TPMS技術(shù)發(fā)展現狀與趨勢

摘要：介紹TPMS技術(shù)發(fā)展現狀、趨勢、市場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：TPMS 遠程輪胎壓力監測模塊 中央監視器 RFID SAW

TPMS的由來(lái)及市場(chǎng)

TPMS 是汽車(chē)輪胎壓力監視系統 "Tire Pressure Monitoring System"的英文縮寫(xiě)，主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警，以保障行車(chē)安全，是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預警系統。

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心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據統計，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(gè)重要課題。據有關(guān)專(zhuān)家的分析，保持標準的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。而TPMS-汽車(chē)胎壓監視系統毫無(wú)疑問(wèn)將是理想的工具。凡世通（Firestone）輪胎的質(zhì)量問(wèn)題，造成了超過(guò)千人的傷亡，此事引起了業(yè)界和美國政府的高度關(guān)注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650萬(wàn)只輪胎。據美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )最近的調查，美國每年有26萬(wàn)交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于每年造成的經(jīng)濟損失巨大，美國政府要求汽車(chē)制造商加速發(fā)展TPMS系統，以求減少輪胎事故的發(fā)生。因此，在2000年美國國會(huì )通過(guò)了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美國銷(xiāo)售的汽車(chē)都必須安裝輪胎壓力監視系統。2000年11月1日美國總統克林頓簽署批準了國會(huì )關(guān)于修改聯(lián)邦運輸法的提案，要求2003年后所有的新車(chē)都需把這種系統作為標準配置?；貞猅READ法案，美國公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007年，所有在美國銷(xiāo)售的汽車(chē)都必須安裝輪胎壓力監視系統，并提出了汽車(chē)生產(chǎn)商的執行時(shí)間表：美國市場(chǎng)出售的汽車(chē)，2004年占10%，2005年占35%， 2006年占65%，2007年 將達100%。美國每年的汽車(chē)銷(xiāo)量約為1500萬(wàn)輛（轎車(chē)/卡車(chē)）。全球每年約5000萬(wàn)輛，平均每輛車(chē)需要4.2個(gè)輪胎（不包括備用胎）。

中國正在成為全球最大的新興汽車(chē)市場(chǎng)，中國汽車(chē)需求量和保有量出現了加速增長(cháng)的趨勢，汽車(chē)保有量已突破2600萬(wàn)輛，年銷(xiāo)售汽車(chē)將突破600萬(wàn)輛，未來(lái)5年將成為僅次于美國的全球第二大汽車(chē)銷(xiāo)售國。汽車(chē)安全產(chǎn)品將成為中國生機勃勃的新興市場(chǎng)熱點(diǎn)，今后每年的增長(cháng)速度可達50%。其中，僅TPMS技術(shù)產(chǎn)品2005年底的市場(chǎng)容量就將達20萬(wàn)套，近7億元人民幣；2006將達到50萬(wàn)套，近17億元。根據2003－2010年汽車(chē)需求預測：汽車(chē)年增長(cháng)16%－20%；轎車(chē)年增長(cháng)19.2%－24%。綜合以上分析，預計，2005－2010年，中國汽車(chē)保有量將以16% 以上的速度增長(cháng)。

美國、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內實(shí)現汽車(chē)全部安裝TPMS，因此，對TPMS的需要量與日俱增，美國的人工每小時(shí)起碼7.5元美金，差不多是中國工人的日工資，面對量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉向中國。今后幾年內中國必將成為T(mén)PMS的生產(chǎn)大國。

人的生命是最可貴的，因此，為與世界先進(jìn)國家同步，我國關(guān)于汽車(chē)安裝TPMS這樣的生命安全保障預警系統法規遲早也會(huì )出臺。因此，目前我們國內已有數百家設計公司、生產(chǎn)廠(chǎng)家開(kāi)始開(kāi)發(fā)、設計、生產(chǎn)TPMS。

