汽車輪胎壓力監(jiān)視技術(shù)

2、直接式TPMS
直接式TPMS技術(shù)又分為主動式(Active)和被動式(Passive)兩種。主要區(qū)別是主動式TPMS中的輪胎模塊需要電池提供能量，而被動式無須電池。

（1）主動式TPMS
主動式TPMS是利用安裝在每一個輪胎里的以鋰離子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，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)就會自動報警。以加拿大Smartire輪胎智能監(jiān)測系統(tǒng)為例。系統(tǒng)主要由傳感發(fā)射器、接收器和顯示器組成。
主動式技術(shù)的優(yōu)點是，它是一成熟的技術(shù)，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但主動式TPMS傳感器/發(fā)射器需要電池提供動力，因此不可避免的帶來一些弊端，如電池的壽命有限；當(dāng)氣溫嚴(yán)重降低時，電池的容量就會受到影響而減少；這使得它的可靠性不夠穩(wěn)定。此外，電池的化學(xué)物質(zhì)也會導(dǎo)致環(huán)境問題，同時由于電池的存在很難降低發(fā)射器的重量。

（2）被動式TPMS
被動式TPMS，也叫無電池TPMS，用一個中央收發(fā)器（central transceiver）代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。這個收發(fā)器不但要接收信號而且要發(fā)射信號，安裝在輪胎中的轉(zhuǎn)發(fā)器（transponder）接收來自中央收發(fā)器的信號，同時使用這個信號的能量來發(fā)射一個反饋信號到中央收發(fā)器上。這就使得安裝在輪胎內(nèi)部的氣壓監(jiān)測器發(fā)送數(shù)據(jù)不需要電池，從而解決了上述因電池所帶來的問題。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器(Transponder)整合至輪胎中，這牽涉到各輪胎制造商需建立共同的標(biāo)準(zhǔn)才有可能。因此，無電池TPMS短期內(nèi)還難以流行。

二、TPMS系統(tǒng)的組成

TPMS系統(tǒng)主要由（壓力/溫度/加速度）傳感器、發(fā)射模塊、接收模塊三部分組成。

其中，TPMS發(fā)射模塊由五個部分組成∶具有壓力/溫度/加速度/電壓檢測和信號處理ASIC 芯片組合的智能傳感器模塊、單片機(jī)（MCU）、RF射頻發(fā)射芯片、鋰電池、天線，發(fā)射器外殼選用高強(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。

TPMS接收模塊由六個部分組成∶天線、RF接收器、MCU、鍵盤、LCD/LED、DC電源。

傳感器模塊是TPMS的關(guān)鍵器件，它是一個集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理器的片上系統(tǒng)模塊。為了強(qiáng)化胎壓檢測功能，有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內(nèi)部時鐘、看門狗，以及帶12bit ADC、4k Byte Flash、2k ROM、128 Byte RAM、128 Byte EEPROM及其它功能的ASIC數(shù)字信號處理單元或MCU。這些功能芯片使得TPMS傳感器不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且還能實現(xiàn)汽車移動即時開機(jī)、自動喚醒、節(jié)省電能等功能。電源管理器確保系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗，使一節(jié)鋰電池可以使用3-5年。

TPMS的壓力傳感器都基于MEMS技術(shù)，主要有矽集成電容式壓力傳感器（如飛思卡爾的MPXY8020、MPXY8040）和矽壓阻式壓力傳感器（如通用NovaSensor的NPX1、NPX2，英飛　SensoNor的SP12、SP12T、SP30）。矽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，其測量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。

1、英飛　科技SPXX傳感器
英飛　科技（Infineon）的SPXX傳感器是旗下專業(yè)胎壓傳感器制造商SensoNor的產(chǎn)品，主要型號有SP12、SP12T、SP30。它們采用了基于MEMS技術(shù)的矽壓阻式壓力傳感器作為胎壓監(jiān)測單元，其中SP12和SP12T可以同時傳輸四組不同的數(shù)據(jù)（溫度、壓力、加速度和供電），并配有一個能完成測量、信號補(bǔ)償與調(diào)整及SPI串行通信接口CMOS大規(guī)模集成電路。

