一種汽車輪胎氣壓監控系統的設計

吳敏

摘要：汽車輪胎壓力檢測系統（TPMS），Tire Pressure Monitor System。它的作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進行實時自動監測，并對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以確保行車安全。

關鍵詞：汽車;輪胎;氣壓監控系統

一、TPINiIS的設計要求和設計思路

（一）TPMS的設計要求

TPMS的設計要求有：低功耗，在惡劣環境下高度運行的可靠性，較小的壓力傳感器誤差容限及更長的工作壽命，等等。為實現10年使用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件。因此電源管理成為首要的挑戰。

（二）TPMS的設計思路

（1）考慮軟件。在設計一個運行穩定、功效高的胎壓監控系統時，第一個需要考慮的因素就是軟件。因為車輪模塊通常是用微控制器來執行命令的，所以應采用一種智能化算法實現預期的功效。例如，每次都要將一個完整的8 bit參數傳輸到接收器嗎？或者，傳輸一個1 bit參數作為低壓報警信號是否更加有效？多長時間測量一次胎壓？系統總是測量所有參數，還是對一個參數的測量次數比其他參數多？應由車輪模塊執行參數計算還是接收器來執行？軟件工程師在設計TPIS時必須考慮這些問題。（2）考慮接口類型。使用低頻接口是控制TPIS非常有效的方法。在使用低頻接口時，感應模塊可以始終處于電源關閉模式，這樣功耗最低。只有在收到喚醒信號后，傳感器才會進行測量和數據傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備設計靈活和其他一些優勢。例如，低頻通信可使系統通過低頻接口向微控制器發送特定命令，以對輪胎進行重新校準和定位。（3）考慮降低功耗的方法。降低功耗的方法是使用滾動開關來檢測輪胎是靜止的還是運行的。因此，運算可通過以下方式進行：只有當車輛運行時，才進行相應的檢測和/或傳輸。一些TPMS傳感器集成了加速度計，該加速度計能檢測車輪的旋轉。因此，應用軟件可以用這種方法編寫——當加速度計的讀數低于某一水平時，表明車輛是靜止的或者非常緩慢地行駛著，此時，TPMS可停止運行或以很低的頻率運行。一般的車輛在公路上行駛的平均時間大約為汽車壽命的15%。考慮到這一點，這種設計方案可以大幅度降低TPMS的功耗。還可以通過選擇低功耗元件并通過使用具有集成功能的元件來盡可能減少元件的數量，以此來獲得更高的功率效率并降低系統總成本。（4）考慮傳感器的介質兼容性。在TPIS設計中，傳感器的介質兼容性也是一個非常重要的方面。傳感器的精確性和可靠性在很大程度上受外部介質的影響，如潮濕、灰塵和其他物質（如制動液）等。（5）考慮無線控制形式。設計中另外一項重要的挑戰是無線控制形式的確定。第一代TPMS發送器采用SAW（surface acoustic wave，聲表面波）共振器的ASK（amplitude ?shiftkeying，幅移鍵控）調制技術來產生適當的發射頻率。該ASK系統雖然非常廉價，但容易受到車輪（發送器安裝在其上）旋轉所導致的接收場強變化的影響。由于這一原因，現在的TPIS都采用基于晶體振蕩器的FSK（frequency shift keying，頻移鍵控）調制方法和PLL（phase locked loop，鎖相環）合成器來產生中心頻率與頻率牽引（負載的變化會引起壓控振蕩器的頻率發生變化，即頻率牽引，頻率牽引表示了負載的變化對振蕩頻率的影響）。在許多OEM（original equipment manufacturer，原始設備制造商）應用中，即使是在車輪高速旋轉時，FSK也具備可靠的射頻通信功能。

