安全性一直是推動(dòng)輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，因?yàn)樵S多交通事故的發(fā)生都與輪胎的缺陷有關(guān)，因此，TPMS有望成為發(fā)展最快的汽車電子應(yīng)用。本文介紹菲利浦公司的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)方案。
業(yè)界統(tǒng)計(jì)顯示，不恰當(dāng)?shù)妮喬毫赡芷茐钠嚨姆€(wěn)定性并影響汽車的駕駛和制動(dòng)，每年因此而導(dǎo)致的交通事故高達(dá)數(shù)十萬起。較低的輪胎壓力幾乎與所有涉及制動(dòng)的撞車有關(guān)，因?yàn)檩^低的輪胎壓力將導(dǎo)致剎車的距離增大。
許多汽車司機(jī)往往忽視了輪胎中的隱患，盡管輪胎是保障汽車性能的最重要因素之一。適當(dāng)充氣的輪胎不僅可以增強(qiáng)安全性和性能，還能節(jié)省燃料并延長輪胎的壽命。然而，20％的輪胎仍處于40％的亞充氣狀態(tài)(under-inflated)。這不僅顯著地降低了輪胎的壽命，而且還增加了燃料消耗。根據(jù)固特異(Goodyear)公司的數(shù)據(jù)，亞充氣狀態(tài)下每下降3個(gè)PSI將使燃料增加1％。
美國交通部國家高速公路交通安全管理署(NHTSA)最近要求，自2007年起，所有在美國出售的汽車都必須裝備輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)。當(dāng)汽車輪胎處于25％的亞充氣狀態(tài)時(shí)，這些系統(tǒng)將向駕駛員發(fā)出警告，以有效地防止輪胎破損，從而避免汽車在輪胎充氣不足情況下負(fù)重行使而導(dǎo)致交通事故。
美國已制訂法規(guī)要求自2003年下半年起，所有新組裝的汽車都必須裝備TPMS。這主要是因?yàn)?/SPAN>2000年夏發(fā)生的一系列交通事故的起因都是由于亞充氣的輪胎在行駛過程中從車體分離而導(dǎo)致追尾。新頒布的法令要求使用更先進(jìn)的直接TPMS，即對(duì)每個(gè)輪胎中都進(jìn)行壓力監(jiān)控。直接TPMS不僅有助于預(yù)防交通事故，而且每年節(jié)約的燃料消耗和汽車維護(hù)費(fèi)用可達(dá)17億美元，因?yàn)閬喅錃廨喬⒖s短輪胎的壽命并增加燃料消耗(NHTSA)。
TPMS市場
未來，輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的市場將非常巨大。咨詢公司Strategy Analytics指出，未來數(shù)年中，輪胎壓力監(jiān)控有望成為汽車電子系統(tǒng)中增長最快的領(lǐng)域，2010年將達(dá)到3000萬套。作為為數(shù)不多的幾家既能提供直接TPMS解決方案，又能提供相關(guān)信號(hào)調(diào)節(jié)芯片(P2SC)的公司，飛利浦(Philips)有望占據(jù)很大的市場份額。
直接測量系統(tǒng)
直接輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)是能在輪胎內(nèi)部直接測量輪胎壓力的監(jiān)控系統(tǒng)。為此，胎壓監(jiān)測模塊將位于輪胎中(通常位于充氣閥旁邊)并通過射頻(RF)將其測量的數(shù)據(jù)廣播至中央接收器。這種射頻鏈接運(yùn)用了與遙控車門開關(guān) (Remote Keyless Entry, RKE) 系統(tǒng)相同的射頻原理和頻率范圍。由于RKE系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代汽車中，因此這種射頻鏈接可以與RKE系統(tǒng)共享資源，以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的成本。飛利浦公司的TPMS采用了與業(yè)界領(lǐng)先的遙控車門開關(guān)技術(shù)相同的射頻鏈接，這已通過現(xiàn)場測試并被生產(chǎn)商采用，如Siemens VDO公司的無插孔感應(yīng)門系統(tǒng)(Passive Entry System, PASE)。
胎壓監(jiān)測模塊本身由以下三個(gè)部分組成：1. 壓力傳感器(通常為壓阻式模擬器件)；2. 壓力傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)芯片(可以集成在壓力傳感器中)；3. 射頻發(fā)射器裝置。
胎壓監(jiān)測模塊本身由以下三個(gè)部分組成
胎壓監(jiān)測模塊必須能承受-40 °C 至 150 °C以上的溫度以及高達(dá)2000g的加速度。極端環(huán)境下，還將使用一些特殊器件以保證壽命達(dá)到10年。
胎壓監(jiān)測模塊中的壓力傳感器是一個(gè)典型的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件。目前，只有很少幾家主要的專業(yè)公司具有TPMS方面的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)以生產(chǎn)能在真實(shí)惡劣環(huán)境下保證足夠魯棒性的傳感器。
