轮胎压力监控增强汽车的安全性

路边

未来数年内，安全性一直是推动轮胎压力监控系统(TPMS)发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎的缺陷有关，因此，TPMS有望成为发展最快的汽车电子应用。本文介绍菲利浦公司的胎压监测系统方案。

    业界统计显示，不恰当的轮胎压力可能破坏汽车的稳定性并影响汽车的驾驶和制动，每年因此而导致的交通事故高达数十万起。较低的轮胎压力几乎与所有涉及制动的撞车有关，因为较低的轮胎压力将导致刹车的距离增大。

    许多汽车司机往往忽视了轮胎中的隐患，尽管轮胎是保障汽车性能的最重要因素之一。适当充气的轮胎不仅可以增强安全性和性能，还能节省燃料并延长轮胎的寿命。然而，20％的轮胎仍处于40％的亚充气状态(under-inflated)。这不仅显著地降低了轮胎的寿命，而且还增加了燃料消耗。根据固特异(Goodyear)公司的数据，亚充气状态下每下降3个PSI将使燃料增加1％。

    美国交通部国家高速公路交通安全管理署(NHTSA)最近要求，自2007年起，所有在美国出售的汽车都必须装备轮胎压力监控系统(TPMS)。当汽车轮胎处于25％的亚充气状态时，这些系统将向驾驶员发出警告，以有效地防止轮胎破损，从而避免汽车在轮胎充气不足情况下负重行使而导致交通事故。

    美国已制订法规要求自2003年下半年起，所有新组装的汽车都必须装备TPMS。这主要是因为2000年夏发生的一系列交通事故的起因都是由于亚充气的轮胎在行驶过程中从车体分离而导致追尾。新颁布的法令要求使用更先进的直接TPMS，即对每个轮胎中都进行压力监控。直接TPMS不仅有助于预防交通事故，而且每年节约的燃料消耗和汽车维护费用可达17亿美元，因为亚充气轮胎将缩短轮胎的寿命并增加燃料消耗(NHTSA)。

    TPMS市场

    未来，轮胎压力监控系统的市场将非常巨大。咨询公司Strategy Analytics指出，未来数年中，轮胎压力监控有望成为汽车电子系统中增长最快的领域，2010年将达到3000万套。作为为数不多的几家既能提供直接TPMS解决方案，又能提供相关信号调节芯片(P2SC)的公司，飞利浦(Philips)有望占据很大的市场份额。

    直接测量系统

    图题:胎压监测模块本身由以下三个部分组成：
    1. 压力传感器(通常为压阻式模拟器件)；
    2. 压力传感器信号调节芯片(可以集成在压力传感器中)；
    3. 射频发射器装置。
  
    直接轮胎压力监控系统是能在轮胎内部直接测量轮胎压力的监控系统。为此，胎压监测模块将位于轮胎中(通常位于充气阀旁边)并通过射频(RF)将其测量的数据广播至中央接收器。这种射频链接运用了与遥控车门开关 (Remote Keyless Entry, RKE) 系统相同的射频原理和频率范围。由于RKE系统已经广泛地应用于现代汽车中，因此这种射频链接可以与RKE系统共享资源，以节省整个系统的成本。飞利浦公司的TPMS采用了与业界领先的遥控车门开关技术相同的射频链接，这已通过现场测试并被生产商采用，如Siemens VDO公司的无插孔感应门系统(Passive Entry System, PASE)。

    胎压监测模块本身由以下三个部分组成：1. 压力传感器(通常为压阻式模拟器件)；2. 压力传感器信号调节芯片(可以集成在压力传感器中)； 3. 射频发射器装置。

    胎压监测模块必须能承受-40 °C 至 150 °C以上的温度以及高达2000g的加速度。极端环境下，还将使用一些特殊器件以保证寿命达到10年。

    胎压监测模块中的压力传感器是一个典型的微电子机械系统(MEMS)器件。目前，只有很少几家主要的专业公司具有TPMS方面的专业技能和经验以生产能在真实恶劣环境下保证足够鲁棒性的传感器。

