TPMS设计方案的思考

摘    要：本文介绍了TPMS的总体设计方案和主要部件的功能，并就器件的选择及设计细节给出了若干建议。

引言
汽车轮胎压力监测系统(TPMS)主要用于汽车行驶时对轮胎气压进行实时的自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。
目前，TPMS 主要分为两种类型，一种是WSB TPMS(又称间接式 TPMS )，这种系统是通过汽车 ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。该类型的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是PSB TPMS(又称直接式 TPMS)，这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。PSB TPMS 从功能和性能上均优于WSB TPMS。许多欧洲的汽车厂商已将 PSB TPMS 配装于自己的车型之中，国内多数汽车厂家目前还没有进行这方面的研究，但随着国际化的要求，和国产汽车的出口，TPMS将会引起国内厂商的关注。

图1  TPMS系统方案

TPMS系统
本文所讲的TPMS系统是指目前流行的PSB TPMS，它主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、RF发射器组成的TPMS发射模块，和安装在汽车驾驶台上的包括数字信号处理单元的RF接收器以及LCD组成。
一辆轿车需要4个TPMS发射模块(备胎还需要1个)和1个TPMS接收器。一辆卡车需要6~12个TPMS发射模块，为了提高系统的接收能力和抗干扰能力，系统安装时需要在汽车底盘安装接收天线。由SP12传感器、ATAR862、T5743、AVRMCU等主要芯片组成的TPMS系统方案结构框图如图1所示。
TPMS传感器
TPMS传感器是一个集成了半导体压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理器的SoC模块。为了强化胎压检测功能，有不少TPMS传感器模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗，和带12 bit ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 B EEPROM及其它功能的ASIC数字信号处理单元。这些功能单元使得TPMS传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、省电等功能。电源管理器确保了系统的低功耗，通常一节锂电池可以使用3~5年。
TPMS的压力传感器都是用基于MEMS技术来设计、生产的，主要有硅集成电容式压力传感器(如Freescale的MPXY8020、MPXY8040)和硅压阻式压力传感器(如GE NovaSensor的NPX1、NPXC01746，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30)。硅压阻式压力传感器也是一个SoC模块，一般采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力/电变换测量电路，其内部典型架构包括整合了采用硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含ADC、取样/保持、SPI口、校准、数据管理以及ID码的数字信号处理单元，模块可以利用客户专用软件进行配置，其测量精度能达0.01~0.03%FS。此外，为了便于TPMS接收器的识别，每个压力传感器都具有6~8位独特的ID码。
压力/温度信号处理与发射
压力/温度信号经TPMS传感器模块内的ASIC/SoC电路的处理，通过其SPI口传输给安装在发射模块内的信号处理单元，综合成数据流后再进入同一封装内的RF发射IC，然后通过设定的超高频率(UHF)进行调制并发射给安装在驾驶台内的接收器。
为了缩小汽车轮胎内进行测量和信号处理的IC所占面积与发射模块的体积，压力/温度信号处理与发射也采用整合的SoC，如Atmel的ATAR862、Freescale的MH68C908RF2，它们都是将一片MCU、一片UHF RF发送器整合在同一封装内的器件。其中，MCU一般为4bit或8bit CPU核，包括时钟管理、EEPROM、RAM、多个计时器、多个I/O口以及内部晶振等。
UHF RF发送器以ATAR862为例，其内部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSK RF发送器，T5754由PLL、压控振荡器(VCO)、功率放大器(PA)等组成，外部晶振源经XTO(串口谐振器)供给VCO，PLL向MCU提供时钟，MCU将已编码的数据流经PA调制在UHF指定频率，交由天线发射，天线采用印制在PCB板上的环状天线，发射功率要求PA在9.5mA 时能输出7~10dBm。北美RF的发射频率标准为315MHz；欧洲为433.92 MHz；韩国为448 MHz；目前已有建议发射频率为868MHz的新标准。
TPMS发射模块的安装
由于现在的汽车大多已取消了内胎，因此给TPMS发射模块安装带来了极大的方便，目前TPMS发射模块在汽车轮胎内的安装有两种方式：利用气门咀安装或者利用紧箍扣安装在轮毂上。无论采用哪种方式，安装完TPMS发射模块后都必须对轮胎重新做动平衡检验。
TPMS接收器和显示器
TPMS接收器由UHF ASK/FSK RF接收IC和MCU、键盘以及LCD显示器组成。RF接收IC和MCU在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内；带控制键盘的LCD显示器可安装在驾驶台上。LCD显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度、ID识别码，以及声光报警。
UHF ASK/FSK RF接收器以T5743为例，该芯片由低噪音放大器(LNA)、低通滤波器(LPF)、IF 放大器、DEMOD(ASK/FSK解调器)、数据接口，以及PLL、XTO、VCO和混频器组成。天线接收到的信号经RF模拟前端的LNA放大、LPF滤波、ASK/FSK解调，处理后的数据流交TPMS接收器的MCU，然后经软件处理还原出胎压、温度、ID码送LCD显示，并智能辨别系统是否安全，和提供声光报警。接收器的MCU需要有8K Flash和32 个I/O口，才能适应系统功能的需要。

注意事项
器件的选择
由于TPMS发射模块工作在剧烈振动、环境温差变化大和不便于即时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，能适应工作在-40℃~+125℃温度范围。为了缩小TPMS发射模块的体积、节省功耗和增强功能，需要尽可能的选用具有多种功能的SoC。
此外，TPMS产品的ESD保护要符合MIL-STD.833的标准，即人体模式(HBM)>4KV。
省电与唤醒
随着能源问题越来越被重视，系统节能成为本设计考虑的一个重点问题。为了提高TPMS发射模块在一节锂电池下的工作时间，应该在大多数时间内让系统进入睡眠状态。汽车启动时和进入高速行驶时，唤醒TPMS系统的方法一般有两种：一是在汽车启动时TPMS进行自检，在进入高速行驶时用事先设定的软件程序定时巡回检测。这种方法需要在TPMS发射模块上安置唤醒(Wake-up)芯片以便应答TPMS接收器发出的呼唤信号。由于唤醒频率为125KHz低频，所以需要在TPMS接收器上增加一级天线驱动，如ATA5275等；另一种方法是在传感器模块中增加加速度传感器，利用其对运动的敏感性，实现汽车启动时自动开机进入系统自检，汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期，利用软件设定安全期、敏感期和危险期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力。
胎压与温度
汽车轮胎的压力与温度是密切相关的，当轮胎气压低于标准值时，变形增大，受力发生变化，若胎压长期低于正常气压的80%，在高速行驶时，轮胎会因急剧升温而脱层，甚至导致爆胎。当轮胎气压高于标准值时，因轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，使轮胎胎面的中部磨损增加。通过室内试验证明：一般认为气压提高25%，轮胎寿命将会降低15~20%；气压降低25%，寿命大约降低30%。一般轿车的轮胎正常气压值在210kpa左右，多座位商务车在240kpa左右为宜。
此外，汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大(一般不能超过80℃，当温度达到95℃时，轮胎的情况非常危险)，每升高1℃，轮胎磨损就增加2%，行驶速度每增加一倍，轮胎行驶里程将降低50%。因此，最好不要超温、超速行使。