劉奇元, 何哲明, 曾 斌

(湖南文理學(xué)院 機械工程學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的無線控制策略

劉奇元, 何哲明, 曾 斌

(湖南文理學(xué)院 機械工程學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

在汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)設(shè)計中, 無線控制策略是其設(shè)計中的重點. 結(jié)合當(dāng)前TPMS 無線控制策略的實現(xiàn)方案，提出： 采用斷續(xù)發(fā)射方式使系統(tǒng)在能耗上更節(jié)省; 運用環(huán)路天線和聲表面波濾波器來有效克服干擾，提高系統(tǒng)的可靠性能. 測試中，系統(tǒng)發(fā)射模塊功耗10 μW·s，若用鋰電池全天候工作可運行2.5年，能滿足實際需要.

TPMS；汽車；輪胎；無線控制

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System,簡稱TPMS)就是用于在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全.

目前，TPMS主要分為2種類型[1]：一種是間接式TPMS，一種是直接式TPMS. 間接式TPMS主要是通過防抱死制動系統(tǒng)(ABS)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的.但這種類型存在許多的缺陷：如果有同軸、同側(cè)或2個以上輪胎缺氣的情況下，系統(tǒng)無法顯示；要求汽車所有輪胎型號必須相同；只有在汽車行駛時(即有車輪轉(zhuǎn)速信號時)才能對氣壓進行監(jiān)測；當(dāng)車速超過100 km/h時，監(jiān)測將失效；汽車在不平坦路面特別是沙地、濕滑路面行駛時，系統(tǒng)無法正常工作. 直接式TPMS系統(tǒng)則是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線發(fā)射模塊將信號發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上. 這樣可有效實時地檢測各個輪胎中的氣壓情況，同時可避免誤判.

TPMS市場目前的主角是直接式TPMS. 而在當(dāng)前的設(shè)計完善直接式TPMS性能功效的過程中，工程師需要克服的主要設(shè)計難題包括系統(tǒng)的無線控制策略、電源管理策略、傳感通信兼容策略、系統(tǒng)壽命成本策略等. 這些設(shè)計策略的實現(xiàn)將會極大地促進TPMS技術(shù)的發(fā)展. 本文僅從系統(tǒng)的無線控制策略入手，分析當(dāng)前TPMS無線控制策略的實現(xiàn)方案，并就無線控制策略過程中遇到的問題提出可行的解決方案.

1 TPMS無線控制實現(xiàn)方案

TPMS無線控制實現(xiàn)方案原理如圖1所示. 系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、胎內(nèi)微控制器、發(fā)射器、接收器、車內(nèi)中央處理單元、報警顯示單元等幾大部分. 系統(tǒng)在每個輪胎中安裝壓力傳感器，傳感器測出輪胎壓力信號并轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號調(diào)制、信源編碼等處理，由發(fā)射器以一定的頻率發(fā)送出去. 汽車駕駛室中安裝接收器和微處理器，接收器接收由發(fā)射器發(fā)送的射頻信號并傳送到微控制器進行數(shù)據(jù)處理. 如果出現(xiàn)異常，指示燈和液晶顯示器就會顯示報警. 當(dāng)前TPMS主要有基于MPXY8020A、SP12和NPX三種無線控制實現(xiàn)方案.

圖1 TPMS系統(tǒng)原理圖

1.1 基于MPXY8020A的無線控制實現(xiàn)方案

該無線控制實現(xiàn)方案中輪胎中的傳感器采用飛思卡爾公司的MPXY8020A，其引腳圖[2]如圖2所示. DATA、CLK引腳用于數(shù)據(jù)串行交換，OUT引腳接收數(shù)據(jù)，RST為復(fù)位引腳，VDD、VSS是正負電源. 傳感器內(nèi)部集成有一個可變電容的壓力感應(yīng)元件、一個溫度感應(yīng)元件和一個有喚醒功能的內(nèi)部電路, 并采用SSOP超小型封裝. 傳感器將測量的輪胎壓力、溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送到取樣電容中，這個取樣電容由一個帶門限調(diào)節(jié)的電壓比較器監(jiān)控. 當(dāng)門限電壓小于取樣電容電壓時輸出高電平，當(dāng)門限電壓大于或等于取樣電容電壓時則輸出低電平.

圖2 MPX Y8020A引腳圖

在這種基于MPXY8020A的無線控制實現(xiàn)方案中，胎內(nèi)微控制器與發(fā)射器采用MC68HC908RF2、接收器采用MC33594、車內(nèi)中央處理單元采用MC68HC908GT8. 發(fā)射芯片與傳感器的連接簡圖如圖3所示. 軟件方面采用斷續(xù)發(fā)射方式降低系統(tǒng)功耗. 這種系統(tǒng)的可靠性比較好，集成度高，系統(tǒng)能耗低.

