胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)技術(shù)與設(shè)計(jì)考慮

TPMS對(duì)于提高汽車安全性有舉足輕重的影響，輪胎是汽車和路面唯一直接接觸的部分。輪胎過(guò)于膨脹或處于充氣不足狀態(tài)都會(huì)影響汽車安全性。有很多車禍都因輪胎出現(xiàn)狀況而導(dǎo)致的。美國(guó)高速公路安全協(xié)會(huì)（NHTSA）也因此立法強(qiáng)制實(shí)施TPMS。

各種TPMS 系統(tǒng)技術(shù)和市場(chǎng)狀況

目前TPMS主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：直接TPMS系統(tǒng)、間接TPMS系統(tǒng)和正在推出的混合TPMS。

現(xiàn)在的間接TPMS是與車輛的防抱死系統(tǒng)（ABS）一起使用的。ABS采用車輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)一個(gè)輪胎的氣壓減小時(shí)，滾動(dòng)半徑就減小，而車輪的旋轉(zhuǎn)速度就相應(yīng)地加快。

這個(gè)比率可用下列等式來(lái)表達(dá)(見(jiàn)公式1）。

如果這個(gè)比率偏離設(shè)定的公差，一個(gè)或更多輪胎就會(huì)過(guò)于膨脹或處于充氣不足狀態(tài)。然后，指示燈會(huì)提示司機(jī)，有一個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)。但是，間接TPMS有一定的局限性。第一是指示燈無(wú)法指出是哪個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)。第二，當(dāng)同一車軸或同一側(cè)的兩個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，它無(wú)法檢測(cè)出究竟是哪個(gè)輪胎充氣不足。第三，如果所有四個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)，該系統(tǒng)不會(huì)發(fā)現(xiàn)這一故障。另外，氣壓不足時(shí)輪胎直徑的減少和氣壓的降低非常微小。對(duì)于薄胎來(lái)說(shuō)，69kPa (~10 psi)的壓降只會(huì)使直徑減小1mm。這種壓降不符合美國(guó)的最終判定規(guī)則（Final Ruling）所規(guī)定的25%原則，采用間接方法進(jìn)行檢測(cè)在很大程度上依賴于輪胎和負(fù)載因子。

直接TPMS采用固定在每個(gè)車輪中的壓力傳感器直接測(cè)量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì)通過(guò)發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析，分析結(jié)果將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當(dāng)今大多數(shù)車輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機(jī)哪個(gè)輪胎充氣不足。由于直接TPMS可直接測(cè)量每個(gè)輪胎的氣壓，因此當(dāng)任何一個(gè)或幾個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)時(shí)，它們都會(huì)檢測(cè)出這種狀態(tài)，當(dāng)車輛的所有四個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)也可以檢測(cè)到。直接TPMS也可檢測(cè)到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測(cè)到7 kPa (~1.0 psi)的壓降。

為滿足多輪壓力檢測(cè)要求，常規(guī)的間接TPMS需要在系統(tǒng)中安裝兩個(gè)額外的胎壓傳感器和一個(gè)射頻接收器。胎壓傳感器要安裝在車輪上，兩個(gè)傳感器呈對(duì)角安裝。由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測(cè)到在同一個(gè)車軸或車輛同一側(cè)的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎，當(dāng)所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)也可以檢測(cè)到故障。但是，和間接系統(tǒng)相似，當(dāng)兩個(gè)呈對(duì)角的輪胎（不帶直接氣壓傳感器）都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)只能檢測(cè)到一個(gè)輪胎充氣不足。

混合TPMS可以降低系統(tǒng)成本，但在系統(tǒng)可靠性和靈活性方面還不夠理想。并且它不能全部定位欠壓輪胎。

隨著技術(shù)的發(fā)展，直接TPMS系統(tǒng)已逐漸演變?yōu)?個(gè)主要系統(tǒng)類型，即主流型（低/中端）、帶有自動(dòng)定位功能的高端TPMS和結(jié)合ESP/ABS的TPMS系統(tǒng)。下表對(duì)各種系統(tǒng)類型進(jìn)行概述：

