輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）教程

一、TPMS發(fā)展歷史

??? 輪胎是保障汽車性能的最重要因素之一，許多駕駛朋友往往還是忽略了輪胎中的問題，適當(dāng)充氣的輪胎不僅可增強(qiáng)安全性和性能，還能節(jié)省燃料并延長輪胎壽命。根據(jù)固特異（Goodyear）公司的數(shù)據(jù)，未充飽狀態(tài)下每下降3個(gè)PSI將使燃料增加1％。但統(tǒng)計(jì)顯示，有超過20％的輪胎仍處于未充飽狀態(tài)。這不僅僅地降低了輪胎壽命，還增加了燃料消耗。更重要的是，這代表著許多的駕駛朋友正處于不安全的駕駛環(huán)境底下，安全堪憂。2002年由于凡世通（Firestone）出現(xiàn)品質(zhì)問題，導(dǎo)致超過100人死亡和400人受傷的慘劇。此事引起各界注意，凡世通（Firestone）并于同年八月回收近650萬只輪胎。保持胎壓于安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)及實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)胎壓不足是防止爆胎的關(guān)鍵，所以TPMS毫無疑問是最理想的行車安全方案與工具。

??? 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，爆胎引發(fā)的交通事故占總數(shù)70％左右。在時(shí)速160㎞以上時(shí)發(fā)生爆胎，死亡率幾乎是100％。目前許多國家的保險(xiǎn)公司對爆胎事故的態(tài)度是不做理賠。根據(jù)中國公安交管部門交通事故數(shù)據(jù)顯示，2005年1至11月交通事故389670起中，80989人死亡，因爆胎引發(fā)的事故就占了將近20％。而在高速公路46％的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的，爆胎就占了70％。目前估計(jì)將近91％的汽車胎壓不符合標(biāo)準(zhǔn)。在不符標(biāo)準(zhǔn)的情況下緊急煞車，車輛方向會(huì)偏，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)爆胎。

??? 美國已制訂法規(guī)要求自2003年下半年起，所有新組裝的汽車都必須裝備TPMS。這主要是因?yàn)?000年夏天發(fā)生的一系列交通事故的起因都是由于未充飽的輪胎在行駛中從車體分離而導(dǎo)致相撞。新頒布的法令要求使用更先進(jìn)的直接TPMS，即對每個(gè)輪胎中都進(jìn)行壓力監(jiān)控。直接TPMS不僅有助于預(yù)防交通事故，而且每年節(jié)約的燃料消耗和汽車維護(hù)費(fèi)用可達(dá)17億美元，因?yàn)槲闯滹栞喬⒖s短輪胎的壽命并增加燃料消耗。

??? 由于出現(xiàn)多起輪胎故障引起的交通事故，美國國會(huì)于2000年11月通過了TREAD法案（Transportation Recall Enhancement Account ability Documentation）。按照該法案和美國國家公路交通安全協(xié)會(huì)（NHTSA）的規(guī)定，新出廠輕型汽車TPMS裝配率（整車毛重不超過4，536㎏，即10，000磅）階段計(jì)畫如下：

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??? 目前已有許多歐洲的車廠將TPMS配裝于自己的車型，包括：寶馬Z8、雪鐵龍C5、林肯大陸、克萊斯勒迷你箱型車、Concorde Limited客車、龐帝克Bonneville SE等。應(yīng)用的趨勢及龐大的商機(jī)由此可見一般。

??? 二、TPMS類型與結(jié)構(gòu)

??? TPMS主要分為兩種類型，一種是采用車輪速度的WSBSTPMS（間接式TPMS），另一種式采用壓力感應(yīng)器的PSBTPMS（直接式TPMS）。其中，PSBTPMS在功能和性能上均占優(yōu)勢，主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的壓力、溫度感應(yīng)器和訊號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，以及安裝在汽車駕駛臺(tái)上包括數(shù)字訊號(hào)處理單元的RF接收器、液晶顯示器組成。而WSBSTPMS則是透過ABS輪速傳感器來比較輪胎間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)監(jiān)視胎壓的目的，主要缺點(diǎn)是無法對兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣和速度超過100km/hr的情況進(jìn)行判斷。