圖3 MC68HC908RF2與MPXY8020A的連接簡圖

1.2 基于SP12的無線控制實現(xiàn)方案

基于SP12的無線控制實現(xiàn)方案[3]中，輪胎檢測模塊由英飛凌公司生產(chǎn)的SP12傳感器模塊組成.這種面向TPMS應(yīng)用的SP12傳感器整合了硅顯微機械加工的壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個電池電壓監(jiān)測器，提供四合一傳感功能，并配有一個能完成測量、信號補償與調(diào)整及SPI串行通信接口的CMOS大規(guī)模集成電路. 系統(tǒng)的發(fā)送控制單元為PIC16F684，射頻發(fā)送芯片為nRF2401A，發(fā)送模塊如圖4所示. SP12在控制單元PIC16F684的控制下測量車胎的壓力和溫度值，并以數(shù)字量形式輸出，再經(jīng)過PIC16F684打包后通過nRF2401A發(fā)射出去. 同時, 單片機也通過nRF2401A接收主機發(fā)來的指令，完成相應(yīng)的控制或參數(shù)配置任務(wù). 該實現(xiàn)方案功耗低，組件數(shù)量少，成本低.

圖4 基于SP12的TPMS發(fā)送模塊示意圖

1.3 基于NPX的無線控制實現(xiàn)方案

NPX芯片[4]是GE公司開發(fā)的TPMS傳感器產(chǎn)品，該芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及1個8位RISC微處理器，具有4 kB的用戶可編程空間、4 kB的定制ROM, 以及一個2D的LF輸入級. 各類傳感器的信號經(jīng)12位ADC轉(zhuǎn)換后, 提供給用戶和系統(tǒng)進行進一步的處理. 在4 kB的定制ROM中,固化了壓力、溫度和電壓測量、補償和校準(zhǔn)程序, 以及其他實用的子程序, 用戶可省去繁瑣的運算編程,只需簡單調(diào)用即可獲得需要的狀態(tài)值. 基于NPX的TPMS無線控制實現(xiàn)方案的發(fā)射模塊示意圖如圖5示，發(fā)射器采用高集成度芯片PCH7900，接收芯片采用MAX1473. 該系統(tǒng)所需電流低，接收靈敏度較高，穩(wěn)定性好.

圖5 基于NPX的TPMS發(fā)送模塊示意圖

2 TPMS無線控制策略的關(guān)鍵實現(xiàn)

TPMS無線控制策略的最終實現(xiàn)目的是保證輪胎壓力傳感器檢測的數(shù)據(jù)能在盡可能低耗的情況下及時可靠地進行傳送. 但從傳感器、發(fā)射模塊、信息處理模塊到接收模塊，其間許多的因素都影響著該目的的充分實現(xiàn). 本文就設(shè)計中的幾個關(guān)鍵要點的實現(xiàn)提出可行的解決方案.

2.1 發(fā)射方式的選擇

盡量降低功耗是設(shè)計TPMS中的一大要求. 系統(tǒng)中最大的功耗在于無線發(fā)射過程，所以在降低功耗過程中，優(yōu)化TPMS的發(fā)射程序算法比尋求新的能源供應(yīng)更方便. 在設(shè)計中，采用斷續(xù)發(fā)射方式，這樣比連續(xù)發(fā)射方式更節(jié)省能耗. 發(fā)射芯片檢測傳感器壓力信號，在正常范圍內(nèi)每隔30 s發(fā)送一次，若超出設(shè)定的最低或最高值，則啟動快速發(fā)射模式，每隔1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù). 同時接收模塊啟動指示燈亮，蜂鳴器發(fā)聲報警. 以基于MPXY8020A的無線控制實現(xiàn)方案說明，安裝在輪胎內(nèi)部的無線發(fā)射模塊MC68HC908RF2當(dāng)其處于發(fā)送狀態(tài)時，最大發(fā)送電流16 mA，待機狀態(tài)時僅為3 μA. 由于正常時每隔30 s發(fā)送一次，測定值超出范圍時每隔1 s發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)射模塊每秒的功耗10 μW·s. 鋰電池CR2032標(biāo)準(zhǔn)容量為220 mAh，按全天候工作，可運行2.5年；按一天12 h工作，則可運行5年. 正常情況下，每輛車的輪胎壽命在10～15萬km之間，最多3～5年就會發(fā)生不同程度的老化、龜裂等現(xiàn)象.因此，嵌入在輪胎中的TPMS發(fā)射模塊在輪胎的有效工作期間內(nèi)，完全可以滿足實際需要.

