎寿命将会降低15-20%；降低气压25%，寿命大约降低30%。(注意：一般轿车的轮胎正常气压值在210kpa左右(1kgf/cm=98kpa)，多座位商务车(7-9座)在240kpa左右为宜。) 汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大(一般温度不能超过80度，当温度达到95度时，轮胎的情况非常危险)，每升高1度，轮胎磨损就增加2%；行使速度每增加一倍，轮胎行使里程降低50%。因此，不允许超温超速行使。

参考资料：
《新型实用传感器应用指南》颜重光等主编 电子工业出版社 1998/04
《关于开发ATMEL轮胎压力监测IC应用市场的报告》 颜重光 2003/12