??? 蓋括而言，直接式TPMS在功能及性能上均優(yōu)于間接式TPMS。所以接下來介紹的重點(diǎn)將著重于直接式TPMS。其結(jié)構(gòu)可分為兩大部分，Knowhow各有不同：

1．發(fā)射模塊：（1）感測單元（2）訊號(hào)處理（3）RF模塊

??? 2．接收模塊：（1）接收單元（2）訊號(hào)處理（3）顯示

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??? 由于發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、溫差變化大和不便隨時(shí)檢修的環(huán)境下，所挑選的組件必須具備高標(biāo)準(zhǔn)的可靠度和穩(wěn)定性，能工作在車規(guī)-40℃到+125℃溫度范圍內(nèi)。且為了縮小發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強(qiáng)功能，建議盡可能選用整合型SoC。此外，TPMS是一個(gè)按產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)及檢驗(yàn)，按消費(fèi)性產(chǎn)品價(jià)格銷售的物品，因此成本也是另一重要考量。接下來，針對TPMS的結(jié)構(gòu)會(huì)做更詳盡的介紹。

??? 三、發(fā)射模塊－感測單元

??? 現(xiàn)行的方案多為芯片整合模塊，同步整合壓力和溫度感應(yīng)，以及電源管理。且為強(qiáng)化功能，也可增加慣性感應(yīng)器（Inertialsensor）、電壓檢測、內(nèi)部clock等，可實(shí)現(xiàn)汽車激活實(shí)時(shí)開機(jī)、自動(dòng)喚醒、確保低功耗。此外為了便于識(shí)別個(gè)別TPMS發(fā)射器，每個(gè)感測單元都會(huì)有一組6至8bit獨(dú)特的ID碼。此颣感測芯片整合模塊大都基于MEMS技術(shù)來設(shè)計(jì)發(fā)展，目前車廠主要考慮以下列三個(gè)品牌為主：

電容式：FreescaleMPXY8020、MPXY8040

壓阻式：GENovaSensor NPX1/NPXC01746，Infineon SensoNorSP12/30

??? 壓阻式傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻組成惠斯頓電橋作為變換測量電路，其測量精密度0.01-0.03％FS。

??? TPMS發(fā)射模塊是安裝于輪胎之內(nèi)，基于不可能經(jīng)常更換輪胎的考量下，必須保證在一節(jié)鋰電池下工作至少3-5年，故低功耗及省電是非常重要的考量，讓系統(tǒng)于大多數(shù)時(shí)間進(jìn)入休眠模式，才能達(dá)到省電與延長電池壽命的目的。汽車激活和進(jìn)入高速行駛時(shí)，喚醒TPMS系統(tǒng)的方法一般有二種：

1．利用軟件設(shè)定定時(shí)檢測。在發(fā)射模塊上要安置Wake-up芯片，由接收器發(fā)出Wake-up訊號(hào)。

2．在傳感器模塊中增加慣性傳感器（Inertialsensor），利用對物體移動(dòng)的感應(yīng)性，自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)自檢，

??? 行駛時(shí)可依照行駛速度自動(dòng)調(diào)整檢測周期。

??? 胎壓與溫度也是密切相關(guān)，這也是為什么一般感測單元會(huì)把溫度感測也包含進(jìn)來。就數(shù)據(jù)分析結(jié)果，每升高1℃，輪胎磨損就增加2％，一般溫度不能超過80℃，當(dāng)溫度達(dá)95℃，輪胎情況就非常危險(xiǎn)。

??? 四、發(fā)射模塊－訊號(hào)處理與RF模塊

??? 壓力及溫度的訊號(hào)經(jīng)TPMS感測單元內(nèi)的ASIC電路處理，透過SPI傳輸給訊號(hào)處理單元（MCU），綜合成數(shù)據(jù)串行再送入RF模塊，按設(shè)定的UHF調(diào)變發(fā)射給安裝在駕駛座里的接收模塊。訊號(hào)處理單元（MCU）將已編碼的數(shù)據(jù)串行經(jīng)功率放大器調(diào)變在UHF指定的頻率，由天線端發(fā)射出去。以TPMS安裝在輪胎里的工作狀況，天線采用印制在PCB板上的環(huán)狀天線，發(fā)射功率要求功率放大器在9.5mA時(shí)能輸出8-10dBm。

