車輛低成本TPMS系統設計與匹配

史會英，陳建強

（1. 長城汽車銷售有限公司信息技術中心，河北 保定 071000；2. 長城汽車股份有限公司天津分公司，天津 300460）

0 引 言

汽車胎壓監測系統(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓、溫度進行自動檢測，并對輪胎異常情況進行報警的預警系統。目前，隨著人們對車輛行駛安全重視程度的不斷提高，國內部分自主品牌的車型開始將TPMS作為車輛選裝或標準配置。由于直接式TPMS設計方案可以滿足相關法規要求，且該方案集成度更高，體積和功耗更小，使用壽命更長，逐漸成為 TPMS發射模塊設計的主流。文中以Infineon SP37芯片作為胎壓傳感器和射頻發射器，借用車輛原有的車身控制器（BCM）和組合儀表LCD顯示屏，并充分利用車輛的CAN網絡系統，設計了一種低成本胎壓監測系統。同時，從整車設計角度出發，全面闡述了硬件組成、系統匹配、下線匹配流程設計等環節。

1 TPMS的系統組成

TPMS主要由胎壓傳感器、BCM、組合儀表3個零部件組成，系統組成如圖 1所示。為提高傳感器發射信號的強度，將氣門嘴作為胎壓傳感器的天線部分，氣門嘴與胎壓傳感器外殼組裝在一起形成一個完整的傳感器，負責輪胎氣壓、溫度、電池電壓等信號的采集、處理和發射。BCM接收到胎壓傳感器發射的信號后，進行放大、整形、解碼和邏輯判斷，并將胎壓及報警信息通過CAN網絡發至組合儀表，組合儀表通過LCD顯示屏進行胎壓顯示，并通過故障報警燈和蜂鳴器進行異常報警。

胎壓傳感器以Infineon SP37芯片為核心，與SP30芯片相比，最大特點是集成了RF發射器，省略了常用的發射芯片 TDK5110F，使傳感器內部PCB板體積縮小，并減少了外圍元器件，SP37硬件框架如圖2所示，原理如圖3所示。用頻譜分析儀對傳感器發射功率進行測試，單個傳感器的發射功率約為-3.8～-4.2 dBm，安裝在車輪上測量靜止狀態約為-15.92～-17.85 dBm。

SP37芯片具有以下特點：

1）在軟件的控制下完成壓力、向心加速度、溫度和電池電壓的測量，微處理器完成數據的編碼和RF傳輸（硬件曼切斯特解碼/雙向編碼RF發射）；

2）通過智能喚醒機制實現低功耗控制，通過定時器控制信號測量和發送的時間，通過軟件或外部LF觸發實現電路的周期性喚醒，并開始接收外部信號；

3）內部控制器指令兼容8051微處理器標準，集成的各種外圍系統可以滿足用戶的特殊需要。低功耗發射器可以實現315 MHz和434 MHz的全積分鎖相環合成器，包括ASK和FSK調制器和高效放大器?？赏ㄟ^調節芯片上的印刷電容或外部電容獲得精確的中心頻率；

4）EPPROM 可以存貯程序代碼、傳感器 ID及傳感器校準數據；

5）抗靜電能力強。按照人體ESD模型，SP37的抗靜電能力與TDK5110F相比由2500 V提高至5000 V，傳感器總成氣門嘴（天線）處的接觸和空氣放電可達±25 kV，（參照ISO10605-2001，按照人體模型和機械模型分別進行接觸放電和空氣放電，接觸放電和空氣放電等級為±25kV，每個樣品放電次數為正負各 5次，放電部位氣門嘴 1/2處，試驗樣品數量＞30個，所有樣品均進行接觸，正負放電次數各 5次，試驗結束后樣品功能能夠達到狀態A[1]）。如果采用SP30+TDK5110F方案，必須采用內置天線，否則 TDK5110F存在被靜電損壞的問題。

本設計方案遵循歐洲標準，無線信號調制中心頻率為433.92 MHz，調制方式為ASK，數據波特率為4.2 kbps ±42 bps。為降低成本，由BCM的RF接收電路同時完成 TPMS和中央門鎖遙控器（RKE）信號的接收。由于BCM安裝在駕駛室內，考慮到金屬車身的屏蔽效應，高靈敏度是選擇射頻接收芯片時的重要因素。而與 FSK(頻移鍵控)制式的接收芯片相比，ASK制式的接收芯片具有更高的靈敏度，成本也較低，因此選擇 MAXIM公司的超外差芯片 MAX7036來完成胎壓傳感器射頻無線信號的可靠接收，原理如圖 4所示。為提高RF接收電路的靈敏度，在MAX7036前端增加一級放大電路，原理如圖 5所示。在完成天線布置后，實車測試 BCM RF的接收靈敏度可達-105dBm。

控制放大電路和芯片 MAX7036工作電源的信號RF_ON由BCM MCU進行控制，以達到休眠模式時降低整車靜態電流的目的。BCM MCU控制RF_ON為高電平時，前級放大電路和 MAX7036開始工作，前級放大電路將接收到的TPMS信號（RF_IN）輸送給MAX7036, MAX7036將信號混頻、檢波、低通濾波、放大整形后，通過Dataout輸送給BCM MCU進行解碼。當BCM進入休眠狀態時，會周期性地開啟RF_ON信號，一旦檢測到胎壓信號，會將其作為喚醒源，MCU會立即延長RF_ON信號的時間，直至本次解碼完全結束為止，如果解碼成功，BCM喚醒并更新胎壓數據。

