胎压监测系统(TPMS)技术与设计考虑

上网时间: 2006年10月01日? 作者:胡云发,陈毅豪,林俏伽? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:TPMS? 传感器? 无线?

TPMS对于提高汽车安全性有举足轻重的影响,轮胎是汽车和路面唯一直接接触的部分。轮胎过于膨胀或处于充气不足状态都会影响汽车安全性。有很多车祸都因轮胎出现状况而导致的。美国高速公路安全协会(NHTSA)也因此立法强制实施TPMS。

各种TPMS 系统技术和市场状况

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图1:间接TPMS的监测原理

目前TPMS主要有三种实现方式:直接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。

现在的间接TPMS是与车辆的防抱死系统(ABS)一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个轮胎的气压减小时,滚动半径就减小,而车轮的旋转速度就相应地加快。

这个比率可用下列等式来表达(见公式1)。

胎压监测系统(TPMS)技术与设计考虑_ESMCOL_2

如果这个比率偏离设定的公差,一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后,指示灯会提示司机,有一个轮胎处于低压状态。但是,间接TPMS有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二,当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时,它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三,如果所有四个轮胎都处于低压状态,该系统不会发现这一故障。另外,气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说,69kPa (~10 psi)的压降只会使直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则(Final Ruling)所规定的25%原则,采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。

直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后,这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析,分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同,它可以显示每个轮胎的实际气压,甚至还包括备用轮胎的气压。因此,直接TPMS可以连接至显示器,告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接TPMS可直接测量每个轮胎的气压,因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时,它们都会检测出这种状态,当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到7 kPa (~1.0 psi)的压降。

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表2:TPMS类型

为满足多轮压力检测要求,常规的间接TPMS需要在系统中安装两个额外的胎压传感器和一个射频接收器。胎压传感器要安装在车轮上,两个传感器呈对角安装。由于系统安装了直接气压传感器,混合TPMS能够克服常规直接TPMS的局限性,它们能够检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎,当所有4个轮胎都处于低压状态时,系统也可以检测到故障。但是,和间接系统相似,当两个呈对角的轮胎(不带直接气压传感器)都处于低压状态时,系统只能检测到一个轮胎充气不足。

混合TPMS可以降低系统成本,但在系统可靠性和灵活性方面还不够理想。并且它不能全部定位欠压轮胎。

随着技术的发展,直接TPMS系统已逐渐演变为3个主要系统类型,即主流型(低/中端)、带有自动定位功能的高端TPMS和结合ESP/ABS的TPMS系统。下表对各种系统类型进行概述:

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图2:英飞凌的下一代TPMS传感器SP35框图

情景1:TPMS配ABS/ESP——间接系统

许多OEM都从间接系统转向了直接系统,因为直接系统的总体成本降低了。间接系统有太多的技术局限性,并且要求非常严格的场地测试。由于间接系统在美国市场遭受了太多的索赔,所以通常仅限于欧洲使用。因此,其市场份额不足10%。

情景2:主流(低/中端)TPMS——直接系统

受美国立法的推动,覆盖低/中端细分市场的主流TPMS的市场份额到2011年将超过50%。但是TPMS预计在欧洲、亚太地区和日本市场规模会很小,这是由于额外的系统成本和公众对TPMS认知不足造成的。另外,TPMS系统通常是作为高端车型的选件提供,增装的需求仍然很低,因为一般的车主对TPMS还不熟悉。

主流系统的主要推动因素是价格。OEM需要一个能够满足美国高速公路安全协会(NHTSA)的各项要求,但不至导致低/中端车型的价格增加太多的TPMS的系统。主流系统的基本功能可以满足NHTSA的各项要求,但是目前的状况是每个OEM都有自己的TPMS系统,它并不是一个商品市场。

情景3:高端TPMS(自动定位)——直接系统

高端TPMS是指将轮胎的自动定位功能集成于直接TPMS系统。轮胎的自动定位功能是指识别和区别4个轮胎发送的信息。在这种情况下,比如,右前轮的气压,无需任何人为操作,即可被正确识别并显示出来。

如今的系统主要是在翼板中安装低频发射器天线来进行定位。有四个低频发射器模块用电线连接中央接收器模块至翼板。中央接收器模块将信号发送至这些低频模块以触发特定的车轮模块,比如右前轮。在这种情况下,只有右前轮的车轮模块(而不是其余的车轮模块)会反馈信息。将来,两轴G传感器将被用于实现轮胎的自动定位功能。预计到2011年,高端TPMS系统的市场份额将达到30%。该系统也将成为未来TPMS/ESP集成的基础(见情景4的描述)。

