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(jié)給出了若干建議。
關鍵詞：TPMS；壓力/溫度傳感器模塊；ASK/FSK；RF Tx/Rx

引言
汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時的自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全。
目前，TPMS 主要分為兩種類型，一種是WSB TPMS(又稱間接式 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速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。該類型的主要缺點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/小時的情況進行判斷。另一種是PSB TPMS(又稱直接式 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，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。PSB TPMS 從功能和性能上均優(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，國內多數(shù)汽車廠家目前還沒有進行這方面的研究，但隨著國際化的要求，和國產(chǎn)汽車的出口，TPMS將會引起國內廠商的關注。

圖1  TPMS系統(tǒng)方案

TPMS系統(tǒng)
本文所講的TPMS系統(tǒng)是指目前流行的PSB TPMS，它主要由安裝在汽車輪胎內的壓力、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，和安裝在汽車駕駛臺上的包括數(shù)字信號處理單元的RF接收器以及LCD組成。
一輛轎車需要4個TPMS發(fā)射模塊(備胎還需要1個)和1個TPMS接收器。一輛卡車需要6~12個TPMS發(fā)射模塊，為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力，系統(tǒng)安裝時需要在汽車底盤安裝接收天線。由SP12傳感器、ATAR862、T5743、AVRMCU等主要芯片組成的TPMS系統(tǒng)方案結構框圖如圖1所示。
TPMS傳感器
TPMS傳感器是一個集成了半導體壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)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、內部時鐘、看門狗，和帶12 bit ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 B EEPROM及其它功能的ASIC數(shù)字信號處理單元。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內溫度的變化，而且還能實現(xiàn)汽車移動即時開機、自動喚醒、省電等功能。電源管理器確保了系統(tǒng)的低功耗，通常一節(jié)鋰電池可以使用3~5年。
TPMS的壓力傳感器都是用基于MEMS技術來設計、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、內部時鐘和一個包含ADC、取樣/保持、SPI口、校準、數(shù)據(jù)管理以及ID碼的數(shù)字信號處理單元，模塊可以利用客戶專用軟件進行配置，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(shù)據(jù)流后再進入同一封裝內的RF發(fā)射IC，然后通過設定的超高頻率(UHF)進行調制并發(fā)射給安裝在駕駛臺內的接收器。
為了縮小汽車輪胎內進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，包括時鐘管理、EEPROM、RAM、多個計時器、多個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提供時鐘，MCU將已編碼的數(shù)據(jù)流經(jīng)PA調制在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。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(xiàn)在的汽車大多已取消了內胎，因此給TPMS發(fā)射模塊安裝帶來了極大的方便，目前TPMS發(fā)射模塊在汽車輪胎內的安裝有兩種方式：利用氣門咀安裝或者利用緊箍扣安裝在輪轂上。無論采用哪種方式，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、鍵盤以及LCD顯示器組成。RF接收IC和MCU在一個盒子里，可安裝在汽車儀表箱內；帶控制鍵盤的LCD顯示器可安裝在駕駛臺上。LCD顯示器能實時顯示每個輪胎的壓力、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(shù)據(jù)接口，以及PLL、XTO、VCO和混頻器組成。天線接收到的信號經(jīng)RF模擬前端的LNA放大、LPF濾波、ASK/FSK解調，處理后的數(shù)據(jù)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(tǒng)是否安全，和提供聲光報警。接收器的MCU需要有8K Flash和32 個I/O口，才能適應系統(tǒng)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、環(huán)境溫差變化大和不便于即時檢修的條件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩(wěn)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(jié)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
隨著能源問題越來越被重視，系統(tǒng)節(jié)能成為本設計考慮的一個重點問題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下的工作時間，應該在大多數(shù)時間內讓系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)。汽車啟動時和進入高速行駛時，喚醒TPMS系統(tǒng)的方法一般有兩種：一是在汽車啟動時TPMS進行自檢，在進入高速行駛時用事先設定的軟件程序定時巡回檢測。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驅動，如ATA5275等；另一種方法是在傳感器模塊中增加加速度傳感器，利用其對運動的敏感性，實現(xiàn)汽車啟動時自動開機進入系統(tǒng)自檢，汽車高速行駛時按運動速度自動智能確定檢測時間周期，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
汽車輪胎的壓力與溫度是密切相關的，當輪胎氣壓低于標準值時，變形增大，受力發(fā)生變化，若胎壓長期低于正常氣壓的80%，在高速行駛時，輪胎會因急劇升溫而脫層，甚至導致爆胎。當輪胎氣壓高于標準值時，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。通過室內試驗證明：一般認為氣壓提高25%，輪胎壽命將會降低15~20%；氣壓降低25%，壽命大約降低30%。一般轎車的輪胎正常氣壓值在210kpa左右，多座位商務車在240kpa左右為宜。
此外，汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大(一般不能超過80℃，當溫度達到95℃時，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. 新型實用傳感器應用指南. 電子工業(yè)出版社. 1998
2 顏重光. 關于開發(fā)ATMEL輪胎壓力監(jiān)測IC應用市場的報告. 2003