科技SP12胎壓檢測傳感器

英飛　SP12和SP12T設(shè)有補(bǔ)償功能，可以對壓力、加速度、溫度供電電壓信號進(jìn)行檢測和補(bǔ)償，準(zhǔn)確提供不同型號輪胎在不同環(huán)境時的補(bǔ)償值，有效地保證了測量可靠性。SP12傳感器采用了LF喚醒瞬態(tài)工作模式，并在傳感器模塊中增加了加速度傳感器，利用其質(zhì)量塊對運動的敏感性，可以實現(xiàn)汽車啟動自動開機(jī)才進(jìn)入系統(tǒng)自檢，而如果檢測到加速度很小時(表示汽車沒有運動)讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，大大地降低系統(tǒng)功耗。另外，LF方式還具有自動輪胎定位功能。

2、GE公司NPX系列TPMS智能傳感器
從1995年開始，GE NovaSensor就開始為TPMS提供壓力傳感器(NPP301)。至今以及有超過1500萬片的壓力傳感器在汽車輪胎中使用，其失效率僅為1ppm。

NPXI集成了矽壓力傳感器、溫度、電壓以及一個8位RISC微處理器4k字節(jié)的用戶可編程空間，4k字節(jié)的定制ROM，以及一個2D的LF輸入級。各類傳感器的信號經(jīng)12位ADC轉(zhuǎn)換後，提供給用戶和系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在4k字節(jié)的定制ROM中，固化了GE特有的壓力、溫度和電壓測量、補(bǔ)償和校準(zhǔn)程序，以及其他實用的子程序，用戶可省去繁復(fù)的運算編程而只需簡單調(diào)用，即可獲得需要的狀態(tài)值。在開發(fā)階段，GE可以提供可編程版本的傳感器，用戶可以通過仿真器/編程器將程序下載到器件的4k用戶可編程空間中。下載程序之後的傳感器可以直接運行使用，或者通過仿真器進(jìn)行實時仿真單步調(diào)試。調(diào)試環(huán)境與一般的單片機(jī)非常相似。

在2005年4月，GE在中國和全球同步推出最新一代TPMS智能傳感器NPXII。NPXII傳感器集成了一個矽壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器，以及一個2D的LF輸入級，最新優(yōu)化後固化在ROM中的系統(tǒng)程序(ROM3版本)，運行速度更快，能耗更低；同時提供給用戶功能更完善、更加靈便的系統(tǒng)子程序。當(dāng)然，NPXII同樣采用了GE先進(jìn)的經(jīng)久驗證的MEMS技術(shù)工藝加工而成，比加速度開關(guān)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性(GE獨有的多晶矽穩(wěn)定性專利，可連續(xù)承受5000g的加速度沖擊而無損傷)，可輸出連續(xù)的加速度值，用戶可根據(jù)實際需要在程序中靈活設(shè)置速度比較閾值。

據(jù)介紹，GE還將在今年推出NPXIII。NPXIII具有NPXII的所有功能，同時將RF發(fā)射控制電路集成到同一個芯片中去。隨後，GE將推出無需電池自供電方式的TPMS傳感器NPXIV，該傳感器內(nèi)部將集成GE美國研發(fā)中心開發(fā)的集電裝置(GE專利，完全區(qū)別于目前的無電概念)，可為RTPM模塊中傳感器自身和周邊器件提供源源不斷的電能。這將簡化RTPM模塊的電路設(shè)計，軟件設(shè)計，提高TPMS系統(tǒng)的測量頻次，并且將RTPM模塊的重量降至最低，最終達(dá)到降低系統(tǒng)成本的要求。同時，由于摒棄了電池，必將能滿足世界各國對電子設(shè)備越來越嚴(yán)厲的環(huán)保要求。?