??? 為縮小發(fā)射模塊的體積，也有組件供貨商推出整合訊號(hào)處理與發(fā)射的SoC，如FreescaleMC68HC908RF2和ATMELATAR862。至于RF的發(fā)射頻率，一般常見的標(biāo)準(zhǔn)如下：

??? 五、發(fā)射模塊－訊號(hào)處理與RF模塊

??? 壓力及溫度的訊號(hào)經(jīng)TPMS感測單元內(nèi)的ASIC電路處理，透過SPI傳輸給訊號(hào)處理單元（MCU），綜合成數(shù)據(jù)串行再送入RF模塊，按設(shè)定的UHF調(diào)變發(fā)射給安裝在駕駛座里的接收模塊。訊號(hào)處理單元（MCU）將已編碼的數(shù)據(jù)串行經(jīng)功率放大器調(diào)變在UHF指定的頻率，由天線端發(fā)射出去。以TPMS安裝在輪胎里的工作狀況，天線采用印制在PCB板上的環(huán)狀天線，發(fā)射功率要求功率放大器在9.5mA時(shí)能輸出8-10dBm。

??? 為縮小發(fā)射模塊的體積，也有組件供貨商推出整合訊號(hào)處理與發(fā)射的SoC，如Freescale MC68HC908RF2和ATMELATAR862。至于RF的發(fā)射頻率，一般常見的標(biāo)準(zhǔn)如下：

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??? 六、接收模塊－接收單元與訊號(hào)處理

??? 一般的做法是將RF接收單元和訊號(hào)處理MCU安裝在汽車儀表內(nèi)，有些廠商也將帶有鍵盤的LCD顯示器安裝在駕駛臺(tái)上，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，以及警報(bào)。接收模塊不像發(fā)射模塊安裝于較為嚴(yán)苛的工作環(huán)境，故其設(shè)計(jì)較為容易。較須注意MCU至少需要有8KFlash和32I/Oport，才能適應(yīng)系統(tǒng)的需要。實(shí)際需求還是得依照當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)而定。

??? 七、TPMS發(fā)展藍(lán)圖

??? 發(fā)展TPMS主要考量有：低功耗、配重（牽涉使用組件數(shù)量的多寡及體積）、成本。功耗跟電池使用壽命有絕對關(guān)系；而配重則牽涉到TPMS發(fā)射模塊的安裝。故TPMS設(shè)計(jì)方案的發(fā)展也依此考量為藍(lán)圖（請參考下圖）。為降低功耗，設(shè)計(jì)趨勢第一步走向內(nèi)建慣性傳感器，偵測到車輛移動(dòng)才喚醒發(fā)射模塊藉以節(jié)省電能，最終目標(biāo)走向無電源模塊，即內(nèi)建MEMS電源以提供電能。至于配重及成本，整合型芯片為設(shè)計(jì)趨勢。整合胎壓傳感器與MCU，再將RF發(fā)射也包含進(jìn)來，至最后將MEMS也設(shè)計(jì)在一起，不但可減小模塊體積，也節(jié)省成本提高市場競爭性。

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??? 八、市場上既有TPMS方案介紹

??? 提供TPMS配套的方案很多，芯片廠商包括Freescale飛思卡爾、英飛凌（SensoNor）、GE（NovaSensor）、Atmel、Maxim、東芝、飛利埔、Omron、Melxis、RFMonilithic等公司。飛思卡爾和英飛凌目前具有從胎壓傳感器、RF發(fā)射及接收器、到MCU的完整產(chǎn)品線，其它半導(dǎo)體公司主要提供從胎壓傳感器、RF、到MCU的若干配套方案。市場上TPMS方案能見度較高的主要由三家芯片供貨商主導(dǎo)：Freescale，Infineon，GE。下面針對其方案做詳細(xì)介紹：

