基于集成壓力傳感器的無源胎壓監控系統設計

　　1 引言

　　據美國汽車工程師學會最近的調查，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據公安部統計，在中國高速公路上發生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80%。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。

　　壓力傳感器是將壓力轉換為電信號輸出的傳感器。通常把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件(或應變計)組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。

　　2 胎壓監控的基本原理

　　目前，輪胎壓力監測系統主要有兩種解決方案，直接系統和間接系統。直接式輪胎壓力監測系統是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。間接式輪胎壓力監測系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監控胎壓的目的，該類型系統的主要缺點是：①不能顯示出各條輪胎準確的瞬時氣壓值;②同一車軸或者同一側車輪或者所有輪胎氣壓同時下降時不能報警;③不能同時兼顧車速、檢測精度等因素。

　　直接式輪胎壓力監控系統又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。

　　主動式系統是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個輪圈上，通過無線射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號，經過一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動式技術的優點是，技術比較成熟，開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點同樣比較突出，其感應模塊需要電池供電，因此存在系統使用壽命的問題。

　　被動式輪胎壓力監控系統的傳感器是采用聲表面波來設計的，這種傳感器通過射頻電場產生一個聲表面波，當這個聲表面波通過壓電襯底材料的表面時，就會產生變化，通過檢測聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術不用電池供電，但是它需要將轉發器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標準才有可能實施。

　　輪胎氣壓監測系統要檢測出輪胎氣壓的異常狀況，只有具有高分辨率才能有高的精度。電池壽命是有限的，且容量也受溫度影響。為提高系統的可靠性，傳感器最好能進行無源檢測。研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可以對車輛懸掛系統進行故障監測并校正導航系統。所以，未來的傳感器應該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。

　　3 無源TPMS磁場電磁耦合設計方案

　　3.1 原理

　　電感耦合是一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現耦合。依據的是電磁感應定律，實際上是通過交變磁場在輪胎內測量發射模塊的線圈中感應出電壓和電流，給輪胎內測量發射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統。

　　3.2 方案設計

　　一般情況下，胎內測量模塊由低頻耦合天線(大面積的線圈)、專用微型芯片和高頻發射天線組成。低頻耦合天線從交變磁場中獲得工作所需的能量，專用芯片負責測量壓力和將壓力信息轉化為RF信號，高頻發射天線將RF信號發射到空間。

　　閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅動電路、低頻天線、高頻接收天線。控制器通過低頻天線向空間發射出供胎內測量電路使用的電磁波，發射磁場的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的輪胎內測量模塊低頻耦合天線線圈，通過感應，在低頻耦合天線線圈上產生一個電壓Ui，將其整流后作為胎內測量接收模塊的電源。變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合，閱讀器的天線線圈與胎內測量模塊的低頻耦合天線線圈之間的功率傳輸效率與工作頻率f、應答器線圈的匝數n，被應答器線圈包圍的面積A、兩個線圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。胎內測量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調制到RF信號發射出來，閱讀器的高頻接收天線接收到RF 信號后，接收器將RF信號解調后將壓力信號傳給控制器，控制器將壓力信號通過人機界面告知車主。

　　3.3 難點和解決思路

　　電感耦合系統的效率不高，所以一般適用于低電流電路，作用距離短，一般只有幾十厘米。提供能量有限，所以模塊中的傳感器電路的設計就很重要。其關鍵是：① 芯片的設計要效率高，能在低電流的情況下完成測量和發射的任務;②微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產生，所以閱讀器的設計要提供足夠的磁場強度。

　　4 直接胎壓監控系統設計與分析

　　本文設計了一種直接式TPMS，其原理如圖1所示。該系統由兩部分組成，輪胎模塊和車載接收模塊。其中，輪胎模塊包括壓力和溫度傳感器、A/D變換器、控制器及射頻發射器等，如圖2所示。車載接收模塊包括了射頻接收器、控制器以及顯示報警裝置等，如圖3所示。