在汽車的高速行駛過程中，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，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重要課題。據(jù)有關(guān)專家的分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而TPMS毫無疑問將是理想的工具。
目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是基于車輪速度的TPMS(WSB TPMS，間接式TPMS)，這種系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的，該類系統(tǒng)的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷；另一種是基于壓力傳感器的TPMS(PSB TPMS，直接式TPMS)，這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。PSB TPMS在功能和性能上均優(yōu)于WSB TPMS。許多歐洲的汽車廠商已將PSB TPMS配裝于自己的車型之中，其中包括德國寶馬的Z8、法國雪鐵龍的C5、林肯大陸、克萊斯勒與道奇迷你箱型車以及Chrysler 300M與Concorde Limited客車、旁蒂克的旗艦Bonneville SE等。國內(nèi)多數(shù)汽車廠家目前還沒有進行這方面的研究，隨著國際化的要求和國產(chǎn)汽車的出口，相信國內(nèi)廠家會跟上這個步伐。
TPMS系統(tǒng)組成
PSB TPMS主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器和信號處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，以及安裝在汽車駕駛臺上包括數(shù)字信號處理單元的RF接收器、液晶顯示器(LCD)組成。其系統(tǒng)如圖1所描述的。
1. TPMS傳感器
TPMS傳感器是一個集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理器的片上系統(tǒng)模塊。為了強化胎壓檢測功能，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、內(nèi)部時鐘、看門狗，和帶12位ADC、4kB Flash、2kB ROM、128B RAM、128B EEPROM及其它功能的ASIC數(shù)字信號處理單元。這些功能芯片使得TPMS傳感器不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且還能實現(xiàn)汽車移動即時開機、自動喚醒、節(jié)省電能等功能。電源管理器確保系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗，使一節(jié)鋰電池可以使用3-5年。
的壓力傳感器都是用基于MEMS技術(shù)來設(shè)計、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GE NovaSensor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量電路，其測量精度能達0.01-0.03%FS。
TPMS壓力傳感器是一個片上系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部典型架構(gòu)包括整合了硅顯微機械加工的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘，以及一個包含模數(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)字信號處理單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進行配置。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封裝里的。在封裝的上方留有一個壓力/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)變片組成惠斯頓測量電橋，同時這個孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。
為了便于TPMS接收器的識別，每個壓力傳感器都具有6-8位獨特的ID碼。
2. 壓力/溫度信號處理與發(fā)射
壓力/溫度信號經(jīng)TPMS傳感器模塊內(nèi)的ASIC/SoC電路處理，通過其SPI口傳輸給安裝在發(fā)射模塊內(nèi)的信號處理單元，綜合成數(shù)據(jù)流再進入同一封裝內(nèi)的RF發(fā)射IC，按設(shè)定的超高頻率(UHF)調(diào)制發(fā)射給安裝在駕駛臺內(nèi)的接收器。如圖2所示。
為了縮小汽車輪胎內(nèi)的測量、信號處理IC所占面積與發(fā)射模塊的體積，壓力/溫度信號處理與發(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，包括時鐘管理、EEPROM、RAM、多個計時器、多個I/O口、內(nèi)部晶振等。UHF RF發(fā)送器以ATAR862為例，其內(nèi)部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSK RF發(fā)送器，T5754內(nèi)部由PLL、VCO、功率放大器等組成(見圖3)，外部晶振源經(jīng)串口諧振器供給VCO，PLL向MCU提供時鐘，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，交由天線發(fā)射。天線采用印制在PCB板上的環(huán)狀天線，發(fā)射功率要求PA在9.5mA時能輸出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，韓國為448MHz，已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為868MHz。
3. TPMS發(fā)射模塊的安裝
由于現(xiàn)在的汽車大多都已取消了內(nèi)胎，因此給TPMS發(fā)射模塊安裝帶來了極大的方便，目前TPMS發(fā)射模塊在汽車輪胎內(nèi)的安裝有兩種方式：利用氣門咀安裝和利用緊箍扣安裝在輪轂上。無論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊都必須對輪胎重新做動平衡檢驗。
4. TPMS接收器和顯示器
TPMS接收器由UHF ASK/FSK RF接收IC和信號處理MCU、鍵盤、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號處理MCU安裝在一個盒子里，可安裝在汽車儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤的LCD顯示器可安裝在駕駛臺上，LCD顯示器能實時顯示每個輪胎的壓力、溫度和每一個輪胎的ID識別碼，以及聲光報警。
UHF ASK/FSK RF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)。天線接收到的信號經(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，以及提供聲光報警。
接收器的MCU需要有8K Flash和32位I/O口，才能適應(yīng)系統(tǒng)功能的需要。
TPMS系統(tǒng)方案
由SP12傳感器模塊、ATAR862、T5743、AVR MCU主要芯片可以組成整套TPMS系統(tǒng)(圖2)，一輛轎車需要4個TPMS發(fā)射模塊(備胎還需要1個)、1個TPMS接收器。一輛卡車需要6-12個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)安裝時需要在汽車底盤安裝接收天線，如圖5所示。
1. 器件選擇
由于TPMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動、環(huán)境溫差變化很大和不便于隨時檢修的條件下，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是一個按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗，按消費電子產(chǎn)品價格銷售的產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的生產(chǎn)成本至關(guān)重要。產(chǎn)品的ESD保護要符合MIL-STD.833的標(biāo)準(zhǔn)，即人體模式(HBM)大于4KV。
2. 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)電是一個十分重要的課題，因此只有在大多數(shù)時間讓系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長電池壽命。汽車啟動時和進入高速行駛時，喚醒TPMS系統(tǒng)的方法一般有二種，一是汽車啟動時TPMS自檢，進入高速行駛時用事先設(shè)定軟件程序定時巡回檢測。為此，需要TPMS接收器發(fā)出呼喚信號，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，需要在TPMS接收器上增加一級天線驅(qū)動，如ATA5275；二是在傳感器模塊中增加加速度傳感器，利用其質(zhì)量塊對運動的敏感性，實現(xiàn)汽車啟動自動開機，進入系統(tǒng)自檢，汽車高速行駛時按運動速度自動智能確定檢測時間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能力。
3. 胎壓與溫度
汽車輪胎的壓力與溫度是密切相關(guān)的，也是汽車駕乘人員的生命安全所系。汽車輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)值時，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，各部件膠于簾布層，簾布層之間剪切力增大，生熱加劇，使膠層與簾線的物理性能下降，輪胎使用壽命縮短。若胎壓長期低于正常氣壓的80%，在高速行使時，輪胎會急劇升溫而脫層，最后導(dǎo)致爆胎。
輪胎氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)值時，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。通過室內(nèi)試驗證明：一般認為提高氣壓25%，輪胎壽命將會降低15-20%；降低氣壓25%，壽命大約降低30%。(注意：一般轎車的輪胎正常氣壓值在210kpa左右(1kgf/cm=98kpa)，多座位商務(wù)車(7-9座)在240kpa左右為宜。) 汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大(一般溫度不能超過80度，當(dāng)溫度達到95度時，輪胎的情況非常危險)，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。
（轉(zhuǎn)載）