九、主要廠商

Freescale飛思卡爾

??? 發(fā)射模塊由胎壓傳感器MPXY80xx及內(nèi)含射頻發(fā)射的微控制器MC68HC908RF2組成，MPXY80xx工作在2.1-3.6V，具有低功耗的效能以延長電池壽命。并整合MCUwake-uptimer與自身的低頻震蕩器。此外，其輸出為8bit數(shù)字輸出，并已經(jīng)與MC68HC908RF2完成接口最佳化。接收模塊主要由射頻接收芯片MC33594及微控制器MC68HC908GT8及相關(guān)的外圍線路組成。接收靈敏度為90dBm，因?yàn)橛嵦?hào)發(fā)射時(shí)間很短，加上每個(gè)發(fā)射單元都有其獨(dú)特ID，就由此可減少汽車EMI的干擾影響。

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??? Infineon英飛凌（SensoNor）

??? TPMS系統(tǒng)工作在315MHZ頻率FSK模式下。亦可與其現(xiàn)行遙控車門開關(guān)（RemoteKeylessEntry，RKE）方案整合，由于RKE已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代汽車市場，因此TPMSRF可與RKE系統(tǒng)共享資源將可節(jié)省系統(tǒng)成本。

??? Infineon英飛凌推出三系列胎壓傳感器：SP12，SP12T，SP30。傳感器上整合了壓力，溫度，慣性傳感器，以及一個(gè)電源控制監(jiān)測器。SP12的壓力范圍從100到450Kpa；SP12T從50到1400Kpa適用于大型車輛。

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??? SP30整合了RISCMCU，可減少發(fā)射模塊所使用的組件，且耗電流僅0.4uA。進(jìn)一步達(dá)到成本節(jié)省，提高穩(wěn)定度，降低功耗；目前出貨量已超過1，000萬，可靠性被廣泛驗(yàn)證。Infineon英飛凌還將推出SP34、SP35、SP36和SP4x等產(chǎn)型號(hào)，其中SP35預(yù)計(jì)將在2006年年中量產(chǎn)。此外，英飛凌TPMS感應(yīng)器最大的一個(gè)優(yōu)勢是有SPI接口，設(shè)計(jì)上將更有彈性。而且內(nèi)建慣性感應(yīng)器，可偵測車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，多數(shù)時(shí)間車子處于靜止?fàn)顟B(tài)，藉由慣性感應(yīng)器的輔助，可大幅度節(jié)省電量。

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??? GE通用（NovaSensor）

??? 1995年開始，GE通用NovaSensor就提供壓力傳感器給TPMS系統(tǒng)。迄今出貨量超過1000萬片，統(tǒng)計(jì)其不良率僅為百萬分之一（1ppm）。其出貨的客戶如Schrader，Smartire，TRW，Lear等均為一線大廠。

??? 從2004年初開始，GE通用二代胎壓傳感器NPX開始供貨。整合了壓力、溫度傳感器，及一8位RISCMCU。同年亦推出NPXII，與NPXI相比，NPXII除了具有NPXI的所有功能外，另整合了慣性感應(yīng)器，可承受5000g的加速度。2006年，GE通用將推出NPXIII。NPXIII具有NPXII的所有功能，也把RF發(fā)射電路整合一起成為單芯片方案。將為現(xiàn)行TPMS方案帶來突破。

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??? GE通用并有計(jì)畫地發(fā)展不需要電池的TPMS感應(yīng)器NPXIV。NPXIV內(nèi)部整合一個(gè)由GE通用自行研發(fā)的集電裝置，可簡化發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)，也可提高系統(tǒng)的量測頻率，達(dá)到降低系統(tǒng)成本的要求。

十、TPMS商機(jī)龐大

?? ?在汽車電子市場，TPMS未來5年內(nèi)年增長率超過25％的市場。且在TREAD法案和NHTSA的規(guī)定驅(qū)動(dòng)下，2005年全球6，730萬部出廠輕型汽車中將有580萬部裝配TPMS，裝配率達(dá)9％；而Strategy Analytics更預(yù)測到2010年，7，940萬部新出廠汽車中，裝配率將升到近34％。下圖為各類型TPMS2003～05年的表現(xiàn)，以及到2007年的需求預(yù)測。如此龐大的商機(jī)，勢必會(huì)吸引許多芯片廠商投入戰(zhàn)場。

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