汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計方案思考
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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(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，該類系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)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(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(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(jìn)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(jìn)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。
圖1：PSB TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
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(qiáng)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、128BEEPROM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(jī)、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。
TPMS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(dá)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(jī)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(jìn)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(dú)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(jìn)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。
圖2：TPMS按裝在胎內(nèi)的模塊
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/FSKRF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。
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