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控制技術/MCU  

輪胎壓力監控增強汽車的安全性

上網時間: 2005年05月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:automotive electronics application  汽車電子應用  Philips Semiconductors  飛利浦半導體公司  Tire Pressure Monitoring Systems(TPMS) 

未來數年內,安全性一直是推動輪胎壓力監控系統(TPMS)發展的主要動力,因為許多交通事故的產生都與輪胎的缺陷有關,因此,TPMS可望成為發展最快的汽車電子應用。本文介紹飛利浦公司的胎壓監測系統方案。

業界統計顯示,不恰當的輪胎壓力可能破壞汽車的穩定性並影響汽車的駕駛和煞車,每年因此而導致的交通事故高達數十萬起。較低的輪胎壓力幾乎與所有涉及煞車的撞車有關,因為較低的輪胎壓力將導致煞車的距離增大。

許多汽車司機往往忽視了輪胎中的問題,儘管輪胎是保障汽車性能的最重要因素之一。適當充氣的輪胎不僅可以增強安全性和性能,還能節省燃料並延長輪胎的壽命。然而,20%的輪胎仍處於40%的未充飽狀態。這不僅顯著地降低了輪胎的壽命,而且還增加了燃料消耗。根據固特異(Goodyear)公司的數據,未充飽狀態下每下降3個PSI將使燃料增加1%。

美國交通部國家高速公路交通安全管理署(NHTSA)最近要求,自2007年起,所有在美國出售的汽車都必須裝備輪胎壓力監控系統(TPMS)。當汽車輪胎處於25%的未充飽狀態時,這些系統將向駕駛員發出警告,以有效地防止輪胎破損,從而避免汽車在輪胎充氣不足情況下負重行使而導致交通事故。

美國已制訂法規要求自2003年下半年起,所有新組裝的汽車都必須裝備TPMS。這主要是因為2000年夏天發生的一系列交通事故的起因都是由於未充飽的輪胎在行駛過程中從車體分離而導致相撞。新頒佈的法令要求使用更先進的直接TPMS,即對每個輪胎中都進行壓力監控。直接TPMS不僅有助於預防交通事故,而且每年節約的燃料消耗和汽車維護費用可達17億美元,因為未充飽輪胎將縮短輪胎的壽命並增加燃料消耗(NHTSA)。

圖題:胎壓監測模組本身由以下三個部份組成:
1. 壓力感測器(通常為壓阻式類比元件);
2. 壓力感測器訊號調節晶片(可以整合在壓力感測器中);
3. 射頻發射器裝置。

TPMS市場

未來,輪胎壓力監控系統的市場將非常巨大。諮詢公司Strategy Analytics指出,未來數年中,輪胎壓力監控有望成為汽車電子系統中成長最快的領域,2010年將達到3000萬套。

直接測量系統

直接輪胎壓力監控系統是能在輪胎內部直接測量輪胎壓力的監控系統。為此,胎壓監測模組將位於輪胎中(通常位於充氣閥旁邊)並透過射頻(RF)將其測量的數據廣播至中央接收器。這種射頻鏈接運用了與遙控車門開關(Remote Keyless Entry,RKE)系統相同的射頻原理和頻率範圍。由於RKE系統已經廣泛地應用於現代汽車中,因此這種射頻鏈接可以與RKE系統共享資源,以節省整個系統的成本。飛利浦公司的TPMS採用了與業界領先的遙控車門開關技術相同的射頻鏈接,這已通過現場測試並被生產商採用,如Siemens VDO公司的無插孔感應門系統(Passive Entry System,PASE)。

胎壓監測模組本身由以下三個部份組成:1. 壓力感測器(通常為壓阻式類比元件);2. 壓力感測器訊號調節晶片(可以整合在壓力感測器中);3. 射頻發射器裝置。

胎壓監測模組必須能承受-40℃至150℃以上的溫度以及高達2000g的加速度。極端環境下,還將使用一些特殊元件以保證壽命達到10年。

胎壓監測模組中的壓力感測器是一個典型的微電子機械系統(MEMS)元件。目前,只有很少幾家主要的專業公司具有TPMS方面的專業技能和經驗以生產能在真實惡劣環境下保證足夠強韌的感測器。

