TPMS的產(chǎn)品分類及技術(shù)
1、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為間接式TPMS和直接式TPMS。間接式TPMS是在汽車的ABS上進(jìn)行軟件修改，通過比較輪胎的轉(zhuǎn)速（缺氣的輪胎轉(zhuǎn)速比正常輪胎轉(zhuǎn)速要快），來實(shí)現(xiàn)。間接式TPMS產(chǎn)品缺陷：A、同軸或2個(gè)以上輪胎缺氣無法顯示。B、時(shí)速100km/h以上時(shí)失效。
2、直接式（輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）有4大核心(瓶頸）技術(shù)：
A、無線信號(hào)傳輸?shù)姆�(wěn)定性和可靠性（特別是高速行使時(shí)的信號(hào)傳輸）
B、傳感器的使用壽命（免維護(hù)使用）
C、報(bào)警提示的準(zhǔn)確性（無誤報(bào)警、錯(cuò)報(bào)警）
D、傳感器的耐壓性
3、從汽車發(fā)展的100年歷史來看，爆胎一直是一個(gè)世界性的難題。輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做為有效預(yù)防汽車爆胎的安全產(chǎn)品，也和安全氣囊、ABS一樣被汽車作為標(biāo)準(zhǔn)安全配置，廣泛使用。
隨著高速公路的發(fā)展、汽車速度的加快及美聯(lián)邦立法的推動(dòng)，輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日益被重視。從目前來看輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因?yàn)閮r(jià)格因素，在中低檔車輛上的使用還不廣泛。隨著新技術(shù)的應(yīng)用、量產(chǎn)化提高、競爭加劇，輪胎智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)像電腦和手機(jī)一樣從“貴族”走向“尋常百姓”。
對(duì)輪胎進(jìn)行正確充氣十分必要。這一問題引起了人們的極度重視。所有人都還記得2000年曾出現(xiàn)過美國廠商收回輪胎和汽車的現(xiàn)象，回收的原因是出現(xiàn)了大量的爆胎和翻車事故。大量數(shù)據(jù)表明，對(duì)輪胎正確充氣會(huì)大大降低爆胎的可能性。正是由于這樣一個(gè)事實(shí)，美國前總統(tǒng)克林頓當(dāng)年簽署了有關(guān)加強(qiáng)運(yùn)輸設(shè)備收回、責(zé)任確定和文件記錄(TREAD)法案。在此法案基礎(chǔ)上，不久又出臺(tái)了美國運(yùn)輸部 (DOT) 國家公路交通安全管理委員會(huì) (NHTSA) 法規(guī)。
根據(jù)NHTSA官方網(wǎng)站上公布的"最后法規(guī)"，2003年11月到2006年10月31日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入TPMS。在引入系統(tǒng)的過渡階段，NHTSA批準(zhǔn)了2種"標(biāo)準(zhǔn)備用系統(tǒng)"。這兩種備用系統(tǒng)分別稱為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。
直接TPMS：要求在每個(gè)輪胎內(nèi)使用壓力傳感器，并安裝無線發(fā)射器，用于將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到中央接收器模塊上的系統(tǒng)。
間接TPMS：要求使用車輛防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統(tǒng)。ABS通過車速傳感器來確定車輪是否抱死，從而決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)。對(duì)于在4個(gè)輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統(tǒng)來說，此類軟件的升級(jí)可以用于監(jiān)測(cè)車速的變化，輪胎壓力變低也會(huì)導(dǎo)致車速發(fā)生變化。當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的重量會(huì)使輪胎直徑變小，這反過來會(huì)導(dǎo)致車速發(fā)生變化。經(jīng)過正確計(jì)算，這種車速變化可用于觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)來向司機(jī)發(fā)出警告。