目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型：一種是間接式TPMS，它通過(guò)汽車(chē)ABS的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，其缺點(diǎn)是無(wú)法對兩個(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。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來(lái)直接測量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)電頻率調制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監視器上。監視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀(guān)地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時(shí)，系統就會(huì )自動(dòng)報警。直接式TPMS 從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。許多歐洲的汽車(chē)廠(chǎng)商已將直接式TPMS 配裝于自己的車(chē)型之中，其中包括：德國寶馬的 Z8、法國雪鐵龍的 C5、英國阿斯頓 馬汀的超級跑車(chē) Vanquish、林肯大陸、克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車(chē)以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車(chē)、旁蒂克的旗艦Bonneville SE 等等，梅賽德斯-奔馳S級轎車(chē)最新的改進(jìn)也將TPMS 作為選裝件。國內多數汽車(chē)廠(chǎng)家目前已開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究，中國加入 WTO 以后，隨著(zhù)國際化的要求，和國產(chǎn)汽車(chē)的出口，相信國內廠(chǎng)家會(huì )跟上這個(gè)步伐。中國TPMS的前裝和后裝市場(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng)，預見(jiàn)前裝市場(chǎng)（汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家原裝）將比后裝市場(chǎng)（汽車(chē)購買(mǎi)后安裝）跑得更快。

TPMS產(chǎn)品技術(shù)

TPMS系統主要有二個(gè)部分組成：安裝在汽車(chē)輪胎里的遠程輪胎壓力監測模塊（Remote Tire Pressure Monitoring）和安裝在汽車(chē)駕駛臺上的中央監視器（LCD顯示器）。直接安裝在每個(gè)輪胎里測量輪胎壓力和溫度模塊，將測量得到的信號調制后通過(guò)高頻無(wú)線(xiàn)電波（RF）發(fā)射出去。一個(gè)TPMS系統有4個(gè)或5個(gè)（包括備用胎）RTPM模塊。中央監視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數據顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現異常，中央監視器根據異常情況，發(fā)出不同的報警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。

由于汽車(chē)輪胎現在大多都是沒(méi)有內胎的真空子午胎，因此，將TPMS的遠程輪胎壓力監測模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的，但是汽車(chē)在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設計要按軍級產(chǎn)品的要求來(lái)選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來(lái)制訂生產(chǎn)工藝，然而它是一個(gè)量大面廣的汽車(chē)通用安全產(chǎn)品，要按消費電子產(chǎn)品來(lái)定價(jià)。

遠程輪胎壓力監測模塊由五個(gè)部分組成：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8位單片機（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線(xiàn)。外殼選用高強度ABS塑料。所有器件、材料都要滿(mǎn)足- 40℃到+125℃的使用溫度范圍。

智能傳感器是整合了硅顯微機械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計、電池電壓檢測、內部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數轉換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、校準（Calibration）、數據管理（Data）、ID碼的數字信號處理ASIC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。它是由MEMS傳感器和ASIC電路二塊芯片，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/溫度導入孔，將壓力直接導入在壓力傳感器的應力薄膜上，周邊固定的圓形應力薄膜內壁由半導體應變片組成惠斯頓測量電橋；同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導入半導體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識別，每個(gè)壓力傳感器都具有16-32位獨特的ID碼。

適用于TPMS的智能傳感器主要有硅集成電容式壓力傳感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040；和硅壓阻式壓力傳感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPX2，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗。

NPX和SP12系列的智能傳感器都包含了加速度計，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對運動(dòng)的敏感性，實(shí)現汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機，進(jìn)入系統自檢、自動(dòng)喚醒，汽車(chē)高速行駛時(shí)按運動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測時(shí)間周期，用軟件設定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預警能力、節省電能等功能。NPX還將8位MCU封裝在智能傳感器中。

隨著(zhù)TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)對IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如GE NPX那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊，在未來(lái)幾年內還會(huì )開(kāi)發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運動(dòng)的機械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)遠程輪胎壓力監測模塊只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線(xiàn)組成，客戶(hù)的二次設計變得十分簡(jiǎn)便。