2.2 天線的選取與設(shè)計

對于天線，設(shè)計中采用環(huán)路天線，這種天線相對常規(guī)的接地天線帶寬更寬更有效. 環(huán)路天線被印刷在電路板上，設(shè)計時進行對稱設(shè)計，同時還需考慮與外界環(huán)境的適當(dāng)匹配以獲得最佳效率. 比如可以沿著環(huán)形天線的導(dǎo)體串聯(lián)調(diào)諧電容器，這樣環(huán)形天線被分解為環(huán)路段，根據(jù)所需性能的標(biāo)準(zhǔn)每個段可以具有或不具有串聯(lián)的電容器，電容器的電抗可有效抵消在相應(yīng)串聯(lián)電容器之前的環(huán)路段的部分感抗. 如此，可有效地減小環(huán)路天線的電抗性電壓，進而有效地提升TPMS中的無線通信質(zhì)量

2.3 相應(yīng)元件的布置與接地

由于TPMS是工作于高速旋轉(zhuǎn)輪胎上的無線收發(fā)系統(tǒng)，輪胎、車體都將對無線電的傳送有一定的干擾、衰減作用. 所以，在實際系統(tǒng)安裝過程中，發(fā)射模塊應(yīng)盡量避免靠近金屬，否則影響天線的數(shù)據(jù)傳送；發(fā)射時鐘輸出應(yīng)遠離晶體輸入，并且所有晶體跡線長度應(yīng)盡可能短；各元器件安裝時應(yīng)緊靠發(fā)射處理芯片周圍，接地面保證元件充分的接地；射頻和集成電路接地應(yīng)彼此分開；所有匹配的元件彼此應(yīng)盡量正交放置在接地平面上，且它們的并聯(lián)匹配元件最好都彼此分離；車內(nèi)接收器安裝時盡量遠離其它高功率電子設(shè)備和金屬物體，以免影響接收效果.

2.4 接收器干擾的克服

對TPMS而言，外界干擾不可避免，嚴重時可能會導(dǎo)致接收器數(shù)據(jù)的堵塞.

在天線和低噪音放大器入口之間設(shè)計一個聲表面波濾波器，可有效克服干擾信號造成接收器堵塞的問題. 設(shè)計聲表面波濾波器時，需考慮其功率與輸入側(cè)天線和輸出側(cè)低噪音放大器相匹配，這樣即可獲得扁平通帶、低插入損耗和良好的抑制效應(yīng).

3 結(jié)束語

在TPMS設(shè)計中，無線控制策略是其設(shè)計中的重點. 保證輪胎溫度壓力傳感器檢測的數(shù)據(jù)能在盡可能低耗的情況下及時可靠地進行傳送，是TPMS無線控制策略的最終實現(xiàn)目的.

本文總結(jié)了TPMS中無線控制策略基于MPXY8020A、基于SP12、基于NPX實現(xiàn)的3種主要設(shè)計方案. 對于TPMS無線控制策略中的一些關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容，提出了可行的解決方案，比如在發(fā)射方式中采用斷續(xù)發(fā)射方式，這樣比連續(xù)發(fā)射方式在能耗上更節(jié)??；在天線的選取上采用環(huán)路天線，這種天線相對常規(guī)的接地天線可靠性更高；在天線和低噪音放大器入口之間設(shè)計一個聲表面波濾波器，可有效克服干擾信號造成接收器堵塞的問題等. 無線控制策略的有效實現(xiàn)，將會極大地促進TPMS技術(shù)的發(fā)展，使汽車的行駛更安全.

[1] 李威, 尹術(shù)飛. TPMS無源化發(fā)展方向研究[J]. 上海汽車, 2006(2)： 39-42.

[2] 劉奇元, 車曉毅, 何哲明. 基于無線技術(shù)的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版, 2010, 22(6)： 729-733.

[3] 李珊. 基于SP12的汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子元器件應(yīng)用, 2008, 10(3)： 83-85.

[4] 王青云, 陳瑞. NPXⅠ智能傳感器的TPMS系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2008(9)： 38-40.

Wireless control strategy about tire pressure monitoring system

LIU Qi-yuan, HE Zhe-ming, ZENG Bin
(College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

In the tire pressure monitoring system (TPMS) design, wireless control strategy is the design stress. In this paper, the wireless control strategies based on the current TPMS were summarized. Then the intermittent launch manner was adopted to reduce power consumption and the loop antenna and SAW filter were utilized to effectively overcome the interference and increase system reliability. In the test, the system energy consumption was so low that the transmitter module consumed 10 μWs, thus the lithium battery can work around the clock for 2.5 years to meet the practical needs.

TPMS; automobile; tire; wireless control

U 463.6；U 463.341

：A

1672-6146(2010)04-0078-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.021

2010-08-19

湖南省“十一五”重點建設(shè)學(xué)科(機械設(shè)計及理論)資助(XJT2006180)；湖南文理學(xué)院優(yōu)秀青年專項科研課題(QNYX0804)

劉奇元(1980-), 男, 講師, 碩士研究生, 主要從事機電控制系統(tǒng)及檢測方面的研究.