胎壓監測系統(TPMS)技術與設計考慮

TPMS對于提高汽車安全性有舉足輕重的影響，輪胎是汽車和路面唯一直接接觸的部分。輪胎過于膨脹或處于充氣不足狀態都會影響汽車安全性。有很多車禍都因輪胎出現狀況而導致的。美國高速公路安全協會（NHTSA）也因此立法強制實施TPMS。

各種TPMS 系統技術和市場狀況

目前TPMS主要有三種實現方式：直接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合TPMS。

現在的間接TPMS是與車輛的防抱死系統（ABS）一起使用的。ABS采用車輪轉速傳感器測量每個車輪的轉速。當一個輪胎的氣壓減小時，滾動半徑就減小，而車輪的旋轉速度就相應地加快。

這個比率可用下列等式來表達(見公式1）。

如果這個比率偏離設定的公差，一個或更多輪胎就會過于膨脹或處于充氣不足狀態。然后，指示燈會提示司機，有一個輪胎處于低壓狀態。但是，間接TPMS有一定的局限性。第一是指示燈無法指出是哪個輪胎處于低壓狀態。第二，當同一車軸或同一側的兩個輪胎都處于低壓狀態時，它無法檢測出究竟是哪個輪胎充氣不足。第三，如果所有四個輪胎都處于低壓狀態，該系統不會發現這一故障。另外，氣壓不足時輪胎直徑的減少和氣壓的降低非常微小。對于薄胎來說，69kPa (~10 psi)的壓降只會使直徑減小1mm。這種壓降不符合美國的最終判定規則（Final Ruling）所規定的25%原則，采用間接方法進行檢測在很大程度上依賴于輪胎和負載因子。

直接TPMS采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發送器將胎壓數據發送到中央接收器進行分析，分析結果將被傳送至安裝在車內的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個輪胎充氣不足。由于直接TPMS可直接測量每個輪胎的氣壓，因此當任何一個或幾個輪胎處于低壓狀態時，它們都會檢測出這種狀態，當車輛的所有四個輪胎都處于低壓狀態時也可以檢測到。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統甚至可以檢測到7 kPa (~1.0 psi)的壓降。

為滿足多輪壓力檢測要求，常規的間接TPMS需要在系統中安裝兩個額外的胎壓傳感器和一個射頻接收器。胎壓傳感器要安裝在車輪上，兩個傳感器呈對角安裝。由于系統安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個車軸或車輛同一側的兩個處于低壓狀態的輪胎，當所有4個輪胎都處于低壓狀態時，系統也可以檢測到故障。但是，和間接系統相似，當兩個呈對角的輪胎（不帶直接氣壓傳感器）都處于低壓狀態時，系統只能檢測到一個輪胎充氣不足。

混合TPMS可以降低系統成本，但在系統可靠性和靈活性方面還不夠理想。并且它不能全部定位欠壓輪胎。

隨著技術的發展，直接TPMS系統已逐漸演變為3個主要系統類型，即主流型（低/中端）、帶有自動定位功能的高端TPMS和結合ESP/ABS的TPMS系統。下表對各種系統類型進行概述：

情景1：TPMS配ABS/ESP——間接系統

許多OEM都從間接系統轉向了直接系統，因為直接系統的總體成本降低了。間接系統有太多的技術局限性，并且要求非常嚴格的場地測試。由于間接系統在美國市場遭受了太多的索賠，所以通常僅限于歐洲使用。因此，其市場份額不足10%。

圖1:間接TPMS的監測原理

情景2：主流（低/中端）TPMS——直接系統

受美國立法的推動，覆蓋低/中端細分市場的主流TPMS的市場份額到2011年將超過50%。但是TPMS預計在歐洲、亞太地區和日本市場規模會很小，這是由于額外的系統成本和公眾對TPMS認知不足造成的。另外，TPMS系統通常是作為高端車型的選件提供，增裝的需求仍然很低，因為一般的車主對TPMS還不熟悉。

