轮胎压力监测系统TPMS的产品分类及技术

　　2、直接式（轮胎智能监测系统）有4大核心（瓶颈）技术：

　　A、无线信号传输的稳定性和可靠性（特别是高速行使时的信号传输）

　　B、传感器的使用寿命（免维护使用）

　　C、报警提示的准确性（无误报警、错报警）

　　D、传感器的耐压性

　　3、从汽车发展的100年历史来看，爆胎一直是一个世界性的难题。轮胎智能监测系统做为有效预防汽车爆胎的安全产品，也和安全气囊、ABS一样被汽车作为标准安全配置，广泛使用。

　　随着高速公路的发展、汽车速度的加快及美联邦立法的推动，轮胎智能监测系统日益被重视。从目前来看轮胎智能监测系统因为价格因素，在中低档车辆上的使用还不广泛。随着新技术的应用、量产化提高、竞争加剧，轮胎智能监测系统会像电脑和手机一样从“贵族”走向“寻常百姓”。

　　对轮胎进行正确充气十分必要。这一问题引起了人们的极度重视。所有人都还记得2000年曾出现过美国厂商收回轮胎和汽车的现象，回收的原因是出现了大量的爆胎和翻车事故。大量数据表明，对轮胎正确充气会大大降低爆胎的可能性。正是由于这样一个事实，美国前总统克林顿当年签署了有关加强运输设备收回、责任确定和文件记录（TREAD）法案。在此法案基础上，不久又出台了美国运输部 （DOT） 国家公路交通安全管理委员会 （NHTSA） 法规。

　　根据NHTSA官方网站上公布的"最后法规"，2003年11月到2006年10月31日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入TPMS。在引入系统的过渡阶段，NHTSA批准了2种"标准备用系统"。这两种备用系统分别称为直接系统和间接系统。

　　直接TPMS：要求在每个轮胎内使用压力传感器，并安装无线发射器，用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统。

　　间接TPMS：要求使用车辆防抱死制动系统（ABS）来确定轮胎压力变化的系统。ABS通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱死系统。对于在4个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，轮胎压力变低也会导致车速发生变化。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于触发警报系统来向司机发出警告。
每个系统都有自己的优点。直接系统可以提供更高级的功能，使用直接系统，可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统相对便宜，使用间接系统，已经装备了4轮ABS （每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的2个轮胎气压都低。

　　还有一种复合式TPMS，它兼有每个系统的优点。复合式系统在两个互相成对角的轮胎内装备直接传感器，并装备一个4轮间接系统。与全部使用直接系统相比，这种复合式系统可以降低成本，克服间接系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。但是，它仍然不能提供所有4个轮胎内实际压力的实时数据，只有直接系统才具备这种功能。

　　很明显，直接传感系统更有效。基于这样一种观点，有人可能预测当NHTSA在2005年修改TPMS法规时，会使用直接传感系统全部取代过渡期间的间接系统。如果情况属实，将会出现一个巨大的TPMS硬件市场。另一种可能性是，NHTSA要求要么全部使用直接系统，要么使用复合系统，全部淘汰间接系统。不论采用哪一种方式，都会出现一个大的直接TPMS市场。

　　直接轮胎压力监测系统组件

　　鉴于如此大的市场潜力，许多公司加紧推出直接TPMS解决方案。因为NHTSA的要求目前只适用于轻型车辆，而不包括双后桥车辆，所以客车和轻型卡车的发展空间最多。这样一个系统包括4个或5个（取决于备胎是否装备传感器）轮胎模块和一个中央接收器模块。轮胎模块由压力传感器、温度传感器 （需要考虑理想气体定律 PV = nRT）、控制模块（如ASIC或MCU）、发射器和天线、以及电池组成。也可以包括更多的外部系统， 如启动发射的低频（LF）探测器（使模块不仅仅作为发射器，还可以作为收发器使用）、惯性开关，或无内置电池的电源等装置。NHTSA并不要求这些功能，但它们可以使系统更加完善。 一个简单的接收器模块由一根中央天线、一个接收器IC和一个与车辆其余部分相连接的接口组成。通用接口包括控制器局域网络（CAN）接口，该接口通常装备在车辆的车身控制器内。数据由车身控制器处理，当轮胎压力低时，它可以用来向司机提出警告。 许多公司正寻求在接收器模块中提供更多的功能，以及像以LF信号启动格式向每个轮胎提供自动轮胎定位（它可以在系统不进行重新校准的前提下检测到轮胎是否转动）、分布式天线等类功能，以使自己从市场中脱颖而出。如果使用正确的发射载波频率和通信协议，接收器系统可以和遥控门锁系统相集成。司机可以通过集成到仪表盘显示器上的简单"指示器"、集成了显示器的后视镜，或单独安装在仪表板上的屏幕等来了解各种数据。只要能够向司机发出轮胎气压比正常压力降低25%的警告，这些系统就都可以满足NHTSA对直接TPMS提出的要求。