    胎压监测模块的封装也很重要，封装包括下面所描述的压力传感器信号调节芯片。

    来自硅片传感器的信号必须经过放大和数字化，而整个器件还需要进行校准和初始化。飞利浦公司的传感器信号处理芯片P2SC从传感器桥(sensor bridge)采集信号后，对信号进行数字化处理，然后直接在芯片上测量温度并执行所需的全部校准和初始化操作。P2SC带有基于STARC的精简指令集计算机(RISC)第二代微控制器内核，该内核通过了RKE应用的现场检验并专用于TPMS。P2SC的功耗也经过优化后降至最低，而且作为一项特有的性能，P2SC还能通过车轮识别特性解决自转问题。

    目前正在使用的基于UHF发射器的外部SAW或PLL既能分离使用，也能集成到设备中。但是，飞利浦半导体业已发布了与UHF PLL集成至同一芯片的第二代P2SC。

    这有助于在压力感应模块中进一步降低PCB的成本和尺寸。以后，该器件还将完全集成至“智能传感器”封装中：轮胎上只有一块芯片和一套封装解决方案。

    如前所述，TPMS的接收器装置也是基于与RKE接收器类似的技术。因此，现有的射频接收器可以在TPMS和RKE之间实现共享。这能显著地降低成本，因此众多的汽车制造商已经强烈要求供应商将RKE和TPMS集成至一套系统中。

    经过校准和初始化，现在每个轮胎都能够发送压力信息至驾驶室的仪表盘中，而车身控制器也能判断信号来自哪个轮胎。但如果驾驶员正在更换(旋转)轮胎，那么将发生什么情况呢？

    我们可以通过以下途径解决这个问题：1. 每个车轮都安装专用的射频接收器；2. 感应测量不受速度的影响，测量包含ABS/ESP信息；3. 射频信号(RSSI)的放大分析；4. 双向射频链接；5. 低频唤醒(LF wakeup)。

    飞利浦选择了低频唤醒方案进行轮胎定位。该解决方案的成本相对低廉并能实现可靠的立即识别。小低频(125KHz)驾驶室天线发送唤醒信号至特定的胎压监测模块，胎压监测模块通过射频链接发送响应信号。低频唤醒必须在驾驶室天线与胎压监测模块之间弥合约1m的距离，这已被证明完全可行，飞利浦半导体公司的无源遥控开锁(Passive Keyless Entry, PKE)技术即能实现。此外，遥控开启车门时也需要在两者之间弥合类似的一段距离。另外，胎压监测模块中的三维(3D)接口也需要为接收到的唤醒信号保证与信号发射源无关的灵敏度。

    压力监控系统早在多年前就已实现，但只装备在高端的豪华汽车上。当代的TPMS基于压力传感器，包含了专门用来调节压力和温度信号的ASIC。然而，新的法令将使得TPMS成为各种型号汽车的标准配置。

    P2SC是能提供低频唤醒和高频返回信号的直接测量解决方案，这意味着系统可以“请求”每个轮胎报告当前的压力状况并将这些信息中继给驾驶员。一旦启动点火，每个轮胎就将被“唤醒”，并在驾驶员开动汽车之前汇报轮胎上的状态信息。在整个行程中，轮胎将保持“唤醒”状态并定期更新状态信息。如果出现压力骤降情况，轮胎将自动将该信息中继给驾驶员，而无需进行先期唤醒。驾驶员将能利用仪表盘上的图标显示或虚拟汽车，获得轮胎压力信息。

    现在正在批量生产的下一代TPMS将利用微控制器(如飞利浦公司的P2SC)取代ASIC。由于胎压监测模块上的电池成本和寿命方面还有一些问题需要解决，汽车电子业界仍然需要继续研究使用更少电池的解决方案，如采用感应耦合或无源GHz技术。
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