情景1：TPMS配ABS/ESP——間接系統(tǒng)

許多OEM都從間接系統(tǒng)轉(zhuǎn)向了直接系統(tǒng)，因?yàn)橹苯酉到y(tǒng)的總體成本降低了。間接系統(tǒng)有太多的技術(shù)局限性，并且要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)地測(cè)試。由于間接系統(tǒng)在美國(guó)市場(chǎng)遭受了太多的索賠，所以通常僅限于歐洲使用。因此，其市場(chǎng)份額不足10%。

圖1:間接TPMS的監(jiān)測(cè)原理

情景2：主流（低/中端）TPMS——直接系統(tǒng)

受美國(guó)立法的推動(dòng)，覆蓋低/中端細(xì)分市場(chǎng)的主流TPMS的市場(chǎng)份額到2011年將超過(guò)50%。但是TPMS預(yù)計(jì)在歐洲、亞太地區(qū)和日本市場(chǎng)規(guī)模會(huì)很小，這是由于額外的系統(tǒng)成本和公眾對(duì)TPMS認(rèn)知不足造成的。另外，TPMS系統(tǒng)通常是作為高端車型的選件提供，增裝的需求仍然很低，因?yàn)橐话愕能囍鲗?duì)TPMS還不熟悉。

主流系統(tǒng)的主要推動(dòng)因素是價(jià)格。OEM需要一個(gè)能夠滿足美國(guó)高速公路安全協(xié)會(huì)（NHTSA）的各項(xiàng)要求，但不至導(dǎo)致低/中端車型的價(jià)格增加太多的TPMS的系統(tǒng)。主流系統(tǒng)的基本功能可以滿足NHTSA的各項(xiàng)要求，但是目前的狀況是每個(gè)OEM都有自己的TPMS系統(tǒng)，它并不是一個(gè)商品市場(chǎng)。

情景3：高端TPMS（自動(dòng)定位）——直接系統(tǒng)

高端TPMS是指將輪胎的自動(dòng)定位功能集成于直接TPMS系統(tǒng)。輪胎的自動(dòng)定位功能是指識(shí)別和區(qū)別4個(gè)輪胎發(fā)送的信息。在這種情況下，比如，右前輪的氣壓，無(wú)需任何人為操作，即可被正確識(shí)別并顯示出來(lái)。

如今的系統(tǒng)主要是在翼板中安裝低頻發(fā)射器天線來(lái)進(jìn)行定位。有四個(gè)低頻發(fā)射器模塊用電線連接中央接收器模塊至翼板。中央接收器模塊將信號(hào)發(fā)送至這些低頻模塊以觸發(fā)特定的車輪模塊，比如右前輪。在這種情況下，只有右前輪的車輪模塊（而不是其余的車輪模塊）會(huì)反饋信息。將來(lái)，兩軸G傳感器將被用于實(shí)現(xiàn)輪胎的自動(dòng)定位功能。預(yù)計(jì)到2011年，高端TPMS系統(tǒng)的市場(chǎng)份額將達(dá)到30%。該系統(tǒng)也將成為未來(lái)TPMS/ESP集成的基礎(chǔ)（見(jiàn)情景4的描述）。

情景4：ESP/ABS和TPMS的結(jié)合——直接系統(tǒng)

該系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展方向。在該系統(tǒng)中，TPMS系統(tǒng)將輪胎的附加信息提供給ESP系統(tǒng)，如重力、輪胎氣壓和溫度、路況和輪胎類型等。這是未來(lái)高級(jí)ESP系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。這種系統(tǒng)需要具備多軸重力測(cè)量和自動(dòng)定位功能，此外還需要采用低頻或“能量獲得”技術(shù)的無(wú)電池式系統(tǒng)。該類系統(tǒng)將于2008年首次引入高端汽車（基于低頻系統(tǒng)）。預(yù)計(jì)到2011年，其市場(chǎng)份額將達(dá)到10%。