每個(gè)系統(tǒng)都有自己的優(yōu)點(diǎn)。直接系統(tǒng)可以提供更高級(jí)的功能，使用直接系統(tǒng)，可以隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際瞬壓，很容易確定故障輪胎。間接系統(tǒng)相對(duì)便宜，使用間接系統(tǒng)，已經(jīng)裝備了4輪ABS (每個(gè)輪胎裝備1個(gè)輪速傳感器)的汽車只需對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)。但是，目前這類系統(tǒng)沒有直接系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，它根本不能確定故障輪胎，而且系統(tǒng)校準(zhǔn)極其復(fù)雜。此外，在某些情況下此類系統(tǒng)會(huì)無法正常工作：例如同一車軸的2個(gè)輪胎氣壓都低。
還有一種復(fù)合式TPMS，它兼有每個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合式系統(tǒng)在兩個(gè)互相成對(duì)角的輪胎內(nèi)裝備直接傳感器，并裝備一個(gè)4輪間接系統(tǒng)。與全部使用直接系統(tǒng)相比，這種復(fù)合式系統(tǒng)可以降低成本，克服間接系統(tǒng)不能檢測(cè)出多個(gè)輪胎同時(shí)出現(xiàn)氣壓過低的缺點(diǎn)。但是，它仍然不能提供所有4個(gè)輪胎內(nèi)實(shí)際壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，只有直接系統(tǒng)才具備這種功能。
很明顯，直接傳感系統(tǒng)更有效�；谶@樣一種觀點(diǎn)，有人可能預(yù)測(cè)當(dāng)NHTSA在2005年修改TPMS法規(guī)時(shí)，會(huì)使用直接傳感系統(tǒng)全部取代過渡期間的間接系統(tǒng)。如果情況屬實(shí)，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)巨大的TPMS硬件市場(chǎng)。另一種可能性是，NHTSA要求要么全部使用直接系統(tǒng)，要么使用復(fù)合系統(tǒng)，全部淘汰間接系統(tǒng)。不論采用哪一種方式，都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的直接TPMS市場(chǎng)。
直接輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組件
鑒于如此大的市場(chǎng)潛力，許多公司加緊推出直接TPMS解決方案。因?yàn)镹HTSA的要求目前只適用于輕型車輛，而不包括雙后橋車輛，所以客車和輕型卡車的發(fā)展空間最多。這樣一個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)或5個(gè)(取決于備胎是否裝備傳感器)輪胎模塊和一個(gè)中央接收器模塊。輪胎模塊由壓力傳感器、溫度傳感器 (需要考慮理想氣體定律 PV = nRT)、控制模塊(如ASIC或MCU)、發(fā)射器和天線、以及電池組成。也可以包括更多的外部系統(tǒng)， 如啟動(dòng)發(fā)射的低頻(LF)探測(cè)器(使模塊不僅僅作為發(fā)射器，還可以作為收發(fā)器使用)、慣性開關(guān)，或無內(nèi)置電池的電源等裝置。NHTSA并不要求這些功能，但它們可以使系統(tǒng)更加完善。 一個(gè)簡單的接收器模塊由一根中央天線、一個(gè)接收器IC和一個(gè)與車輛其余部分相連接的接口組成。通用接口包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)接口，該接口通常裝備在車輛的車身控制器內(nèi)。數(shù)據(jù)由車身控制器處理，當(dāng)輪胎壓力低時(shí)，它可以用來向司機(jī)提出警告。 