汽車輪胎壓力監視技術
是汽車輪胎壓力監視系統(TPMS)主要用于汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測,對輪胎漏氣和低氣壓進行報警。目前,TPMS系統已經快速成為避免意外發生的基本配備,而且也有越來越多的車輛安裝了這個系統。本文概述了TPMS的技術原理,介紹了幾種常見的TPMS 解決方案。
一、TPMS分類
TPMS主要分為兩種類型,一種是間接式TPMS(Wheel-Speed Based TPMS)。另一種是直接式TPMS(Pressure-Sensor Based TPMS)。2001年7月,美國運輸部和國家高速公路安全管理局聯合對現有的兩種TPMS系統進行了評價,評價報告認為直接式TPMS從功能和性能上均優于間接式TPMS,從而使研制直接式TPMS成為流行趨勢。
1、間接式TPMS
間接式TPMS是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較車輪之間的轉速差別,以達到監視胎壓的目的。以上海通用別克轎車安裝的輪胎氣壓監測系統(TIMS)為例。該系統由以下幾個部件組成∶4個車輪轉速傳感器;車身控制模塊(BCM);復位開關;輪胎壓力過低[LOWTIRE]報警燈;數據診斷接頭(DLC);線束和連接器。
當汽車行駛時,輪胎氣壓監視系統接收4個車輪轉速傳感器的車輪轉速信號,進行綜合分析。當某一個輪胎的氣壓太高或不足時,輪胎的直徑就會變大或變小,車輪的轉速也相應產生變化。監視系統將車輪轉速的變化情況同預先儲存的標準值比較,就可得出輪胎氣壓太高或不足,從而點亮LOW TIRE報警燈。該類型系統的主要缺點是無法對兩個以上的輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。
2、直接式TPMS
直接式TPMS技術又分為主動式(Active)和被動式(Passive)兩種。主要區別是主動式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,并通過無線調制發射到安裝在駕駛臺的監視器上。監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,當輪胎氣壓太低或有滲漏時,系統就會自動報警。以加拿大Smartire輪胎智能監測系統為例。系統主要由傳感發射器、接收器和顯示器組成。
主動式技術的優點是,它是一成熟的技術,開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎,但主動式TPMS傳感器/發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;當氣溫嚴重降低時,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定。此外,電池的化學物質也會導致環境問題,同時由于電池的存在很難降低發射器的重量。
(2)被動式TPMS
被動式TPMS,也叫無電池TPMS,用一個中央收發器(central transceiver)代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。這個收發器不但要接收信號而且要發射信號,安裝在輪胎中的轉發器(transponder)接收來自中央收發器的信號,同時使用這個信號的能量來發射一個反饋信號到中央收發器上。這就使得安裝在輪胎內部的氣壓監測器發送數據不需要電池,從而解決了上述因電池所帶來的問題。雖然此技術不用電池供電,但是它需要將轉發器(Transponder)整合至輪胎中,這牽涉到各輪胎制造商需建立共同的標準才有可能。因此,無電池TPMS短期內還難以流行。
二、TPMS系統的組成
TPMS系統主要由(壓力/溫度/加速度)傳感器、發射模塊、接收模塊三部分組成。
其中,TPMS發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(MCU)、RF射頻發射芯片、鋰電池、天線,發射器外殼選用高強度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的關鍵器件,它是一個集成了半導體壓力傳感器、半導體溫度傳感器、數字信號處理單元和電源管理器的片上系統模塊。為了強化胎壓檢測功能,有不少TPMS傳感器模塊內還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內部時鐘、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溫度的變化,而且還能實現汽車移動即時開機、自動喚醒、節省電能等功能。電源管理器確保系統實現低功耗,使一節鋰電池可以使用3-5年。
TPMS的壓力傳感器都基于MEMS技術,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體電阻應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傳感器是旗下專業胎壓傳感器制造商SensoNor的產品,主要型號有SP12、SP12T、SP30。它們采用了基于MEMS技術的矽壓阻式壓力傳感器作為胎壓監測單元,其中SP12和SP12T可以同時傳輸四組不同的數據(溫度、壓力、加速度和供電),并配有一個能完成測量、信號補償與調整及SPI串行通信接口CMOS大規模集成電路。
科技SP12胎壓檢測傳感器
英飛 SP12和SP12T設有補償功能,可以對壓力、加速度、溫度供電電壓信號進行檢測和補償,準確提供不同型號輪胎在不同環境時的補償值,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,利用其質量塊對運動的敏感性,可以實現汽車啟動自動開機才進入系統自檢,而如果檢測到加速度很小時(表示汽車沒有運動)讓系統進入睡眠狀態,大大地降低系統功耗。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字節的用戶可編程空間,4k字節的定制ROM,以及一個2D的LF輸入級。各類傳感器的信號經12位ADC轉換後,提供給用戶和系統進行進一步的處理。在4k字節的定制ROM中,固化了GE特有的壓力、溫度和電壓測量、補償和校準程序,以及其他實用的子程序,用戶可省去繁復的運算編程而只需簡單調用,即可獲得需要的狀態值。在開發階段,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,或者通過仿真器進行實時仿真單步調試。調試環境與一般的單片機非常相似。
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,最新優化後固化在ROM中的系統程序(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、更加靈便的系統子程序。當然,NPXII同樣采用了GE先進的經久驗證的MEMS技術工藝加工而成,比加速度開關具有更高的可靠性和穩定性(GE獨有的多晶矽穩定性專利,可連續承受5000g的加速度沖擊而無損傷),可輸出連續的加速度值,用戶可根據實際需要在程序中靈活設置速度比較閾值。
據介紹,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,該傳感器內部將集成GE美國研發中心開發的集電裝置(GE專利,完全區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模塊的電路設計,軟件設計,提高TPMS系統的測量頻次,并且將RTPM模塊的重量降至最低,最終達到降低系統成本的要求。同時,由于摒棄了電池,必將能滿足世界各國對電子設備越來越嚴厲的環保要求。?