胎壓監測模組的封裝也很重要,封裝包括下面所描述的壓力感測器訊號調節晶片。

來自矽片感測器的訊號必須經過放大和數位化,而整個元件還需要進行校準和初始化。飛利浦公司的感測器訊號處理晶片P2SC從感測器橋(sensor bridge)採集訊號後,對訊號進行數位化處理,然後直接在晶片上測量溫度並執行所需的全部校準和初始化作業。P2SC帶有基於STARC的精簡指令集計算機(RISC)第二代微控制器核心,該核心通過了RKE應用的現場檢驗並專用於TPMS。P2SC的功耗也經過最佳化後降至最低,而且作為一項特有的性能,P2SC還能透過車輪識別特性解決自轉問題。

目前正在使用的基於UHF發射器的外部SAW或PLL既能分離使用,也能整合到設備中。但是,飛利浦半導體業已發佈了與UHF PLL整合至同一晶片的第二代P2SC。

這有助於在壓力感應模組中進一步降低PCB的成本和尺寸。以後,該元件還將完全整合至‘智慧感測器’封裝中:輪胎上只有一塊晶片和一套封裝解決方案。

如前所述,TPMS的接收器裝置也是基於與RKE接收器類似的技術。因此,現有的射頻接收器可以在TPMS和RKE之間實現共享。這能顯著地降低成本,因此眾多的汽車製造商已經強烈要求供應商將RKE和TPMS整合至一套系統中。

經過校準和初始化,現在每個輪胎都能夠發送壓力資訊至駕駛室的儀表盤中,而車身控制器也能判斷訊號來自哪個輪胎。但如果駕駛員正在更換(旋轉)輪胎,那麼將產生什麼情況呢?

我們可以透過以下途徑解決這個問題:1. 每個車輪都安裝專用的射頻接收器;2. 感應測量不受速度的影響,測量包含ABS/ESP資訊;3. 射頻訊號(RSSI)的放大分析;4. 雙向射頻鏈接;5. 低頻喚醒(LF wakeup)。

飛利浦選擇了低頻喚醒方案進行輪胎定位。該解決方案的成本相對低廉並能實現可靠的立即識別。小低頻(125KHz)駕駛室天線發送喚醒訊號至特定的胎壓監測模組,胎壓監測模組透過射頻鏈接發送響應訊號。低頻喚醒必須在駕駛室天線與胎壓監測模組之間彌合約1m的距離,這已被證明完全可行,飛利浦的被動遙控開鎖(Passive Keyless Entry,PKE)技術即能實現。此外,遙控開啟車門時也需要在兩者之間接合類似的一段距離。另外,胎壓監測模組中的三維(3D)介面也需要為接收到的喚醒訊號保證與訊號發射源無關的靈敏度。

壓力監控系統早在多年前就已實現,但只裝備在高階的豪華汽車上。當代的TPMS基於壓力感測器,包含了專門用來調節壓力和溫度訊號的ASIC。然而,新的法令將使得TPMS成為各種型號汽車的標準配置。

P2SC是能提供低頻喚醒和高頻返回訊號的直接測量解決方案,這意味著系統可以‘請求’每個輪胎報告當前的壓力狀況並將這些資訊中繼給駕駛員。一旦啟動點火,每個輪胎就將被‘喚醒’,並在駕駛員開動汽車之前匯報輪胎上的狀態資訊。在整個行程中,輪胎將保持‘喚醒’狀態並定期更新狀態資訊。如果出現壓力驟降情況,輪胎將自動將該資訊中繼給駕駛員,而無需進行先期喚醒。駕駛員將能利用儀表盤上的圖標顯示或虛擬汽車,獲得輪胎壓力資訊。

現在正在批量生產的下一代TPMS將利用微控制器(如飛利浦公司的P2SC)取代ASIC。由於胎壓監測模組上的電池成本和壽命方面還有一些問題需要解決,汽車電子業界仍然需要繼續研究使用更少電池的解決方案,如採用感應耦合或被動GHz技術。

作者:Joerg Becker


汽車門禁系統行銷經理


飛利浦半導體公司





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