表1：直接與間接TPMS的比較

表2：TPMS類型

TPMS的要求和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

TPMS系統(tǒng)的要求有：低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運(yùn)行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長(zhǎng)的工作壽命等。為實(shí)現(xiàn)10年使用壽命這一目標(biāo)，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰(zhàn)。

在設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、功效高的系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的第一個(gè)因素就是軟件。因?yàn)檐囕喣K通常是用微控制器來(lái)執(zhí)行命令的，所以應(yīng)采用一種智能化算法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功效。例如，每次都要將一個(gè)完整的 8-bit參數(shù)傳輸?shù)浇邮掌鲉?？或者，傳輸一個(gè) 1-bit參數(shù)低壓報(bào)警信號(hào)是否更加有效？多長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量一次胎壓？系統(tǒng)總是測(cè)量所有參數(shù)，還是對(duì)一個(gè)參數(shù)的測(cè)量次數(shù)比其它參數(shù)多？應(yīng)由車輪模塊執(zhí)行參數(shù)計(jì)算還是接收器來(lái)執(zhí)行？軟件工程師在設(shè)計(jì)TPMS系統(tǒng)時(shí)必須考慮這些問(wèn)題。

其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低頻接口時(shí)，感應(yīng)模塊可以始終處于電源關(guān)閉模式，這樣功耗最低。只有在收到喚醒信號(hào)后，傳感器才會(huì)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備設(shè)計(jì)靈活性和其他一些優(yōu)勢(shì)。例如，低頻通訊可使系統(tǒng)通過(guò)低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令，以對(duì)輪胎進(jìn)行重新校準(zhǔn)和定位。

第三種降低功耗的方法是使用滾動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)輪胎是靜止的還是運(yùn)行的。因此，運(yùn)算可通過(guò)如下方式進(jìn)行——只有當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，才進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和/或傳輸。

一些TPMS傳感器（比如SP30）集成了加速度計(jì)，該加速度計(jì)是一種檢測(cè)車輪旋轉(zhuǎn)的高G傳感器。因此，應(yīng)用軟件可以用這種方法編寫——即當(dāng)加速度計(jì)的讀數(shù)低于某一水平時(shí)，表明車輛是靜止的或者非常緩慢地行駛著，此時(shí)，TPMS可停止運(yùn)行或以很低的頻率運(yùn)行。一般的車輛在公路上行駛的平均時(shí)間大約為15%?？紤]到這一點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)方案可以大幅度降低TPMS的功耗。

最后，通過(guò)選擇低功耗元件并通過(guò)使用具有集成功能的元件來(lái)盡可能減少元件數(shù)量，可獲得更高功率效率并降低系統(tǒng)總成本。

TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還有一個(gè)非常重要的方面是傳感器的介質(zhì)兼容性。傳感器的精確性和可靠性在很大程度上受外部介質(zhì)的影響，如潮濕、灰塵和其它物質(zhì)如制動(dòng)液等。英飛凌的TPMS傳感器SP30采用夾層工藝，由夾在兩個(gè)玻璃層之間的單硅晶組成。傳感器元件具備卓越的介質(zhì)兼容性，因?yàn)槠錃鈮喝肟诔蚬枘て谋趁?。同時(shí)，芯片的封裝方式也會(huì)影響傳感器的性能。

英飛凌的SP30 TPMS傳感器幾年之前已進(jìn)入批量生產(chǎn)，迄今為止已銷售了數(shù)百萬(wàn)套。隨著市場(chǎng)不斷要求更高的集成度和更低的系統(tǒng)成本，英飛凌將在2007年向亞太市場(chǎng)推出下一代產(chǎn)品SP35。SP35將集成車輪模塊所需的感應(yīng)功能和發(fā)射功能。這就意味著，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現(xiàn)有的SP30加外部射頻發(fā)射器集成電路（IC）解決方案相比，SP35系統(tǒng)解決方案將減少一個(gè)組件。