許多公司正尋求在接收器模塊中提供更多的功能，以及像以LF信號(hào)啟動(dòng)格式向每個(gè)輪胎提供自動(dòng)輪胎定位(它可以在系統(tǒng)不進(jìn)行重新校準(zhǔn)的前提下檢測(cè)到輪胎是否轉(zhuǎn)動(dòng))、分布式天線等類功能，以使自己從市場(chǎng)中脫穎而出。如果使用正確的發(fā)射載波頻率和通信協(xié)議，接收器系統(tǒng)可以和遙控門鎖系統(tǒng)相集成。司機(jī)可以通過集成到儀表盤顯示器上的簡單"指示器"、集成了顯示器的后視鏡，或單獨(dú)安裝在儀表板上的屏幕等來了解各種數(shù)據(jù)。只要能夠向司機(jī)發(fā)出輪胎氣壓比正常壓力降低25%的警告，這些系統(tǒng)就都可以滿足NHTSA對(duì)直接TPMS提出的要求。
TPMS投產(chǎn)勢(shì)在必行，但考慮到投產(chǎn)前的時(shí)間太短，因此，許多公司都著手生產(chǎn)一種簡單的系統(tǒng)，它可以滿足NHTSA的要求。這一市場(chǎng)目前很窄，但在不久的將來會(huì)發(fā)展成為一個(gè)大規(guī)模市場(chǎng)。為了促進(jìn)快速的產(chǎn)品開發(fā)，我們提出了如下直接TPMS系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)簡單且組件成本也低，但卻符合NHTSA法規(guī)中的所有要求。最簡單的系統(tǒng)包括一個(gè)裝備在4個(gè)輪胎中的傳感器/發(fā)射器模塊和一個(gè)中央接收器。
輪胎模塊 ：硬件 傳感器是電容型MEMS壓力傳感器，專用于滿足TPMS在溫度和媒介兼容方面的要求。這是一個(gè)單體壓力和溫度傳感器，并具備電源管理和數(shù)字輸出功能。套件內(nèi)的媒介保護(hù)過濾器可以使其硅片免受環(huán)境影響。該系統(tǒng)有4種操作模式：待機(jī)模式 (耗電600 nA)、測(cè)定氣壓模式、測(cè)定溫度模式和輸出數(shù)據(jù)讀取模式。該設(shè)備要求控制器至少提供5個(gè)引腳：2個(gè)引腳用于控制其操作模式，2個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)串行交換，另外1個(gè)引腳用于接收數(shù)據(jù)。8020型還具有復(fù)位針，該針作為一個(gè)輸出端子，此端子大約每小時(shí)向控制器發(fā)送復(fù)位信號(hào)。控制器是在一個(gè)32針QFP封裝中結(jié)合8位Flash單片機(jī)和UHF發(fā)射器的器件。單片機(jī)連接傳感器，定期檢索氣壓和溫度數(shù)據(jù)。它還連接與其在一起的發(fā)射器，并根據(jù)所使用晶振的不同，用315或434MHz發(fā)送數(shù)據(jù)。
輪胎模塊：軟件 許多TPMS供應(yīng)商所采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是輪胎模塊為7-10年的使用壽命。因?yàn)檩喬ツK是由一塊鋰電池(鋰電池電容通常為200 - 300 mA-h)供電，因此需要高效率的算法。TPMS的軟件很簡單，只有3種主要功能：測(cè)量、處理數(shù)據(jù)和傳輸。算法的效率與時(shí)間相關(guān)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)員必須弄清以下問題：接收器是否顯示每個(gè)輪胎的氣壓，還是只顯示告警的低氣壓？輪胎模塊可以檢查出低氣壓閾值，其使用的能量要少于獲得完整的8位值所需的能量。 氣壓和溫度的測(cè)量頻率是多少？
是否需要對(duì)氣壓和溫度兩個(gè)參數(shù)都進(jìn)行測(cè)量，還是其中一個(gè)參數(shù)的測(cè)量頻率要高于另外一個(gè)？
是否需要溫度補(bǔ)償功能 (即，改變低壓告警閾值作為溫度的一個(gè)函數(shù))？若需要，是在輪胎端還是在接收器端部署？輪胎模塊執(zhí)行計(jì)算的次數(shù)越多，電池壽命越短。
