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感測器/MEMS  

汽車胎壓監視系統的設計方案

上網時間: 2005年03月20日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:TPMS  壓力/溫度感測器模組  ASK  FSK  RF Tx/Rx 

汽車胎壓監視系統(TPMS)主要用於在汽車行駛時即時地對輪胎氣壓進行自動監測,對輪胎漏氣和低氣壓進行警報,以保障行車安全,是駕車者和乘車人員的生命安全保障預警系統。本文詳細介紹了TPMS系統的組成以及元件選擇、節能和安裝等設計考慮因素。

在汽車的高速行駛過程中,輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的,也是突發性交通事故產生的重要原因。據統計,在高速公路上產生的交通事故有70%-80%是由於爆胎引起的,怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據有關專家的分析,保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵,而TPMS毫無疑問將是理想的工具。

圖1:PSB TPMS系統結構圖

目前,TPMS主要分為兩種類型:一種是基於車輪速度的TPMS(WSB TPMS,間接式TPMS),這種系統是透過汽車ABS系統的輪速感測器來比較輪胎之間的轉速差別,以達到監視胎壓的目的,該類系統的主要缺點是無法對兩個以上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;另一種是基於壓力感測器的TPMS(PSB TPMS,直接式TPMS),這種系統是利用安裝在每一個輪胎?的壓力感測器來直接測量輪胎的氣壓,並對各輪胎氣壓進行顯示及監視,當輪胎氣壓太低或有滲漏時,系統會自動警報。PSB TPMS在功能和性能上均優於WSB TPMS。許多歐洲的汽車廠商已將PSB TPMS配裝於自己的車型之中,其中包括德國寶馬的Z8、法國雪鐵龍的C5、林肯大陸、克萊斯勒與道奇迷你箱型車以及Chrysler 300M與Concorde Limited客車、龐帝克的旗艦Bonneville SE等。目前中國大陸多數汽車廠商還沒有進行這方面的研究,但隨著國際化的要求和國產汽車的出口,對這部份的研發將具有迫切需求。

TPMS系統組成

PSB TPMS主要由安裝在汽車輪胎內的壓力、溫度感測器和訊號處理單元、RF發射器組成的TPMS發射模組,以及安裝在汽車駕駛台上包括數位訊號處理單元的RF接收器、液晶顯示器(LCD)組成。其系統如圖1所描述。

1. TPMS感測器

圖2:TPMS按裝在輪胎內的模組

TPMS感測器是一個整合了半導體壓力感測器、半導體溫度感測器、數位訊號處理單元和電源管理器的晶片系統模組。為了強化胎壓檢測功能,有不少TPMS感測器模組內還增加了加速度感測器、電壓檢測、內部時脈、看門狗計時器,和具12位元ADC、4kB Flash、2kB ROM、128B RAM、128B EEPROM及其它功能的ASIC數位訊號處理單元。這些功能晶片使得TPMS感測器不僅能即時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內溫度的變化,而且還能實現汽車行動即時開機、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的壓力感測器都是用基於MEMS技術來設計、生產的,主要有矽整合電容器式壓力感測器,如飛思卡爾的MPXY8020、MPXY8040;矽壓阻式壓力感測器,如GE NovaSensor的NPX1、NPXC01746,Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。矽壓阻式壓力感測器是採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,其測量精密度能達0.01-0.03%FS。

TPMS壓力感測器是一個晶片系統模組,其內部典型架構包括整合了矽顯微機械加工的壓力感測器、溫度感測器、加速度計、電池電壓檢測、內部時脈,以及一個包含類比數位轉換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI埠、校準、數據管理、ID碼的數位訊號處理單元,模組具有光罩可程式性,即可以利用客戶專用軟體進行配置。壓阻式感測器是由MEMS壓力感測器和半導體SoC電路,用積體電路製程做在一個封裝?的。在封裝的上方留有一個壓力/溫度導入孔,將壓力直接導入在壓力感測器的應力薄膜上,周邊固定的圓形應力薄膜內壁由半導體應變片組成惠斯頓測量電橋,同時這個孔還將環境溫度直接導入半導體溫度感測器上。

圖3:T5754 UHF ASK/FSK RF發送器

為了便於TPMS接收器的識別,每個壓力感測器都具有6-8位元獨特的ID碼。

2. 壓力/溫度訊號處理與發射

壓力/溫度訊號經TPMS感測器模組內的ASIC/SoC電路處理,透過其SPI埠傳輸給安裝在發射模組內的訊號處理單元,綜合成數據串流再進入同一封裝內的RF發射IC,按設定的超高頻率(UHF)調變發射給安裝在駕駛台內的接收器。如圖2所示。

為了縮小汽車輪胎內的測量、訊號處理IC所佔面積與發射模組的體積,壓力/溫度訊號處理與發射也採用組合的SoC,如ATMEL的ATAR862、飛思卡爾的MC68HC908RF2,它們都是將一片MCU、一片超高頻(UHF)RF發送器整合在同一封裝內。

MCU一般為4位元或8位元CPU核,包括時脈管理、EEPROM、RAM、多個計時器、多個I/O埠、內部晶振等。UHF RF發送器以ATAR862為例,其內部嵌入的是T5754 UHF ASK/FSK RF發送器,T5754內部由PLL、VCO、功率放大器等組成(見圖3),外部晶振源經串列埠諧振器供給VCO,PLL向MCU提供時脈,MCU將已編碼的數據串流經功率放大器調變在UHF指定頻率,交由天線發射。天線採用印製在PCB板上的環狀天線,發射功率要求PA在9.5mA時能輸出7-10dBm。