　　TPMS投产势在必行，但考虑到投产前的时间太短，因此，许多公司都着手生产一种简单的系统，它可以满足NHTSA的要求。这一市场目前很窄，但在不久的将来会发展成为一个大规模市场。为了促进快速的产品开发，我们提出了如下直接TPMS系统，虽然该系统简单且组件成本也低，但却符合NHTSA法规中的所有要求。最简单的系统包括一个装备在4个轮胎中的传感器/发射器模块和一个中央接收器。
轮胎模块 ：硬件　　　

　　传感器是电容型MEMS压力传感器，专用于满足TPMS在温度和媒介兼容方面的要求。这是一个单体压力和温度传感器，并具备电源管理和数字输出功能。套件内的媒介保护过滤器可以使其硅片免受环境影响。该系统有4种操作模式：待机模式 （耗电600 nA）、测定气压模式、测定温度模式和输出数据读取模式。该设备要求控制器至少提供5个引脚：2个引脚用于控制其操作模式，2个引脚用于数据串行交换，另外1个引脚用于接收数据。8020型还具有复位针，该针作为一个输出端子，此端子大约每小时向控制器发送复位信号。控制器是在一个32针QFP封装中结合8位Flash单片机和UHF发射器的器件。单片机连接传感器，定期检索气压和温度数据。它还连接与其在一起的发射器，并根据所使用晶振的不同，用315或434MHz发送数据。

　　轮胎模块：软件　　　

　　许多TPMS供应商所采用的行业标准是轮胎模块为7-10年的使用寿命。因为轮胎模块是由一块锂电池（锂电池电容通常为200 - 300 mA- h）供电，因此需要高效率的算法。TPMS的软件很简单，只有3种主要功能：测量、处理数据和传输。算法的效率与时间相关，系统设计员必须弄清以下问题：接收器是否显示每个轮胎的气压，还是只显示告警的低气压？轮胎模块可以检查出低气压阈值，其使用的能量要少于获得完整的8位值所需的能量。 气压和温度的测量频率是多少？

　　是否需要对气压和温度两个参数都进行测量，还是其中一个参数的测量频率要高于另外一个？

　　是否需要温度补偿功能 （即，改变低压告警阈值作为温度的一个函数）？若需要，是在轮胎端还是在接收器端部署？轮胎模块执行计算的次数越多，电池寿命越短。

　　数据发送的频率是多少？每个数据帧中有多少位？发射器要比其他任何部分更快地消耗电池能量，因此经常传输较短的数据帧通常有助于延长电池寿命。气压降低会出现什么现象？为确保在任何恶劣的环境下都能使数据到达接收器，轮胎模块应可多次发送告警信号。 在回答这些标准问题的基础上，一种智能算法可以尽可能地避免多个轮胎模块同时发送数据时发生的数据冲突。为了避免由冲突造成的数据丢失，模块应在每个数据帧之间，在随机时间间隔内发送多个数据帧，而不是一个数据帧。这将大大降低数据丢失的可能性，但也将缩短电池的使用寿命，并增加接收器软件的复杂性。理想的折衷办法是在双方之间，每隔 10 - 100 ms的间隔发送3-4个数据帧。除了这些标准问题外，供应商还想提供其他更多功能以使自己从市场中脱颖而出，这些功能包括：自动检测、 LF启动、包含备件的自动轮胎定位，取消电池和其他功能。
接收器模块 ：硬件 　　　

　　最简单的接收机模块含有一个 UHF 接收器、一个中央天线、和一个与汽车其他部分连接的接口。这种 IC能够接收并解调 OOK或FSK调制的 Manchester编码数据，同时通过一条串行外围接口（SPI）总线将其发送出去。采用FSK调制，并支持数据管理器（Manchester数据解码器）（这是在TPMS中采用这种IC的最佳方法），如果有匹配的天线，它的灵敏度是 -103 dBm 。 接收器所选的控制器与TPMS无关。接收机将它所接收的数据按顺序发送，这样任何控制器都可以接收、处理数据，出现异常情况时向司机告警。

　　接收机模块：软件

　　接收机IC 是高度集成的，通过一个MCU来控制，特别是当MCU含有硬件SPI时，则更简单。即使没有硬件SPI，采用三个针可以非常容易地在软件中实施这种同步协议。由于数据管理器支持，天线接收的Manchester编码数据被解调、解码，并转换到SPI协议，它通过这个协议与控制器通信。数据管理器非常智能，可以去掉叫醒信号、开始码和结束符（EOM）等数据帧，这样控制它的软件大大减少。它还有许多节能选项，即使汽车停很长时间，也不会消耗完一块电池。由于每个轮胎模块要发送相同格式的数据，接收机控制器能在收到全部数据帧后中断，这样它可以在大部分时间都处于低能耗睡眠状态。

　　总结

　　要使NHTSA规则生效，时间太短促，因此我在此介绍了一种方法，列出了创建符合NHTSA的简单TPMS的器件清单。这套系统的中心部件是压力传感器，它可以承受轮胎内的恶劣环境。

　　这套系统很容易升级，供应商可以提供更多功能。下面显示的是一个简单的演示系统，这个系统显示的是最小TPMS，LED作为低压报警器，串行端口接口与PC相连，PC记录数据。这套系统已经收集了过去几个月的真实环境数据。