2 TPMS工作原理及系統匹配

胎壓傳感器的工作模式分為休眠、停車和運行3種狀體，傳感器出廠時為休眠狀態，此時傳感器外部氣壓不發生較大的變化，傳感器僅周期性進行壓力、向心加速度及LF喚醒的檢測。停車模式與休眠模式的主要區別在于周期性發送RF信號，為了盡量延長電池的使用壽命，一般定義停車模式下RF發送周期為1h。在停車模式下，一旦檢測到輪胎的氣壓變化量超過設定的閾值，傳感器會立即發出一次 RF信號，BCM 接收后立即更新輪胎參數，這樣車主一旦啟動車輛，BCM立即將最新胎壓數據通過CAN線發送給儀表進行顯示。運行模式主要用于車輛行駛時實現胎壓預警功能，此時傳感器的壓力檢測和RF發送的頻率要足夠高，一般定義運行模式下RF發送周期為1～2 min。其模式切換流程如圖6所示。

由于傳感器有3種工作模式，BCM內部集成的TPMS軟件模塊需要有停車和運行兩種工作模式與之對應，為了保證兩者模式切換的準確性，BCM停車和運行模式的切換與傳感器有一定的區別。該方案采用的輪胎型號為235/65R17，查詢GB/T 2978—200865系列轎車子午線輪胎參數，輪胎的靜負荷半徑和滾動半徑約為335 mm和358 mm，計算車速時采用兩者較小的數值。傳感器向心加速度為 8 g時開始進行停車、運行狀態的切換，考慮傳感器測量精度具有±20%的偏差，則對應的車速為：

因為傳感器的離心加速度檢測周期T2為20 s，檢測窗口開啟的時間為5 ms，所以BCM檢測到車速信號≥25 km/h且持續時間＞20s時，BCM才會進入到運行模式。相反，當車速＜25 km/h時，BCM立即退出運行模式，但傳感器需要延遲一段時間才能從運行模式切換至停車模式，這樣可以確保BCM工作在停車、運行兩種不同的模式下，根據不同的條件判斷傳感器是否存在異常，BCM故障診斷流程如圖7、圖8所示。

胎壓傳感器和 BCM 之間的通訊協議是通過無線數據幀來實現的，傳感器向BCM發送的數據幀采用固定的數據幀長度進行，具體的數據幀格式如表1所示[2]。BCM接收到傳感器的信息后，先進行解碼，識別傳感器的ID，如確定為已匹配的傳感器ID，則立即將解析出的胎壓、輪胎狀態等信息填入應用幀，通過CAN通訊發至組合儀表，如表2所示。如BCM此時為休眠狀態，則將接收到的傳感器信息存儲在EPPROM中，一旦點火開關打開，立即發送給儀表進行顯示。

表1 胎壓信號數據幀格式

表2 BCM發送給儀表的數據幀格式

一般情況下，傳感器發出1次信號稱為1包數據，1包含3幀相同的數據，不同模式切換每次發出3包數據，高壓報警、快速漏氣時每次發送5包數據，以確保報警的可靠性。實際試車場進行高速路試時，胎壓傳感器處于運行狀態，發出的數據為1包/2 min。車速在35～170 km/h時，測試BCM四輪胎壓信號的接收率均在99%以上，完全滿足使用要求。

3 胎壓傳感器匹配流程的設計

由于車輛在并線生產或不合格車輛返工時，傳感器出現交叉學習的現象，為解決以上問題，低頻觸發指令MLF1、MLF2用于區分并線生產時不同生產線上的下線設備，設備在激活傳感器時發出的觸發指令不同，只接收觸發類型相同的傳感器發出的信號，并解析傳感器的ID，按照車輪的裝配位置寫入到BCM 的EPPROM中。這種方法同樣用在下線返修及售后診斷設備上，當下線匹配設備通過OBD診斷插座與車輛連接后，掃描車輛底盤號條形碼后，系統自動進入到EOL匹配模式，EOL流程如圖9所示。

為降低成本，該系統沒有安裝低頻觸發器裝置，所以當車輛更換傳感器或輪胎換位時，需要對傳感器重新進行匹配（4S店學習模式），否則BCM無法識別傳感器的信號，或不能識別傳感器的安裝位置。在進行4S店學習模式時，首先用診斷儀向BCM發出學習某個車輪傳感器的指令，隨后用低頻觸發器對傳感器進行低頻（125 kHz）觸發，傳感器根據觸發信號的指令，發出固定幀數的信號。BCM將接收到的觸發模式為MLF3的胎壓信號進行解碼，并將其ID寫入到EPPROM中，完成操作后自動退出4S店學習模式，具體匹配流程與EOL過程基本相同。

4 結束語

文中設計并實現了以Infineon SP37芯片為核心的直接式胎壓監測系統，全面闡述了胎壓系統的硬件組成、電路設計、系統匹配及下線匹配流程的設計，依靠車輛原有的電氣系統，用較低的成本實現了胎壓監測系統。

[1] GB/T 26149—2010，基于胎壓監測模塊的汽車輪胎氣壓監測系統.

[2]冷毅，趙根寶，李青俠，等. 基于無線傳感器和 CAN總線的自動識別的轎車胎壓監測系統[J]. 儀表技術與傳感器，2007，(6)：65-66。