ASK是振幅變換調變,FSK是頻率變換調變。RF的發射頻率北美標準為315MHz,歐洲標準為433.92MHz,韓國為448MHz,已有人建議新標準為868MHz。

3. TPMS發射模組的安裝

圖4:T5743 UHF ASK/FSK RF接收器

由於現在的汽車大多都已取消了內胎,因此為TPMS發射模組安裝帶來了極大的便利性,目前TPMS發射模組在汽車輪胎內的安裝有兩種方式:利用氣門咀安裝和利用緊箍扣安裝在輪轂上。無論採用哪種方式,安裝完TPMS發射模組都必須對輪胎重新做動平衡檢驗。

4. TPMS接收器和顯示器

TPMS接收器由UHF ASK/FSK RF接收IC和訊號處理MCU、鍵盤、LCD顯示器組成。RF接收IC和訊號處理MCU安裝在一個盒子?,可安裝在汽車儀表箱內,帶控制鍵盤的LCD顯示器可安裝在駕駛台上,LCD顯示器能即時顯示每個輪胎的壓力、溫度和每一個輪胎的ID識別碼,以及聲光警報。

UHF ASK/FSK RF接收器以T5743為例,該晶片由低噪音放大器(LAN)、低通濾波器(LPF)、中頻功率放大器、ASK/FSK解調器、數據介面,以及PLL、XTO、VCO、混頻器組成(圖4)。天線接收到的訊號經RF類比前端的LAN放大、LPF濾波、ASK/FSK解調,取出的數據串流交TPMS接收器的MCU,經軟體處理還原出胎壓、溫度、ID碼給LCD顯示,並智慧辨別系統是否安全,以及提供聲光警報。

接收器的MCU需要有8K Flash和32位元I/O埠,才能適應系統功能的需要。

TPMS系統方案

由SP12感測器模組、ATAR862、T5743、AVR MCU主要晶片可以組成整套TPMS系統(圖2),一輛轎車需要4個TPMS發射模組(備胎還需要1個)、1個TPMS接收器。一輛卡車需要6-12個TPMS發射模組。為了提高系統的接收能力和抗干擾能力,系統安裝時需要在汽車底盤安裝接收天線,如圖5所示。

1. 元件選擇

由於TPMS發射模組工作在劇烈振動、環境溫差變化很大和不便於隨時檢修的條件下,因此要求所有的元件要有很好的可靠性和穩定性,能適應工作在-40℃到+125℃溫度範圍。為了縮小TPMS發射模組的體積、節省功耗和增強功能,需要盡可能的選用片上複合晶片,如包含壓力、溫度、加速度和ASIC的複合晶片,包含MCU和Tx(RF)或Rx(RF)的複合晶片。

圖5:轎車與卡車的TPMS安裝示意圖。

TPMS是一個按產業標準設計、生產、檢驗,按消費電子產品價格銷售的產品,因此產品的生產成本至關重要。產品的ESD保護要符合MIL-STD.833的標準,即人體模式(HBM)大於4KV。

2. 省電與喚醒

為了使TPMS發射模組在一節鋰電池下能工作3-5年,系統節電是一個十分重要的課題,因此只有在大多數時間讓系統進入睡眠狀態,才能省電與延長電池壽命。汽車啟動時和進入高速行駛時,喚醒TPMS系統的方法一般有二種,一是汽車啟動時TPMS自檢,進入高速行駛時用事先設定軟體程式定時巡迴檢測。為此,需要TPMS接收器發出呼喚訊號,在TPMS發射模組上要安置喚醒(Wake-up)晶片,如ATA5283,由於喚醒頻率為125kHz低頻,TPMS接收器要發出具有一定功率的呼喚訊號,需要在TPMS接收器上增加一級天線驅動,如ATA5275;二是在感測器模組中增加加速度感測器,利用其品質塊對運動的感應性,實現汽車啟動自動開機,進入系統自檢,汽車高速行駛時按運動速度自動智慧確定檢測時間周期,用軟體設定安全期、感應期和危險期,以逐漸縮短檢測周期和提高預警能力。

3. 胎壓與溫度

汽車輪胎的壓力與溫度是密切相關的,也是汽車駕乘人員的生命安全所繫。汽車輪胎氣壓低於標準值時,變形增大,受力產生變化,易使輪壁層呈環狀斷裂,胎面磨損不均,胎肩的磨損急劇增大,使輪胎使用壽命縮短。若胎壓長期低於正常氣壓的80%,在高速行駛時,輪胎會急劇升溫而脫層,最後導致爆胎。

輪胎氣壓高於標準值時,因輪胎與地面接觸的面積減少,單位壓力增高,使輪胎胎面的中部磨損增加。室內試驗證明:一般認為提高氣壓25%,輪胎壽命將會降低15-20%;降低氣壓25%,壽命大約降低30%。(注意:一般轎車的輪胎正常氣壓值在210kpa左右(1kgf/cm=98kpa),多座位商務車(7-9座)在240kpa左右為宜。)汽車輪胎溫度越高,輪胎的強度越低,變形越大(一般溫度不能超過80度,當溫度達到95度時,輪胎的情況非常危險),每升高1度,輪胎磨損就增加2%;行駛速度每增加一倍,輪胎行駛里程降低50%。因此,不允許超溫超速行駛。

參考資料:

《新型實用感測器應用指南》顏重光等主編 電子產業出版社 1998/04

《關於開發ATMEL輪胎壓力監測IC應用市場的報告》 顏重光 2003/12

作者:顏重光


高級工程師


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