數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率是多少?每個(gè)數(shù)據(jù)幀中有多少位?發(fā)射器要比其他任何部分更快地消耗電池能量，因此經(jīng)常傳輸較短的數(shù)據(jù)幀通常有助于延長電池壽命。氣壓降低會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？為確保在任何惡劣的環(huán)境下都能使數(shù)據(jù)到達(dá)接收器，輪胎模塊應(yīng)可多次發(fā)送告警信號(hào)。 在回答這些標(biāo)準(zhǔn)問題的基礎(chǔ)上，一種智能算法可以盡可能地避免多個(gè)輪胎模塊同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)沖突。為了避免由沖突造成的數(shù)據(jù)丟失，模塊應(yīng)在每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間，在隨機(jī)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，而不是一個(gè)數(shù)據(jù)幀。這將大大降低數(shù)據(jù)丟失的可能性，但也將縮短電池的使用壽命，并增加接收器軟件的復(fù)雜性。理想的折衷辦法是在雙方之間，每隔10 - 100 ms的間隔發(fā)送3-4個(gè)數(shù)據(jù)幀。除了這些標(biāo)準(zhǔn)問題外，供應(yīng)商還想提供其他更多功能以使自己從市場(chǎng)中脫穎而出，這些功能包括：自動(dòng)檢測(cè)、LF啟動(dòng)、包含備件的自動(dòng)輪胎定位，取消電池和其他功能。
接收器模塊 ：硬件 最簡單的接收機(jī)模塊含有一個(gè) UHF 接收器、一個(gè)中央天線、和一個(gè)與汽車其他部分連接的接口。這種 IC能夠接收并解調(diào) OOK或FSK調(diào)制的 Manchester編碼數(shù)據(jù)，同時(shí)通過一條串行外圍接口(SPI)總線將其發(fā)送出去。采用FSK調(diào)制，并支持?jǐn)?shù)據(jù)管理器(Manchester數(shù)據(jù)解碼器)(這是在TPMS中采用這種IC的最佳方法)，如果有匹配的天線，它的靈敏度是 -103 dBm 。 接收器所選的控制器與TPMS無關(guān)。接收機(jī)將它所接收的數(shù)據(jù)按順序發(fā)送，這樣任何控制器都可以接收、處理數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常情況時(shí)向司機(jī)告警。
接收機(jī)模塊：軟件
接收機(jī)IC 是高度集成的，通過一個(gè)MCU來控制，特別是當(dāng)MCU含有硬件SPI時(shí)，則更簡單。即使沒有硬件SPI，采用三個(gè)針可以非常容易地在軟件中實(shí)施這種同步協(xié)議。由于數(shù)據(jù)管理器支持，天線接收的Manchester編碼數(shù)據(jù)被解調(diào)、解碼，并轉(zhuǎn)換到SPI協(xié)議，它通過這個(gè)協(xié)議與控制器通信。數(shù)據(jù)管理器非常智能，可以去掉叫醒信號(hào)、開始碼和結(jié)束符(EOM)等數(shù)據(jù)幀，這樣控制它的軟件大大減少。它還有許多節(jié)能選項(xiàng)，即使汽車停很長時(shí)間，也不會(huì)消耗完一塊電池。由于每個(gè)輪胎模塊要發(fā)送相同格式的數(shù)據(jù)，接收機(jī)控制器能在收到全部數(shù)據(jù)幀后中斷，這樣它可以在大部分時(shí)間都處于低能耗睡眠狀態(tài)。
總結(jié)
要使NHTSA規(guī)則生效，時(shí)間太短促，因此我在此介紹了一種方法，列出了創(chuàng)建符合NHTSA的簡單TPMS的器件清單。這套系統(tǒng)的中心部件是壓力傳感器，它可以承受輪胎內(nèi)的惡劣環(huán)境。
這套系統(tǒng)很容易升級(jí)，供應(yīng)商可以提供更多功能。下面顯示的是一個(gè)簡單的演示系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)顯示的是最小TPMS，LED作為低壓報(bào)警器，串行端口接口與PC相連，PC記錄數(shù)據(jù)。這套系統(tǒng)已經(jīng)收集了過去幾個(gè)月的真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。
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