TPMS的工作頻率北美標準為315MHz，歐洲標準為433.92 MHz，韓國為448 MHz，已有人建議新標準為868 MHz。其發(fā)射功率又不能超過(guò)10dBm，否則要接受無(wú)線(xiàn)電管制。工作模式有ASK（振幅變換調制）、FSK（頻率變換調制），FSK抗干擾較好。因此，對RF芯片選用的要求是：（1）發(fā)射功率盡可能大；（2）芯片外型尺寸盡可能??；（3）具有比較好的性能/價(jià)格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的標稱(chēng)發(fā)射功率都達10dBm。

電池選用鋰亞電池，以保證遠程輪胎壓力監測模塊在高低溫環(huán)境中都能正常工作。傳統的鋰電池在- 40℃低溫時(shí)喪失電能，在+100℃高溫時(shí)會(huì )自動(dòng)放電。TADIRAN LTH2450鋰亞電池能滿(mǎn)足TPMS寬溫度范圍的要求。

天線(xiàn)是遠程輪胎壓力監測模塊發(fā)射功率提升的關(guān)鍵，天線(xiàn)技術(shù)涉及天線(xiàn)的幾何形狀、材料、介質(zhì)等諸多因素。

遠程輪胎壓力監測模塊的整體電源管理是十分重要的，一個(gè)鋰亞電池要向這個(gè)模塊提供3-5年的工作能源，做好電源管理和如何省電是關(guān)鍵所在。

發(fā)射模塊在汽車(chē)輪胎內的安裝有二種方式，一是利用氣門(mén)咀安裝，這是目前使用最多的；二是利用緊箍扣安裝在輪轂上，這是最早的辦法，但振動(dòng)后會(huì )移位。無(wú)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(dòng)平衡檢驗。

中央監視器即TPMS接收器主要由UHF ASK/FSK RF接收IC和信號處理MCU、鍵盤(pán)、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號處理MCU安裝在一個(gè)盒子里，可安裝在汽車(chē)儀表箱內，帶控制鍵盤(pán)的LCD顯示器可安裝在駕駛臺上，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識別碼，以及聲光報警。由于接收系統是工作在汽車(chē)車(chē)廂內，其環(huán)境溫度是常溫而且變化不大，電源可以使用汽車(chē)的12V或24V電源，因此對器件選用只要是工業(yè)級即可，省電的要求也不高。

RF接收IC選用時(shí)一般考慮需要較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整個(gè)系統的生產(chǎn)成本，ATMEL的T5743、Infineon的TDK5210的標稱(chēng)靈敏度都達-100dBm以上。

TPMS技術(shù)發(fā)展趨勢

汽車(chē)輪胎壓力監視系統是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預警系統，將是一個(gè)永恒的主題，因此，TPMS將成為汽車(chē)安全保障系統之一。TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無(wú)線(xiàn)無(wú)源化方向發(fā)展。

米其林集團公司、固特異輪胎橡膠公司已開(kāi)發(fā)出在輪胎制造時(shí)的成形工序中，將壓力、溫度監測和信號發(fā)射裝置被埋入輪胎胎壁內，它在輪胎的整個(gè)壽命期間（一般為1～7年）發(fā)揮作用；作為信號接收裝置做成如手機的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車(chē)時(shí)插裝在車(chē)上，下車(chē)後隨身攜帶。

以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎，美國固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該公司和西門(mén)子VDO汽車(chē)配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號外，還具有標識輪胎的功能，也就是說(shuō)，它既可用於輪胎氣壓監測，還可以用於輪胎歷程可追溯性記錄。上海交通大學(xué)也開(kāi)始基于聲表波技術(shù)的TPMS開(kāi)發(fā)研究，這種能同時(shí)測量輪胎內壓力、溫度和發(fā)射數據的SAW傳感器，不僅可實(shí)現智能輪胎信息的無(wú)源測量和無(wú)線(xiàn)發(fā)送，并且將擁有中國人自主的知識產(chǎn)權。