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汽車(chē)胎壓監視系統的設計方案思考
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時(shí)間：2013-01-22
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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汽車(chē)胎壓監視系統(TPMS)主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對輪胎氣壓進(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)者和乘車(chē)人員的生命安全保障預警系統。本文詳細介紹了TPMS系統的組成以及器件選擇、節能和安裝等設計考慮因素。
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(WSB TPMS，間接式TPMS)，這種系統是通過(guò)汽車(chē)ABS系統的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，該類(lèi)系統的主要缺點(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；另一種是基于壓力傳感器的TPMS(PSB TPMS，直接式TPMS)，這種系統是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)報警。PSB TPMS在功能和性能上均優(yōu)于WSB TPMS。許多歐洲的汽車(chē)廠(chǎng)商已將PSB 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、林肯大陸、克萊斯勒與道奇迷你箱型車(chē)以及Chrysler 300M與Concorde Limited客車(chē)、旁蒂克的旗艦Bonneville SE等。國內多數汽車(chē)廠(chǎng)家目前還沒(méi)有進(jìn)行這方面的研究，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。
TPMS系統組成
PSB TPMS主要由安裝在汽車(chē)輪胎內的壓力、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(chē)駕駛臺上包括數字信號處理單元的RF接收器、液晶顯示器(LCD)組成。其系統如圖1所描述的。 
圖1：PSB TPMS系統結構圖
1. TPMS傳感器
TPMS傳感器是一個(gè)集成了半導體壓力傳感器、半導體溫度傳感器、數字信號處理單元和電源管理器的片上系統模塊。為了強化胎壓檢測功能，有不少TPMS傳感器模塊內還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內部時(shí)鐘、看門(mén)狗，和帶12位ADC、4kB Flash、2kB ROM、128B RAM、128BEEPROM及其它功能的ASIC數字信號處理單元。這些功能芯片使得TPMS傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測汽車(chē)開(kāi)動(dòng)中的輪胎壓力和胎內溫度的變化，而且還能實(shí)現汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機、自動(dòng)喚醒、節省電能等功能。電源管理器確保系統實(shí)現低功耗，使一節鋰電池可以使用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體電阻應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(gè)片上系統模塊，其內部典型架構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、內部時(shí)鐘，以及一個(gè)包含模數轉換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI口、校準、數據管理、ID碼的數字信號處理單元，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)射模塊內的信號處理單元，綜合成數據流再進(jìn)入同一封裝內的RF發(fā)射IC，按設定的超高頻率(UHF)調制發(fā)射給安裝在駕駛臺內的接收器。如圖2所示。 
圖2：TPMS按裝在胎內的模塊
為了縮小汽車(chē)輪胎內的測量、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。
MCU一般為4位或8位CPU核，包括時(shí)鐘管理、EEPROM、RAM、多個(gè)計時(shí)器、多個(gè)I/O口、內部晶振等。UHF RF發(fā)送器以ATAR862為例，其內部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSKRF發(fā)送器，T5754內部由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將已編碼的數據流經(jīng)功率放大器調制在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。
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