圖2：英飛凌的下一代TPMS傳感器SP35框圖

SP35集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數(shù)量外，它還可以降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榘蹇ㄔO(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，尺寸更小。

另外一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自于無(wú)線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計(jì)采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率。該ASK系統(tǒng)雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車輪（發(fā)送器安裝在其上）旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的接收?qǐng)鰪?qiáng)變化的影響。出于這一原因，現(xiàn)在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調(diào)制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應(yīng)用中，即使是在車輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)SK都具備可靠的射頻通訊功能。

英飛凌的超高頻（UHF）發(fā)射器TDK51xxF系列設(shè)計(jì)用于315MHz、434MHz、868MHz和915 MHz等頻段，可同時(shí)支持 ASK調(diào)制和FSK調(diào)制。該產(chǎn)品系列具備一個(gè)完全集成的鎖相環(huán)（PLL）合成器和一個(gè)高效功率放大器以驅(qū)動(dòng)環(huán)路天線。其典型功耗為7mA（當(dāng)電阻為50Ohm，射頻輸出功率為5dBm時(shí)），該設(shè)備可在-40°C到+125°C的汽車運(yùn)行溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

英飛凌還提供用于不同頻段的各種接收器芯片，集成了各種功能，這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可使用最少的元件，從而降低系統(tǒng)成本。在FSK調(diào)制模式下當(dāng)接收頻率為434MHz時(shí)，低達(dá)3.9-7.5mA的工作電流，以及高達(dá)-100dBm的敏感度。（測(cè)定條件：FSK頻偏為+/-50kHz，誤碼率為2xE-3比特誤差率，曼徹斯特編碼方式，數(shù)據(jù)率為4KHz，中頻帶寬為280KHz）。

無(wú)線控制設(shè)計(jì)考慮因素

采用英飛凌TDK51xxF發(fā)射器時(shí)需要考慮以下因素：

(1). 天線選擇和匹配網(wǎng)絡(luò)。模擬和測(cè)試已經(jīng)證明，與常規(guī)的接地天線相比，環(huán)路天線更加有效并且?guī)捀鼘?。環(huán)路天線通常被印刷在電路板上，并且要適當(dāng)匹配才能獲得最佳效率。但是，有幾個(gè)常見(jiàn)的外界因素會(huì)影響天線的性能和阻抗，如手效應(yīng)——會(huì)改變自由空間(?0)和金屬物體附近的介電常數(shù)，而且這些因素對(duì)于獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，并且必須被考慮在內(nèi)。這被證明是TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所面臨的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樘炀€必須在盡可能多的實(shí)時(shí)影響因素同時(shí)出現(xiàn)的情況下進(jìn)行測(cè)量，即要同時(shí)調(diào)整天線電阻網(wǎng)以及安裝在邊框上或靠近底部的發(fā)射器模塊。

(2). 功率模式。在電源關(guān)閉模式下，整個(gè)芯片是不通電的，電流消耗一般為0.3nA。通過(guò)將FSKDTA切換到HIGH（因?yàn)槲催B接PWDWN）可以進(jìn)入PLL激活模式。在這期間，PLL接通電源，但功率放大器關(guān)閉，以便在PLL需要穩(wěn)定時(shí)避免不必要的功率輻射。

采用FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行FSK調(diào)制的功率模式示例（沒(méi)有連接PDWN）

圖3：采用FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行FSK調(diào)制的功率模式示例（沒(méi)有連接PDWN）

PLL的導(dǎo)通時(shí)間主要由晶體振蕩器的導(dǎo)通時(shí)間決定，當(dāng)使用規(guī)定的晶體時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間小于1 msec。PLL本身需要大約10?s的時(shí)間鎖定。在PLL啟用期間，電流消耗一般為3.5 mA。TDK51xxF上的功率放大器由ASKDTA接通至HIGH位置。在此期間，F(xiàn)SKDTA可以發(fā)送。當(dāng)將適當(dāng)?shù)淖儞Q網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于PAOUT時(shí)，集成電路的電流消耗一般為7mA。

