TPMS——汽車(chē)安全的永恒主題
對(duì)IC整合度和可靠性提出新要求
由于汽車(chē)輪胎現(xiàn)在大多都是沒(méi)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(cè)模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的。但是汽車(chē)在高速跑動(dòng)時(shí)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)要按軍品的要求來(lái)選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來(lái)制訂生產(chǎn)工藝，作為一個(gè)量大面廣的汽車(chē)通用安全產(chǎn)品，它還要按消費(fèi)電子產(chǎn)品來(lái)定價(jià)。
適用于TPMS的智能傳感器
遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由五個(gè)部分組成：(1)具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測(cè)和后信號(hào)處理ASIC芯片組合的智能傳感器SOC；(2)4位-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(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI口、校準(zhǔn)(Cali-bration)、數(shù)據(jù)管理(Data)、ID碼的數(shù)字信號(hào)處理ASIC單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專(zhuān)用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC電路兩塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。在封裝的上方留有一個(gè)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(cè)量電橋，同時(shí)這個(gè)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(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有16位-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(cè)量電路的，具有較高的測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車(chē)高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)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(cè)周期和提高預(yù)警能力，節(jié)省電能。NPX2還將8位MCU封裝在智能傳感器中。
電源管理是關(guān)鍵
隨著TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如GE NPX2那樣的將所需測(cè)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(lái)幾年內(nèi)還會(huì)開(kāi)發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)便。
TPMS的工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92MHz，韓國(guó)為448MHz，已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為868MHz。其發(fā)射功率不能超過(guò)10dBm，否則要接受無(wú)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(duì)RF芯片選用的要求是：(1)發(fā)射功率盡可能大；(2)芯片外形尺寸盡可能小；(3)具有比較好的性能價(jià)格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的標(biāo)稱(chēng)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(cè)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(shí)喪失電能，在+100℃高溫時(shí)會(huì)自動(dòng)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(cè)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(cè)模塊的整體電源管理是十分重要的，一個(gè)鋰亞電池要向這個(gè)模塊提供3年-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(chē)輪胎內(nèi)的安裝有兩種方式，一是利用氣門(mén)嘴安裝，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(dòng)后會(huì)移位。無(wú)論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊都必須對(duì)輪胎重新做動(dòng)平衡檢驗(yàn)。
中央監(jiān)視器即TPMS接收器主要由UHFASK/FSK RF接收IC和信號(hào)處理MCU、鍵盤(pán)、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號(hào)處理MCU安裝在一個(gè)盒子里，可安裝在汽車(chē)儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤(pán)的LCD顯示器可安裝在駕駛臺(tái)上，LCD顯示器能實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎的壓力、溫度和每一個(gè)輪胎的ID識(shí)別碼以及聲光報(bào)警。由于接收系統(tǒng)是工作在汽車(chē)車(chē)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(chē)的12V或24V電源，因此對(duì)器件選用只要是工業(yè)級(jí)即可，省電的要求也不高。
RF接收IC選用時(shí)一般需要考慮較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，ATMEL的T5743、Infineon的TDK5210的標(biāo)稱(chēng)靈敏度都達(dá)-100dBm以上。
向高集成方向發(fā)展
汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，在汽車(chē)電子領(lǐng)域，TPMS是一個(gè)永恒的主題。TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無(wú)線無(wú)源化方向發(fā)展。
米其林集團(tuán)公司、固特異輪胎橡膠公司將壓力、溫度監(jiān)測(cè)和信號(hào)發(fā)射裝置埋入輪胎胎壁內(nèi)，這些裝置在輪胎的整個(gè)壽命期間(一般為1年～7年)發(fā)揮作用。
以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國(guó)固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該公司和西門(mén)子VDO汽車(chē)配件公司合作，成功研發(fā)出一種紐扣電池般大小的帶RFID卡的傳感器。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(hào)外，還具有標(biāo)識(shí)輪胎的功能，也就是說(shuō)，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測(cè)，還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄。
上海交通大學(xué)也在進(jìn)行TPMS的開(kāi)發(fā)研究，他們推出的SAW傳感器能同時(shí)測(cè)量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)，不僅實(shí)現(xiàn)了智能輪胎信息的無(wú)源測(cè)量和無(wú)線發(fā)送，而且將擁有中國(guó)人自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
制造正在轉(zhuǎn)向中國(guó)
中國(guó)正在成為全球最大的汽車(chē)市場(chǎng)，中國(guó)汽車(chē)需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，汽車(chē)保有量已突破2600萬(wàn)輛，未來(lái)5年中國(guó)將成為僅次于美國(guó)的全球第二大汽車(chē)銷(xiāo)售國(guó)。汽車(chē)安全產(chǎn)品將成為市場(chǎng)熱點(diǎn)，今后每年的增長(zhǎng)速度可達(dá)50%。其中，僅TPMS技術(shù)產(chǎn)品2005年底的市場(chǎng)容量就將達(dá)20萬(wàn)套，近7億元人民幣；2006將達(dá)到50萬(wàn)套，近17億元。
美國(guó)、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)全部安裝TPMS，因此，對(duì)TPMS的需要量與日俱增，面對(duì)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(guó)。今后幾年內(nèi)我國(guó)必將成為T(mén)PMS的生產(chǎn)大國(guó)。目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)百家設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)廠家開(kāi)始開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)TPMS。
美國(guó)加速發(fā)展TPMS
據(jù)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)最近的調(diào)查，美國(guó)每年有26萬(wàn)起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(guó)政府要求汽車(chē)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(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美國(guó)銷(xiāo)售的汽車(chē)都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。美國(guó)公路交通安全局(NTHTSA)要求到2007年，所有在美國(guó)銷(xiāo)售的汽車(chē)都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車(chē)生產(chǎn)商的執(zhí)行時(shí)間表：美國(guó)市場(chǎng)出售的汽車(chē)，2004年占10%，2005年占35%，2006年占65%，2007年將達(dá)100%。
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TPMS的含義
TPMS是汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)"Tire Pressure Monitoring System"的英文縮寫(xiě)，主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全，TPMS系統(tǒng)是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。
TPMS主要類(lèi)型
目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型：一種是間接式TPMS，它通過(guò)汽車(chē)ABS的輪速傳感器來(lái)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(wú)法對(duì)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。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)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(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)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(chē)廠商已將直接式TPMS配裝于自己的車(chē)型之中。國(guó)內(nèi)多數(shù)汽車(chē)廠家目前已開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究。
TPMS系統(tǒng)的組成
TPMS系統(tǒng)主要由兩部分組成：安裝在汽車(chē)輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊(Remote Tire Pressure Monitoring)和安裝在汽車(chē)駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器(LCD顯示器)。直接安裝在每個(gè)輪胎里測(cè)量輪胎壓力和溫度模塊，將測(cè)量得到的信號(hào)調(diào)制后通過(guò)高頻無(wú)線電波(RF)發(fā)射出去。一個(gè)TPMS系統(tǒng)有4個(gè)或5個(gè)(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(hào)，將各個(gè)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(hào)，提醒駕駛者采取必要的措施。
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