二、TPMS的硬件及電路設計

（一）系統整體設計

TPIS模塊嵌入輪胎內部，采用無線雙向通信方式對汽車輪胎的壓力和溫度進行實時監測，并通過無線調制方式將監測數據發送到主機顯示模塊。

（二）測壓、測溫傳感器選取

TPMS模塊通常在一節鋰電池下工作，工作時間為5～10年，因此節能是一個十分重要的課題，系統要求所選用的傳感器芯片必須是低功耗的。傳感器對整個TPMS性能的影響極大，故要選擇一些功耗低的元件。如GE公司的NPXⅡ（NPX- C01780）傳感器，集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器以及一個低頻喚醒輸入級，滿足TPI＼/IS各方面的性能要求。

（三）無線控制發射器設計

設計無線控制發射器時需要考慮以下因素：

（1）天線選擇和匹配網絡。通過模擬和測試證明，與常規的接地天線相比，環路天線更加有效并且帶寬更寬。環路天線通常被印刷在電路板上，并且要適當匹配才能獲得最佳效率。但是，有幾個常見的外界因素會影響環路天線的性能和阻抗，如手效應——會改變自由空間和金屬物體附近的介電常數，而且這些因素對于獲得準確的測量結果來說是至關重要且必須被考慮在內的。由于天線必須在盡可能多的實時影響因素同時出現的情況下進行測量，因而要同時調整天線電阻網及安裝在邊框上或靠近底部的發射器模塊。（2）功率模式。在電源關閉模式下，整個芯片是不通電的，電流消耗一般為nA級。通過信號可以進入芯片激活模式。（3）晶體部分。發射器晶體板應被屏蔽和接地，并且遠離天線，以避免來自功率輸出的干擾。同樣原理，發射時鐘輸出應遠離晶體輸入，并且所有晶體跡線長度應盡可能短。（4）電路板接地。在電路下面進行牢固的接地是很重要的，射頻和集成電路（IC）接地應彼此分開。（5）匹配元件布置。所有匹配的元件彼此應盡量正交放置在接地平面上，如果可能的話，它們的并聯匹配元件都應彼此分離。（6）天線設計部分。天線應總是放置在“自由空間”（無交流電源接地）內并且應使天線與接地層的距離至少為5mm。若使用環路天線，則必須進行對稱設計。（7）去耦合電容布置。去耦合電容必須盡可能靠近電源和地。

（四）無線信號接收器設計

在進行無線信號接收器的設計時，注意考慮以下兩個方面：

（1）用濾波器克服外界干擾。為提高選擇性和鏡頻抑制比，可在天線和LAN（局域網）人口之間放置一個前端濾波器。這樣即可有效克服帶外干擾信號造成接收器堵塞的問題。窄帶前端濾波器的功率必須與輸入側的天線和位于輸出側的LAN相匹配，以獲得扁平通帶、低插入損耗和良好的抑制效應。所有的印制電路板跡線都要盡可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由濾波器供應商推薦的輸入和輸出匹配元件的值可以作為一個很好的參考指南。（2）提高接收器的靈敏度。可能影響到接收器靈敏度的因素有很多，我們可以對每個因素進行調節以使接收器的靈敏度最優化。為獲得更好的靈敏度和接收器性能，從前端匹配、LNA/Mixer電路、中頻濾波器和晶頻，到數據濾波器和數據分割器都要進行仔細調節。

三、TPIVIS模塊軟件設計

（一）TPMS軟件流程設計

系統軟件部分的主要工作是完成泄漏超聲的聲壓級、估算泄漏量以及完成顯示功能，所以軟件部分主要由信號采集子程序、濾波子程序、FFT（fast Fourier trans-formation，快速傅里葉變換）變換子程序、LCD顯示子程序和鍵盤服務子程序等組成。

（二）TPMS軟件安裝適用要求

TPMS軟件應適用于公交、旅游巴士、長途客運車輛、卡車、特殊工程車輛、轎車等。冷胎氣壓不超過12 Bar（汽車在靜止狀態下的輪胎氣壓值）o標準配置可以接收24個輪胎的氣壓信號，最多擴展至接收32個輪胎的氣壓信號。