情景4:ESP/ABS和TPMS的结合——直接系统

该系统是未来的发展方向。在该系统中,TPMS系统将轮胎的附加信息提供给ESP系统,如重力、轮胎气压和温度、路况和轮胎类型等。这是未来高级ESP系统的发展趋势。这种系统需要具备多轴重力测量和自动定位功能,此外还需要采用低频或“能量获得”技术的无电池式系统。该类系统将于2008年首次引入高端汽车(基于低频系统)。预计到2011年,其市场份额将达到10%。

TPMS的要求和设计挑战

TPMS系统的要求有:低功耗、在恶劣环境下高度运行的可靠性、较小的压力传感器误差容限以及更长的工作寿命等。为实现10年使用寿命这一目标,必须使用低功耗集成化部件。电源管理因此成为首要的挑战。

在设计一个运行稳定、功效高的系统时,需要考虑的第一个因素就是软件。因为车轮模块通常是用微控制器来执行命令的,所以应采用一种智能化算法实现预期的功效。例如,每次都要将一个完整的 8-bit参数传输到接收器吗?或者,传输一个 1-bit参数低压报警信号是否更加有效?多长时间测量一次胎压?系统总是测量所有参数,还是对一个参数的测量次数比其它参数多?应由车轮模块执行参数计算还是接收器来执行?软件工程师在设计TPMS系统时必须考虑这些问题。

其次,使用低频功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低频接口时,感应模块可以始终处于电源关闭模式,这样功耗最低。只有在收到唤醒信号后,传感器才会进行测量和数据传输。除了降低功耗以外,低频接口还具备设计灵活性和其他一些优势。例如,低频通讯可使系统通过低频接口向微控制器发送特定命令,以对轮胎进行重新校准和定位。

第三种降低功耗的方法是使用滚动开关来检测轮胎是静止的还是运行的。因此,运算可通过如下方式进行——只有当车辆运行时,才进行相应的检测和/或传输。

一些TPMS传感器(比如SP30)集成了加速度计,该加速度计是一种检测车轮旋转的高G传感器。因此,应用软件可以用这种方法编写——即当加速度计的读数低于某一水平时,表明车辆是静止的或者非常缓慢地行驶着,此时,TPMS可停止运行或以很低的频率运行。一般的车辆在公路上行驶的平均时间大约为15%。考虑到这一点,这种设计方案可以大幅度降低TPMS的功耗。

最后,通过选择低功耗元件并通过使用具有集成功能的元件来尽可能减少元件数量,可获得更高功率效率并降低系统总成本。

TPMS系统设计中还有一个非常重要的方面是传感器的介质兼容性。传感器的精确性和可靠性在很大程度上受外部介质的影响,如潮湿、灰尘和其它物质如制动液等。英飞凌的TPMS传感器SP30采用夹层工艺,由夹在两个玻璃层之间的单硅晶组成。传感器元件具备卓越的介质兼容性,因为其气压入口朝向硅膜片的背面。同时,芯片的封装方式也会影响传感器的性能。

英飞凌的SP30 TPMS传感器几年之前已进入批量生产,迄今为止已销售了数百万套。随着市场不断要求更高的集成度和更低的系统成本,英飞凌将在2007年向亚太市场推出下一代产品SP35。SP35将集成车轮模块所需的感应功能和发射功能。这就意味着,MCU、传感器和射频发射器都被封装在一起。与现有的SP30加外部射频发射器集成电路(IC)解决方案相比,SP35系统解决方案将减少一个组件。

SP35集成了气压传感器、加速度传感器、温度传感器、搭载片上闪存的8051微处理器、低频接收器接口以及315/433/868/915MHz射频发射器。除减少组件数量外,它还可以降低系统总体成本,因为板卡设计更加简单,尺寸更小。

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图3:英飞凌的TDA5210超高频(UHF)接收器的框图

另外一项重要的设计挑战来自于无线控制,第一代TPMS发送器的设计采用SAW共振器的ASK调制技术来产生适当的发射频率。该ASK系统虽然非常廉价,但却容易受到由于车轮(发送器安装在其上)旋转所导致的接收场强变化的影响。出于这一原因,现在的TPMS都采用基于晶体振荡器的FSK调制方法和PLL合成器来产生中心频率和频率牵引。在许多OEM应用中,即使是在车轮高速旋转时,FSK都具备可靠的射频通讯功能。

英飞凌的超高频(UHF)发射器TDK51xxF系列设计用于315MHz、434MHz、868MHz和915 MHz等频段,可同时支持 ASK调制和FSK调制。该产品系列具备一个完全集成的锁相环(PLL)合成器和一个高效功率放大器以驱动环路天线。其典型功耗为7mA(当电阻为50Ohm,射频输出功率为5dBm时),该设备可在-40°C到+125°C的汽车运行温度范围内运行。

英飞凌还提供用于不同频段的各种接收器芯片,集成了各种功能,这样系统设计人员就可使用最少的元件,从而降低系统成本。在FSK调制模式下当接收频率为434MHz时,低达3.9-7.5mA的工作电流,以及高达-100dBm的敏感度。(测定条件:FSK频偏为+/-50kHz,误码率为2xE-3比特误差率,曼彻斯特编码方式,数据率为4KHz,中频带宽为280KHz)。