3、飛思卡爾MPXY80X0系列胎壓監測系統開發平臺
飛思卡爾公司的MPXY80X0系列胎壓監測系統開發平臺包括∶MPXY80X0壓力傳感器、MC68HC908RF2 MCU、MC33594接收器、MC68HC908KX8 MCU。其中,MPXY8020能夠兼容使用遠程射頻傳感方法的輪胎壓力監控系統,完美地與現有的遙控車鎖(RKE)系統集成。此外,飛思卡爾提供了適用于TPMS-RKE系統的完整芯片組,而無需其它的TPM專用接收器。該芯片組由下列產品組成∶
·MPXY80X0,稱為Daytona,這是一種表面微機械加工的電容性微機電系統(micro electromechanical system MEMS)壓力傳感器。Daytona包括壓力變換器、正溫度系數擴散電阻溫度傳感器及其他所有必需的電路。使之能輸出經過校準的8位數字壓力和溫度數據。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射UHF頻段數字數據的RF發射器,其發射距離可達數百米(與MC33493相同,又稱Tango 3)。
·MC33594/MC33591射頻接收器,稱為Romeo2,是用以接收 RF2發射信號的接收器。Romeo2可以接收和解調曼徹斯特編碼的數據并通過普通串行外設接口(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。該系統還能夠補償貨物重量的變化,監控輪胎溫度。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出信號。此外,該系統還兼容各種汽車平臺和輪胎技術(如run-flat輪胎)。
4、飛利浦P2SC信號調整芯片系列
飛利浦的P2SC信號調整芯片系列提供精確的直接胎壓測量功能,結合汽車自動化RFID技術,可帶來與輪胎上傳感器的遠端無線通信功能。P2SC芯片相當適合TPMS應用,可以在引擎啟動時就監測每個輪胎,不論汽車是在移動或靜止狀態,都會持續將輪胎信息告知駕駛人,駕駛人通過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嵌的高精確12bit模擬數字轉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,而且擁有數個輸出入引腳、可編程存儲器以及備用模式以便將靜態電流降到最低。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;數字式傳感器信號處理;芯片內嵌溫度傳感器與備用功能等。
此外,提供TPMS系統方案的商家還有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收發器IC、ATA5275 LF天線驅動器IC。
最近,美國固特異輪胎橡膠公司以RFID技術作為研發智能輪胎的基礎,該公司和西門子VDO汽車配件公司合作,成功研發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的氣壓、胎體溫度的變化并發射反映這種變化的信號外,還具有標識輪胎的功能,也就是說,它既可用于輪胎氣壓監測,還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄。
三、TPMS技術趨勢
汽車輪胎壓力監視系統是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統,是汽車安全保障系統之一。目前,直接式TPMS正逐步取代間接式TPMS而成為輪胎氣壓監測系統的主流,從長遠來看,無電池的TPMS以其無可比擬的優點將成為未來TPMS發展的趨勢。隨著TPMS產品市場對IC高整合度和高可靠性的要求,目前已經有了如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,在未來幾年內還會開發出包含RF發射芯片三合一的模塊,包含利用運動的機械能自供電的四合一的模塊,屆時胎壓力監測發射器只有一個模塊和一個天線組成,客戶的二次設計變得十分簡便。
參考資料∶
1、《汽車輪胎壓力監視系統的設計思考》,顏重光,2005年11月《無線電技術》
2、《英飛 輪胎壓力監測系統方案》,汪凱,上海星科半導體有限公司
3、飛思卡爾公司
http://www.freescale.com.cn/Applications/automotive/TPMS.asp
4、《傳感與測量》,GE基礎設施集團
5、飛利浦半導體公司