TPMS設計方案的思考

摘    要：本文介紹了TPMS的總體設計方案和主要部件的功能，并就器件的選擇及設計細節給出了若干建議。
關(guān)鍵詞：TPMS；壓力/溫度傳感器模塊；ASK/FSK；RF Tx/Rx

引言
汽車(chē)輪胎壓力監測系統(TPMS)主要用于汽車(chē)行駛時(shí)對輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(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。
目前，TPMS 主要分為兩種類(lèi)型，一種是WSB TPMS(又稱(chēng)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)型的主要缺點(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PSB TPMS(又稱(chēng)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 從功能和性能上均優(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，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，但隨著(zhù)國際化的要求，和國產(chǎn)汽車(chē)的出口，TPMS將會(huì )引起國內廠(chǎng)商的關(guān)注。

圖1  TPMS系統方案

TPMS系統
本文所講的TPMS系統是指目前流行的PSB TPMS，它主要由安裝在汽車(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，和安裝在汽車(chē)駕駛臺上的包括數字信號處理單元的RF接收器以及LCD組成。
一輛轎車(chē)需要4個(gè)TPMS發(fā)射模塊(備胎還需要1個(gè))和1個(gè)TPMS接收器。一輛卡車(chē)需要6~12個(gè)TPMS發(fā)射模塊，為了提高系統的接收能力和抗干擾能力，系統安裝時(shí)需要在汽車(chē)底盤(pán)安裝接收天線(xiàn)。由SP12傳感器、ATAR862、T5743、AVRMCU等主要芯片組成的TPMS系統方案結構框圖如圖1所示。
TPMS傳感器
TPMS傳感器是一個(gè)集成了半導體壓力傳感器、溫度傳感器、數字信號處理單元和電源管理器的SoC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 bit ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 B EEPROM及其它功能的ASIC數字信號處理單元。這些功能單元使得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、省電等功能。電源管理器確保了系統的低功耗，通常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Freescale的MPXY8020、MPXY8040)和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也是一個(gè)SoC模塊，一般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，其內部典型架構包括整合了采用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)鐘和一個(gè)包含ADC、取樣/保持、SPI口、校準、數據管理以及ID碼的數字信號處理單元，模塊可以利用客戶(hù)專(zhuān)用軟件進(jìn)行配置，其測量精度能達0.01~0.03%FS。此外，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。
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電路的處理，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，綜合成數據流后再進(jìn)入同一封裝內的RF發(fā)射IC，然后通過(guò)設定的超高頻率(UHF)進(jìn)行調制并發(fā)射給安裝在駕駛臺內的接收器。
為了縮小汽車(chē)輪胎內進(jìn)行測量和信號處理的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)射也采用整合的SoC，如Atmel的ATAR862、Freescale的MH68C908RF2，它們都是將一片MCU、一片UHF RF發(fā)送器整合在同一封裝內的器件。其中，MCU一般為4bit或8bit CPU核，包括時(shí)鐘管理、EEPROM、RAM、多個(gè)計時(shí)器、多個(gè)I/O口以及內部晶振等。
UHF RF發(fā)送器以ATAR862為例，其內部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSK RF發(fā)送器，T5754由PLL、壓控振蕩器(VCO)、功率放大器(PA)等組成，外部晶振源經(jīng)XTO(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)PA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。北美RF的發(fā)射頻率標準為315MHz；歐洲為433.92 MHz；韓國為448 MHz；目前已有建議發(fā)射頻率為868MHz的新標準。
TPMS發(fā)射模塊的安裝
由于現在的汽車(chē)大多已取消了內胎，因此給TPMS發(fā)射模塊安裝帶來(lái)了極大的方便，目前TPMS發(fā)射模塊在汽車(chē)輪胎內的安裝有兩種方式：利用氣門(mén)咀安裝或者利用緊箍扣安裝在輪轂上。無(wú)論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊后都必須對輪胎重新做動(dòng)平衡檢驗。
TPMS接收器和顯示器
TPMS接收器由UHF ASK/FSK RF接收IC和MCU、鍵盤(pán)以及LCD顯示器組成。RF接收IC和MCU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、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(LNA)、低通濾波器(LPF)、IF 放大器、DEMOD(ASK/FSK解調器)、數據接口，以及PLL、XTO、VCO和混頻器組成。天線(xiàn)接收到的信號經(jīng)RF模擬前端的LNA放大、LPF濾波、ASK/FSK解調，處理后的數據流交TPMS接收器的MCU，然后經(jīng)軟件處理還原出胎壓、溫度、ID碼送LCD顯示，并智能辨別系統是否安全，和提供聲光報警。接收器的MCU需要有8K Flash和32 個(gè)I/O口，才能適應系統功能的需要。

注意事項
器件的選擇
由于TPMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、環(huán)境溫差變化大和不便于即時(shí)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定性，能適應工作在-40℃~+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節省功耗和增強功能，需要盡可能的選用具有多種功能的SoC。
此外，TPMS產(chǎn)品的ESD保護要符合MIL-STD.833的標準，即人體模式(HBM)>4KV。
省電與喚醒
隨著(zhù)能源問(wèn)題越來(lái)越被重視，系統節能成為本設計考慮的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節鋰電池下的工作時(shí)間，應該在大多數時(shí)間內讓系統進(jìn)入睡眠狀態(tài)。汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)和進(jìn)入高速行駛時(shí)，喚醒TPMS系統的方法一般有兩種：一是在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)TPMS進(jìn)行自檢，在進(jìn)入高速行駛時(shí)用事先設定的軟件程序定時(shí)巡回檢測。這種方法需要在TPMS發(fā)射模塊上安置喚醒(Wake-up)芯片以便應答TPMS接收器發(fā)出的呼喚信號。由于喚醒頻率為125KHz低頻，所以需要在TPMS接收器上增加一級天線(xiàn)驅動(dòng)，如ATA5275等；另一種方法是在傳感器模塊中增加加速度傳感器，利用其對運動(dòng)的敏感性，實(shí)現汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開(kāi)機進(jìn)入系統自檢，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，利用軟件設定安全期、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。
胎壓與溫度
汽車(chē)輪胎的壓力與溫度是密切相關(guān)的，當輪胎氣壓低于標準值時(shí)，變形增大，受力發(fā)生變化，若胎壓長(cháng)期低于正常氣壓的80%，在高速行駛時(shí)，輪胎會(huì )因急劇升溫而脫層，甚至導致爆胎。當輪胎氣壓高于標準值時(shí)，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(guò)室內試驗證明：一般認為氣壓提高25%，輪胎壽命將會(huì )降低15~20%；氣壓降低25%，壽命大約降低30%。一般轎車(chē)的輪胎正常氣壓值在210kpa左右，多座位商務(wù)車(chē)在240kpa左右為宜。
此外，汽車(chē)輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大(一般不能超過(guò)80℃，當溫度達到95℃時(shí)，輪胎的情況非常危險)，每升高1℃，輪胎磨損就增加2%，行駛速度每增加一倍，輪胎行駛里程將降低50%。因此，最好不要超溫、超速行使?！?/p>

參考文獻
1 顏重光等. 新型實(shí)用傳感器應用指南. 電子工業(yè)出版社. 1998
2 顏重光. 關(guān)于開(kāi)發(fā)ATMEL輪胎壓力監測IC應用市場(chǎng)的報告. 2003