胎壓監(jiān)測模塊的封裝也很重要，封裝包括下面所描述的壓力傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)芯片。
來自硅片傳感器的信號(hào)必須經(jīng)過放大和數(shù)字化，而整個(gè)器件還需要進(jìn)行校準(zhǔn)和初始化。飛利浦公司的傳感器信號(hào)處理芯片P2SC從傳感器橋(sensor bridge)采集信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，然后直接在芯片上測量溫度并執(zhí)行所需的全部校準(zhǔn)和初始化操作。P2SC帶有基于STARC的精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)第二代微控制器內(nèi)核，該內(nèi)核通過了RKE應(yīng)用的現(xiàn)場檢驗(yàn)并專用于TPMS。P2SC的功耗也經(jīng)過優(yōu)化后降至最低，而且作為一項(xiàng)特有的性能，P2SC還能通過車輪識(shí)別特性解決自轉(zhuǎn)問題。
目前正在使用的基于UHF發(fā)射器的外部SAW或PLL既能分離使用，也能集成到設(shè)備中。但是，飛利浦半導(dǎo)體業(yè)已發(fā)布了與UHF PLL集成至同一芯片的第二代P2SC。
這有助于在壓力感應(yīng)模塊中進(jìn)一步降低PCB的成本和尺寸。以后，該器件還將完全集成至“智能傳感器”封裝中：輪胎上只有一塊芯片和一套封裝解決方案。
如前所述，TPMS的接收器裝置也是基于與RKE接收器類似的技術(shù)。因此，現(xiàn)有的射頻接收器可以在TPMS和RKE之間實(shí)現(xiàn)共享。這能顯著地降低成本，因此眾多的汽車制造商已經(jīng)強(qiáng)烈要求供應(yīng)商將RKE和TPMS集成至一套系統(tǒng)中。
經(jīng)過校準(zhǔn)和初始化，現(xiàn)在每個(gè)輪胎都能夠發(fā)送壓力信息至駕駛室的儀表盤中，而車身控制器也能判斷信號(hào)來自哪個(gè)輪胎。但如果駕駛員正在更換(旋轉(zhuǎn))輪胎，那么將發(fā)生什么情況呢？
我們可以通過以下途徑解決這個(gè)問題：1. 每個(gè)車輪都安裝專用的射頻接收器；2. 感應(yīng)測量不受速度的影響，測量包含ABS/ESP信息；3. 射頻信號(hào)(RSSI)的放大分析；4. 雙向射頻鏈接；5. 低頻喚醒(LF wakeup)。
飛利浦選擇了低頻喚醒方案進(jìn)行輪胎定位。該解決方案的成本相對(duì)低廉并能實(shí)現(xiàn)可靠的立即識(shí)別。小低頻(125KHz)駕駛室天線發(fā)送喚醒信號(hào)至特定的胎壓監(jiān)測模塊，胎壓監(jiān)測模塊通過射頻鏈接發(fā)送響應(yīng)信號(hào)。低頻喚醒必須在駕駛室天線與胎壓監(jiān)測模塊之間彌合約1m的距離，這已被證明完全可行，飛利浦半導(dǎo)體公司的無源遙控開鎖(Passive Keyless Entry, PKE)技術(shù)即能實(shí)現(xiàn)。此外，遙控開啟車門時(shí)也需要在兩者之間彌合類似的一段距離。另外，胎壓監(jiān)測模塊中的三維(3D)接口也需要為接收到的喚醒信號(hào)保證與信號(hào)發(fā)射源無關(guān)的靈敏度。
壓力監(jiān)控系統(tǒng)早在多年前就已實(shí)現(xiàn)，但只裝備在高端的豪華汽車上。當(dāng)代的TPMS基于壓力傳感器，包含了專門用來調(diào)節(jié)壓力和溫度信號(hào)的ASIC。然而，新的法令將使得TPMS成為各種型號(hào)汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。
P2SC是能提供低頻喚醒和高頻返回信號(hào)的直接測量解決方案，這意味著系統(tǒng)可以“請(qǐng)求”每個(gè)輪胎報(bào)告當(dāng)前的壓力狀況并將這些信息中繼給駕駛員。一旦啟動(dòng)點(diǎn)火，每個(gè)輪胎就將被“喚醒”，并在駕駛員開動(dòng)汽車之前匯報(bào)輪胎上的狀態(tài)信息。在整個(gè)行程中，輪胎將保持“喚醒”狀態(tài)并定期更新狀態(tài)信息。如果出現(xiàn)壓力驟降情況，輪胎將自動(dòng)將該信息中繼給駕駛員，而無需進(jìn)行先期喚醒。駕駛員將能利用儀表盤上的圖標(biāo)顯示或虛擬汽車，獲得輪胎壓力信息。
現(xiàn)在正在批量生產(chǎn)的下一代TPMS將利用微控制器(如飛利浦公司的P2SC)取代ASIC。由于胎壓監(jiān)測模塊上的電池成本和壽命方面還有一些問題需要解決，汽車電子業(yè)界仍然需要繼續(xù)研究使用更少電池的解決方案，如采用感應(yīng)耦合或無源GHz技術(shù)。
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