(3). 晶體部分。發(fā)射器晶體板應(yīng)被屏蔽和接地，并且遠(yuǎn)離天線，以避免來(lái)自功率輸出的干擾。同樣的原理，發(fā)射時(shí)鐘輸出應(yīng)遠(yuǎn)離晶體輸入，并且所有晶體跡線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。

(4). 電路板接地。在電路下面進(jìn)行牢固的接地是很重要的，射頻和集成電路（IC）接地應(yīng)彼此分開(kāi)。

(5). 匹配元件布置。所有匹配的元件彼此應(yīng)盡量正交放置在接地平面上，如果可能的話，它們的并聯(lián)匹配元件都應(yīng)彼此分離。

(6). 天線設(shè)計(jì)部分。天線應(yīng)總是放置在“自由空間”（無(wú)交流電源接地）內(nèi)并且應(yīng)使天線與接地層的距離至少為5mm。如果使用環(huán)路天線，必須進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)。

(7). 去耦合電容布置。去耦合電容必須盡可能靠近Vs和地。

英飛凌的TDA52xx是一種專門用于短程遙控的單片接收器。超外差接收器（SHR）的基本結(jié)構(gòu)由低噪聲放大器（LNA）和前端的混頻器構(gòu)成，IC進(jìn)行了高度集成并且只需很少的外部元件。該器件包括一個(gè)低噪放大器（LAN）、雙平衡混頻器、完全集成的壓控振蕩器（VCO）、PLL合成器、晶體振蕩器、帶RSSI發(fā)生器的限幅器、PLL FSK解調(diào)器、數(shù)據(jù)濾波器、數(shù)據(jù)比較器（分割器）和峰值檢波器等。此外，該器件還具備斷電功能以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。采用英飛凌TDA52xx接收器需要考慮以下因素。

圖3：英飛凌的TDA5210超高頻（UHF）接收器的框圖

(1). 用SAW濾波器克服外界干擾。為提高選擇性和鏡頻抑制比，可在天線和LAN入口之間放置一個(gè)SAW前端濾波器。這樣即可有效克服帶外干擾信號(hào)造成接收器堵塞的問(wèn)題。窄帶前端SAW濾波器的功率，必須與輸入側(cè)的天線和位于輸出側(cè)的LNA相匹配，以獲得扁平通帶、低插入損耗和良好的抑制效應(yīng)。所有的PCB跡線都要盡可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由SAW濾波器供應(yīng)商推薦的輸入和輸出匹配元件的值可以作為一個(gè)很好的參考指南。

(2). 提高接收器的靈敏度。有很多可能影響到接收器靈敏度的因素，我們可以對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)以使接收器的靈敏度最優(yōu)化。為獲得更好的靈敏度和接收器性能，從前端匹配、LNA/Mixer電路、中頻濾波器和晶頻、到數(shù)據(jù)濾波器和數(shù)據(jù)分割器都要進(jìn)行仔細(xì)調(diào)節(jié)。

結(jié)論

TPMS市場(chǎng)目前的主角是采用電池的直接系統(tǒng)。無(wú)電池直接系統(tǒng)可能于2008年與ESP系統(tǒng)一道面向高端汽車推出。預(yù)計(jì)到2011年，這種系統(tǒng)的銷量將達(dá)到1.69億套，其后5年之內(nèi)的年均增長(zhǎng)率將達(dá)到29%。元件的正確選擇、電源管理、介質(zhì)兼容性、系統(tǒng)成本和射頻設(shè)計(jì)都是工程師在設(shè)計(jì)直接TPMS時(shí)需要克服的主要設(shè)計(jì)難題，這些因素對(duì)于商業(yè)成功至關(guān)重要。