主流系統的主要推動因素是價格。OEM需要一個能夠滿足美國高速公路安全協會（NHTSA）的各項要求，但不至導致低/中端車型的價格增加太多的TPMS的系統。主流系統的基本功能可以滿足NHTSA的各項要求，但是目前的狀況是每個OEM都有自己的TPMS系統，它并不是一個商品市場。

情景3：高端TPMS（自動定位）——直接系統

高端TPMS是指將輪胎的自動定位功能集成于直接TPMS系統。輪胎的自動定位功能是指識別和區別4個輪胎發送的信息。在這種情況下，比如，右前輪的氣壓，無需任何人為操作，即可被正確識別并顯示出來。

如今的系統主要是在翼板中安裝低頻發射器天線來進行定位。有四個低頻發射器模塊用電線連接中央接收器模塊至翼板。中央接收器模塊將信號發送至這些低頻模塊以觸發特定的車輪模塊，比如右前輪。在這種情況下，只有右前輪的車輪模塊（而不是其余的車輪模塊）會反饋信息。將來，兩軸G傳感器將被用于實現輪胎的自動定位功能。預計到2011年，高端TPMS系統的市場份額將達到30%。該系統也將成為未來TPMS/ESP集成的基礎（見情景4的描述）。

情景4：ESP/ABS和TPMS的結合——直接系統

該系統是未來的發展方向。在該系統中，TPMS系統將輪胎的附加信息提供給ESP系統，如重力、輪胎氣壓和溫度、路況和輪胎類型等。這是未來高級ESP系統的發展趨勢。這種系統需要具備多軸重力測量和自動定位功能，此外還需要采用低頻或“能量獲得”技術的無電池式系統。該類系統將于2008年首次引入高端汽車（基于低頻系統）。預計到2011年，其市場份額將達到10%。

表1：直接與間接TPMS的比較

表2：TPMS類型

TPMS的要求和設計挑戰

TPMS系統的要求有：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以及更長的工作壽命等。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。電源管理因此成為首要的挑戰。

在設計一個運行穩定、功效高的系統時，需要考慮的第一個因素就是軟件。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它參數多？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TPMS系統時必須考慮這些問題。

其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。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性和其他一些優勢。例如，低頻通訊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。

第三種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，運算可通過如下方式進行——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（比如SP30）集成了加速度計，該加速度計是一種檢測車輪旋轉的高G傳感器。因此，應用軟件可以用這種方法編寫——即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15%。考慮到這一點，這種設計方案可以大幅度降低TPMS的功耗。

最后，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數量，可獲得更高功率效率并降低系統總成本。

TPMS系統設計中還有一個非常重要的方面是傳感器的介質兼容性。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、灰塵和其它物質如制動液等。英飛凌的TPMS傳感器SP30采用夾層工藝，由夾在兩個玻璃層之間的單硅晶組成。傳感器元件具備卓越的介質兼容性，因為其氣壓入口朝向硅膜片的背面。同時，芯片的封裝方式也會影響傳感器的性能。

英飛凌的SP30 TPMS傳感器幾年之前已進入批量生產，迄今為止已銷售了數百萬套。隨著市場不斷要求更高的集成度和更低的系統成本，英飛凌將在2007年向亞太市場推出下一代產品SP35。SP35將集成車輪模塊所需的感應功能和發射功能。這就意味著，MCU、傳感器和射頻發射器都被封裝在一起。與現有的SP30加外部射頻發射器集成電路（IC）解決方案相比，SP35系統解決方案將減少一個組件。

圖2：英飛凌的下一代TPMS傳感器SP35框圖

SP35集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHz射頻發射器。除減少組件數量外，它還可以降低系統總體成本，因為板卡設計更加簡單，尺寸更小。

另外一項重要的設計挑戰來自于無線控制，第一代TPMS發送器的設計采用SAW共振器的ASK調制技術來產生適當的發射頻率。該ASK系統雖然非常廉價，但卻容易受到由于車輪（發送器安裝在其上）旋轉所導致的接收場強變化的影響。出于這一原因，現在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調制方法和PLL合成器來產生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應用中，即使是在車輪高速旋轉時，FSK都具備可靠的射頻通訊功能。