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图4:采用FSKDTA和ASKDTA进行FSK调制的功率模式示例(没有连接PDWN)

无线控制设计考虑因素

采用英飞凌TDK51xxF发射器时需要考虑以下因素:

(1). 天线选择和匹配网络。模拟和测试已经证明,与常规的接地天线相比,环路天线更加有效并且带宽更宽。环路天线通常被印刷在电路板上,并且要适当匹配才能获得最佳效率。但是,有几个常见的外界因素会影响天线的性能和阻抗,如手效应——会改变自由空间(?0)和金属物体附近的介电常数,而且这些因素对于获得准确的测量结果来说是至关重要的,并且必须被考虑在内。这被证明是TPMS系统设计者所面临的一大挑战,因为天线必须在尽可能多的实时影响因素同时出现的情况下进行测量,即要同时调整天线电阻网以及安装在边框上或靠近底部的发射器模块。

(2). 功率模式。在电源关闭模式下,整个芯片是不通电的,电流消耗一般为0.3nA。通过将FSKDTA切换到HIGH(因为未连接PWDWN)可以进入PLL激活模式。在这期间,PLL接通电源,但功率放大器关闭,以便在PLL需要稳定时避免不必要的功率辐射。

采用FSKDTA和ASKDTA进行FSK调制的功率模式示例(没有连接PDWN)

PLL的导通时间主要由晶体振荡器的导通时间决定,当使用规定的晶体时,导通时间小于1 msec。PLL本身需要大约10?s的时间锁定。在PLL启用期间,电流消耗一般为3.5 mA。TDK51xxF上的功率放大器由ASKDTA接通至HIGH位置。在此期间,FSKDTA可以发送。当将适当的变换网络应用于PAOUT时,集成电路的电流消耗一般为7mA。

(3). 晶体部分。发射器晶体板应被屏蔽和接地,并且远离天线,以避免来自功率输出的干扰。同样的原理,发射时钟输出应远离晶体输入,并且所有晶体迹线长度应尽可能短。

(4). 电路板接地。在电路下面进行牢固的接地是很重要的,射频和集成电路(IC)接地应彼此分开。

(5.) 匹配元件布置。所有匹配的元件彼此应尽量正交放置在接地平面上,如果可能的话,它们的并联匹配元件都应彼此分离。

(6). 天线设计部分。天线应总是放置在“自由空间”(无交流电源接地)内并且应使天线与接地层的距离至少为5mm。如果使用环路天线,必须进行对称设计。

(7). 去耦合电容布置。去耦合电容必须尽可能靠近Vs和地。

英飞凌的TDA52xx是一种专门用于短程遥控的单片接收器。超外差接收器(SHR)的基本结构由低噪声放大器(LNA)和前端的混频器构成,IC进行了高度集成并且只需很少的外部元件。该器件包括一个低噪放大器(LAN)、双平衡混频器、完全集成的压控振荡器(VCO)、PLL合成器、晶体振荡器、带RSSI发生器的限幅器、PLL FSK解调器、数据滤波器、数据比较器(分割器)和峰值检波器等。此外,该器件还具备断电功能以延长电池工作时间。采用英飞凌TDA52xx接收器需要考虑以下因素。

(1). 用SAW滤波器克服外界干扰。为提高选择性和镜频抑制比,可在天线和LAN入口之间放置一个SAW前端滤波器。这样即可有效克服带外干扰信号造成接收器堵塞的问题。窄带前端SAW滤波器的功率,必须与输入侧的天线和位于输出侧的LNA相匹配,以获得扁平通带、低插入损耗和良好的抑制效应。所有的PCB迹线都要尽可能短,以最小化寄生作用。一般而言,由SAW滤波器供应商推荐的输入和输出匹配元件的值可以作为一个很好的参考指南。

(2). 提高接收器的灵敏度。有很多可能影响到接收器灵敏度的因素,我们可以对每个因素进行调节以使接收器的灵敏度最优化。为获得更好的灵敏度和接收器性能,从前端匹配、LNA/Mixer电路、中频滤波器和晶频、到数据滤波器和数据分割器都要进行仔细调节。

结论

TPMS市场目前的主角是采用电池的直接系统。无电池直接系统可能于2008年与ESP系统一道面向高端汽车推出。预计到2011年,这种系统的销量将达到1.69亿套,其后5年之内的年均增长率将达到29%。元件的正确选择、电源管理、介质兼容性、系统成本和射频设计都是工程师在设计直接TPMS时需要克服的主要设计难题,这些因素对于商业成功至关重要。

作者:
胡云发,陈毅豪,林俏伽
英飞凌科技亚太有限公司


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