TPMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

    摘要：介紹TPMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢、市場。

    關(guān)鍵詞：TPMS 遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊 中央監(jiān)視器 RFID SAW

TPMS的由來及市場

TPMS 是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) "Tire Pressure Monitoring System"的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時實(shí)時的對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。

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(jì)，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-汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)毫無疑問將是理想的工具。凡世通（Firestone）輪胎的質(zhì)量問題，造成了超過千人的傷亡，此事引起了業(yè)界和美國政府的高度關(guān)注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程師學(xué)會最近的調(diào)查，美國每年有26萬交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于每年造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，美國政府要求汽車制造商加速發(fā)展TPMS系統(tǒng)，以求減少輪胎事故的發(fā)生。因此，在2000年美國國會通過了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。2000年11月1日美國總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國會關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案，要求2003年后所有的新車都需把這種系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置。回應(yīng)TREAD法案，美國公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車生產(chǎn)商的執(zhí)行時間表：美國市場出售的汽車，2004年占10%，2005年占35%， 2006年占65%，2007年 將達(dá)100%。美國每年的汽車銷量約為1500萬輛（轎車/卡車）。全球每年約5000萬輛，平均每輛車需要4.2個輪胎（不包括備用胎）。

中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長的趨勢，汽車保有量已突破2600萬輛，年銷售汽車將突破600萬輛，未來5年將成為僅次于美國的全球第二大汽車銷售國。汽車安全產(chǎn)品將成為中國生機(jī)勃勃的新興市場熱點(diǎn)，今后每年的增長速度可達(dá)50%。其中，僅TPMS技術(shù)產(chǎn)品2005年底的市場容量就將達(dá)20萬套，近7億元人民幣；2006將達(dá)到50萬套，近17億元。根據(jù)2003－2010年汽車需求預(yù)測：汽車年增長16%－20%；轎車年增長19.2%－24%。綜合以上分析，預(yù)計(jì)，2005－2010年，中國汽車保有量將以16% 以上的速度增長。

美國、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車全部安裝TPMS，因此，對TPMS的需要量與日俱增，美國的人工每小時起碼7.5元美金，差不多是中國工人的日工資，面對量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國。今后幾年內(nèi)中國必將成為TPMS的生產(chǎn)大國。

人的生命是最可貴的，因此，為與世界先進(jìn)國家同步，我國關(guān)于汽車安裝TPMS這樣的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)法規(guī)遲早也會出臺。因此，目前我們國內(nèi)已有數(shù)百家設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)廠家開始開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)TPMS。

目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是間接式TPMS，它通過汽車ABS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，其缺點(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。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動報(bào)警。直接式TPMS 從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。許多歐洲的汽車廠商已將直接式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、英國阿斯頓· 馬汀的超級跑車 Vanquish、林肯大陸、克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車、旁蒂克的旗艦Bonneville SE 等等，梅賽德斯-奔馳S級轎車最新的改進(jìn)也將TPMS 作為選裝件。國內(nèi)多數(shù)汽車廠家目前已開始進(jìn)行這方面的研究，中國加入 WTO 以后，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。中國TPMS的前裝和后裝市場已經(jīng)啟動，預(yù)見前裝市場（汽車生產(chǎn)廠家原裝）將比后裝市場（汽車購買后安裝）跑得更快。

TPMS產(chǎn)品技術(shù)

TPMS系統(tǒng)主要有二個部分組成：安裝在汽車輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊（Remote Tire Pressure Monitoring）和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器（LCD顯示器）。直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度模塊，將測量得到的信號調(diào)制后通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。一個TPMS系統(tǒng)有4個或5個（包括備用胎）RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的報(bào)警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。

由于汽車輪胎現(xiàn)在大多都是沒有內(nèi)胎的真空子午胎，因此，將TPMS的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的，但是汽車在高速跑動時輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按軍級產(chǎn)品的要求來選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來制訂生產(chǎn)工藝，然而它是一個量大面廣的汽車通用安全產(chǎn)品，要按消費(fèi)電子產(chǎn)品來定價。

遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊由五個部分組成：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8位單片機(jī)（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線。外殼選用高強(qiáng)度ABS塑料。所有器件、材料都要滿足- 40℃到+125℃的使用溫度范圍。