3、飛思卡爾MPXY80X0系列胎壓監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺

飛思卡爾公司的MPXY80X0系列胎壓監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺包括∶MPXY80X0壓力傳感器、MC68HC908RF2 MCU、MC33594接收器、MC68HC908KX8 MCU。其中，MPXY8020能夠兼容使用遠(yuǎn)程射頻傳感方法的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)，完美地與現(xiàn)有的遙控車鎖（RKE）系統(tǒng)集成。此外，飛思卡爾提供了適用于TPMS-RKE系統(tǒng)的完整芯片組，而無需其它的TPM專用接收器。該芯片組由下列產(chǎn)品組成∶

·MPXY80X0，稱為Daytona，這是一種表面微機(jī)械加工的電容性微機(jī)電系統(tǒng)（micro electromechanical system MEMS）壓力傳感器。Daytona包括壓力變換器、正溫度系數(shù)擴(kuò)散電阻溫度傳感器及其他所有必需的電路。使之能輸出經(jīng)過校準(zhǔn)的8位數(shù)字壓力和溫度數(shù)據(jù)。所有這些都在一個芯片上。

·MC68HC908RF2，也稱RF2，它包括兩個部分，第一個是2KB的閃速HC08微控制單元（與MC68HC908RK2相同），第二部分是一個可以發(fā)射UHF頻段數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的RF發(fā)射器，其發(fā)射距離可達(dá)數(shù)百米（與MC33493相同，又稱Tango 3）。

·MC33594/MC33591射頻接收器，稱為Romeo2，是用以接收 RF2發(fā)射信號的接收器。Romeo2可以接收和解調(diào)曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)并通過普通串行外設(shè)接口（SPI）輸出。

·MC68HC908KX8/MC9S12DP256，簡稱KX8，作為接受器微控制器，也可以使用MC9S12DP256替代KX8。
借助該芯片組的功能，系統(tǒng)能夠識別輪胎（包括備用胎），檢測壓力過大或壓力不足的情況。該系統(tǒng)還能夠補(bǔ)償貨物重量的變化，監(jiān)控輪胎溫度。模塊級的能量管理可以延長電池的使用壽命，并在電池電量過低時發(fā)出信號。此外，該系統(tǒng)還兼容各種汽車平臺和輪胎技術(shù)（如run-flat輪胎）。

4、飛利浦P2SC信號調(diào)整芯片系列
飛利浦的P2SC信號調(diào)整芯片系列提供精確的直接胎壓測量功能，結(jié)合汽車自動化RFID技術(shù)，可帶來與輪胎上傳感器的遠(yuǎn)端無線通信功能。P2SC芯片相當(dāng)適合TPMS應(yīng)用，可以在引擎啟動時就監(jiān)測每個輪胎，不論汽車是在移動或靜止?fàn)顟B(tài)，都會持續(xù)將輪胎信息告知駕駛?cè)�，駕駛?cè)送ㄟ^汽車儀表板上簡單的指示器，可以事先知道可能的危險情況。

P2SC系列的第一個成員為單芯片PCH7970，它是一個能夠使用內(nèi)嵌的高精確12bit模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器讀取兩個多功傳感器的低功耗RISC器件，可以使用獨立的單體電池運作，而且擁有數(shù)個輸出入引腳、可編程存儲器以及備用模式以便將靜態(tài)電流降到最低。主要功能包括∶擁有兩個具備可選擇增幅大小的高精確傳感器輸入；通過連接端口或3D-LF接口提供喚醒功能的智能型電源管理；128bytes EEPROM、28bytes RAM、4Kbytes EROM、4Kbytes ROM；32bit獨一無二的識別碼；數(shù)字式傳感器信號處理；芯片內(nèi)嵌溫度傳感器與備用功能等。
此外，提供TPMS系統(tǒng)方案的商家還有Atmel等公司。Atmel公司的TPMS方案包括∶ATAR862傳感器模塊、ATA5756/ATA5757發(fā)射器IC、T5743接收器IC、ATA5283 LF接收器IC、用于TPMS/PKE接收站的ATA5811/12收發(fā)器IC、ATA5275 LF天線驅(qū)動器IC。

最近，美國固特異輪胎橡膠公司以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，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，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測，還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄。

三、TPMS技術(shù)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)，是汽車安全保障系統(tǒng)之一。目前，直接式TPMS正逐步取代間接式TPMS而成為輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的主流，從長遠(yuǎn)來看，無電池的TPMS以其無可比擬的優(yōu)點將成為未來TPMS發(fā)展的趨勢。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InfineonSP12/SP30、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，包含利用運動的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時胎壓力監(jiān)測發(fā)射器只有一個模塊和一個天線組成，客戶的二次設(shè)計變得十分簡便。