英飛凌的超高頻（UHF）發射器TDK51xxF系列設計用于315MHz、434MHz、868MHz和915 MHz等頻段，可同時支持 ASK調制和FSK調制。該產品系列具備一個完全集成的鎖相環（PLL）合成器和一個高效功率放大器以驅動環路天線。其典型功耗為7mA（當電阻為50Ohm，射頻輸出功率為5dBm時），該設備可在-40°C到+125°C的汽車運行溫度范圍內運行。

英飛凌還提供用于不同頻段的各種接收器芯片，集成了各種功能，這樣系統設計人員就可使用最少的元件，從而降低系統成本。在FSK調制模式下當接收頻率為434MHz時，低達3.9-7.5mA的工作電流，以及高達-100dBm的敏感度。（測定條件：FSK頻偏為+/-50kHz，誤碼率為2xE-3比特誤差率，曼徹斯特編碼方式，數據率為4KHz，中頻帶寬為280KHz）。

無線控制設計考慮因素

采用英飛凌TDK51xxF發射器時需要考慮以下因素：

(1). 天線選擇和匹配網絡。模擬和測試已經證明，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天線的性能和阻抗，如手效應——會改變自由空間(?0)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的，并且必須被考慮在內。這被證明是TPMS系統設計者所面臨的一大挑戰，因為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，即要同時調整天線電阻網以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0.3nA。通過將FSKDTA切換到HIGH（因為未連接PWDWN）可以進入PLL激活模式。在這期間，PLL接通電源，但功率放大器關閉，以便在PLL需要穩定時避免不必要的功率輻射。

采用FSKDTA和ASKDTA進行FSK調制的功率模式示例（沒有連接PDWN）

圖3：采用FSKDTA和ASKDTA進行FSK調制的功率模式示例（沒有連接PDWN）

PLL的導通時間主要由晶體振蕩器的導通時間決定，當使用規定的晶體時，導通時間小于1 msec。PLL本身需要大約10?s的時間鎖定。在PLL啟用期間，電流消耗一般為3.5 mA。TDK51xxF上的功率放大器由ASKDTA接通至HIGH位置。在此期間，FSKDTA可以發送。當將適當的變換網絡應用于PAOUT時，集成電路的電流消耗一般為7mA。

(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。同樣的原理，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。如果使用環路天線，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Vs和地。

英飛凌的TDA52xx是一種專門用于短程遙控的單片接收器。超外差接收器（SHR）的基本結構由低噪聲放大器（LNA）和前端的混頻器構成，IC進行了高度集成并且只需很少的外部元件。該器件包括一個低噪放大器（LAN）、雙平衡混頻器、完全集成的壓控振蕩器（VCO）、PLL合成器、晶體振蕩器、帶RSSI發生器的限幅器、PLL FSK解調器、數據濾波器、數據比較器（分割器）和峰值檢波器等。此外，該器件還具備斷電功能以延長電池工作時間。采用英飛凌TDA52xx接收器需要考慮以下因素。

圖3：英飛凌的TDA5210超高頻（UHF）接收器的框圖

(1). 用SAW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入口之間放置一個SAW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SAW濾波器的功率，必須與輸入側的天線和位于輸出側的LNA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PCB跡線都要盡可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由SAW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。有很多可能影響到接收器靈敏度的因素，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。

結論

TPMS市場目前的主角是采用電池的直接系統。無電池直接系統可能于2008年與ESP系統一道面向高端汽車推出。預計到2011年，這種系統的銷量將達到1.69億套，其后5年之內的年均增長率將達到29%。元件的正確選擇、電源管理、介質兼容性、系統成本和射頻設計都是工程師在設計直接TPMS時需要克服的主要設計難題，這些因素對于商業成功至關重要。