智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘和一個包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、校準(zhǔn)（Calibration）、數(shù)據(jù)管理（Data）、ID碼的數(shù)字信號處理ASIC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。它是由MEMS傳感器和ASIC電路二塊芯片，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16-32位獨(dú)特的ID碼。

適用于TPMS的智能傳感器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、NPX2，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的，具有較高的測量精度、較低的功耗。

NPX和SP12系列的智能傳感器都包含了加速度計(jì)，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對運(yùn)動的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動即時開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動喚醒，汽車高速行駛時按運(yùn)動速度自動智能確定檢測時間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等功能。NPX還將8位MCU封裝在智能傳感器中。

隨著TPMS產(chǎn)品市場對IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如GE NPX那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊，在未來幾年內(nèi)還會開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊只有一個模塊和一個天線組成，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡便。

TPMS的工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92 MHz，韓國為448 MHz，已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為868 MHz。其發(fā)射功率又不能超過10dBm，否則要接受無線電管制。工作模式有ASK（振幅變換調(diào)制）、FSK（頻率變換調(diào)制），F(xiàn)SK抗干擾較好。因此，對RF芯片選用的要求是：（1）發(fā)射功率盡可能大；（2）芯片外型尺寸盡可能??；（3）具有比較好的性能/價格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的標(biāo)稱發(fā)射功率都達(dá)10dBm。

電池選用鋰亞電池，以保證遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊在高低溫環(huán)境中都能正常工作。傳統(tǒng)的鋰電池在- 40℃低溫時喪失電能，在+100℃高溫時會自動放電。TADIRAN LTH2450鋰亞電池能滿足TPMS寬溫度范圍的要求。

天線是遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊發(fā)射功率提升的關(guān)鍵，天線技術(shù)涉及天線的幾何形狀、材料、介質(zhì)等諸多因素。

遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊的整體電源管理是十分重要的，一個鋰亞電池要向這個模塊提供3-5年的工作能源，做好電源管理和如何省電是關(guān)鍵所在。

發(fā)射模塊在汽車輪胎內(nèi)的安裝有二種方式，一是利用氣門咀安裝，這是目前使用最多的；二是利用緊箍扣安裝在輪轂上，這是最早的辦法，但振動后會移位。無論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊都必須對輪胎重新做動平衡檢驗(yàn)。

中央監(jiān)視器即TPMS接收器主要由UHF ASK/FSK RF接收IC和信號處理MCU、鍵盤、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號處理MCU安裝在一個盒子里，可安裝在汽車儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤的LCD顯示器可安裝在駕駛臺上，LCD顯示器能實(shí)時顯示每個輪胎的壓力、溫度，和每一個輪胎的ID識別碼，以及聲光報(bào)警。由于接收系統(tǒng)是工作在汽車車廂內(nèi)，其環(huán)境溫度是常溫而且變化不大，電源可以使用汽車的12V或24V電源，因此對器件選用只要是工業(yè)級即可，省電的要求也不高。

RF接收IC選用時一般考慮需要較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整個系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，ATMEL的T5743、Infineon的TDK5210的標(biāo)稱靈敏度都達(dá)-100dBm以上。

TPMS技術(shù)發(fā)展趨勢

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，將是一個永恒的主題，因此，TPMS將成為汽車安全保障系統(tǒng)之一。TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方向發(fā)展。

米其林集團(tuán)公司、固特異輪胎橡膠公司已開發(fā)出在輪胎制造時的成形工序中，將壓力、溫度監(jiān)測和信號發(fā)射裝置被埋入輪胎胎壁內(nèi)，它在輪胎的整個壽命期間（一般為1～7年）發(fā)揮作用；作為信號接收裝置做成如手機(jī)的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車時插裝在車上，下車後隨身攜帶。

以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該公司和西門子VDO汽車配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號外，還具有標(biāo)識輪胎的功能，也就是說，它既可用於輪胎氣壓監(jiān)測，還可以用於輪胎歷程可追溯性記錄。上海交通大學(xué)也開始基于聲表波技術(shù)的TPMS開發(fā)研究，這種能同時測量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)的SAW傳感器，不僅可實(shí)現(xiàn)智能輪胎信息的無源測量和無線發(fā)送，并且將擁有中國人自主的知識產(chǎn)權(quán)。