场强识别技术在TPMS自动定位中的应用

韩文斌，韩云霄，傅国峰，徐长武

（上海群英汽车电子有限公司，上海 201619）

1 TPMS系统原理和国内外定位技术介绍

1.1 TPMS系统原理

针对轿车的轮胎压力监测系统 （Tire Pressure Monitor System，简称TPMS）主要由4个发射模块和1个TPMS接收机组成。如图1所示，FL、FR、RL、RR四个发射模块安装在4个轮胎内，可以监测轮胎内的气压和温度等信息，并将发射模块的ID、气压、温度等信息通过射频信号发送出来；TPMS接收机安装在车上合适的位置，用于接收4个发射模块的射频信息，信息经过处理后得到对应轮胎的压力和温度信息，最后将4个轮胎的压力和温度信息通过CAN总线 （根据车辆总线设计可以选择其它通信方式）显示在汽车仪表上。当任意一个轮胎的压力异常时，系统能够及时报警。

1.2 国内外的定位技术介绍

在TPMS应用中，由于信号的无线传输是多点发射一点接收，接收机如何区分不同发射模块的信号并准确定位将是首要解决的问题。首先，每个发射模块都编有一个独特的ID，便于接收机区分。该ID一般由4个字节的十六进制数据构成，这样将有40多亿的不同发射模块，大大减少了发射模块重复的概率。其次，当TPMS各个模块在车辆上安装完毕，必须将车辆上4个发射模块对应ID学习进入车上的TPMS接收机后，接收机才能接收和显示正确位置的轮胎气压和温度信息。

在现代化的汽车制造和使用中，如何实现发射模块的ID学习和定位功能，一直是影响TPMS批量生产和售后维护的关键步骤。目前，国内外主要采用手动定位和自动定位2种方式。

1.2.1 手动定位

图2为国外比较常见的一种通过低频诊断工具手动实现ID学习的系统。该低频诊断工具为TPMS专用工具，它具有LF低频触发功能，发射125kHz的低频信号，可以近距离唤醒轮胎内的发射模块。通过该低频诊断工具依次唤醒各个轮胎的发射模块后，各个ID将会被保存在低频诊断工具中，最后由该工具通过有线传输的方式接入车辆的OBD端口，将ID学习进入TPMS接收机内，这样接收机就可以正确接收对应轮胎内的发射模块信号了。

与此类似的手动学习ID和定位的方式，还有低频工具触发或者放气触发的无线学习方法，即根据车辆使用说明书，将TPMS系统设置为学习状态，此时按照顺序依次对FL、FR、RR、RL进行低频诊断工具的触发或者对轮胎放气触发，每个被触发的轮胎内发射模块会即时发送高频信号出来，此时处于学习状态的TPMS接收机接收到学习状态的发射模块信号后，会将该发射模块的ID信息直接保存下来，从而避免了通过OBD端口有线学习的过程。

虽然手动学习和定位的方式比较复杂，且易于出错，但由于TPMS系统简单、成本低而普遍采用。使用该定位方式的车型有：别克 (Buick)的Lesabre、Luceme等；卡迪拉克 (Cadillac)的Escalade-ESV等；雪佛莱 (Chevrolet)的Trailblazer、Suburban、Corvette等。

1.2.2 自动定位

目前较常见的自动定位方式是采用4个低频天线的方法，如图3所示。将FL、FR、RL、RR四个低频天线安装在靠近轮胎的位置，由TPMS接收机启动低频驱动电路，并依次由各个低频天线发送低频唤醒信息给对应轮胎内的发射模块，发射模块再将自己的ID和压力等信息通过射频发送给接收机作为响应信号，由此构成低频触发和射频反馈的双向系统，TPMS接收机就可以自动实现轮流查询和定位功能。

这种学习ID和定位的功能，都是TPMS系统自动完成的。当需要进行轮胎内发射模块更换、轮胎换位时，客户不再需要额外的操作和学习定位过程，方便、简单，也无需专业人员和设备。但由于系统中有4个低频天线需要安装，低频天线和TPMS接收机之间还需要布线和通信，系统比较复杂，成本比较高，一般在某些高端车辆的设计中才会采用。例如宝马 （7系、5系、X5等）、 奥迪 （A8、A6等）、奔驰 （E class、S class等）等。

2 具有场强识别技术的TPMS接收机设计

本文所要介绍的场强识别技术，是指在TPMS系统中，安装在4个轮胎内的发射模块相对于TPMS接收机而言，处于不同的位置，由于高频信号传输路径和距离不同，每个发射模块发出的高频信号到达接收机的信号场强就有强弱之别，因此，如果TPMS接收机能够对每个发射模块的高频信号场强测量，那么就可以实现自动定位的功能了。

具有场强测量功能的接收机框图如图4所示。当射频信号经过低噪放大、混频、中频滤波后，对该信号进行采样，经过ADC转换后，将信号强度的数字信号送给处理器MCU，最后处理器MCU一方面得到射频信号解调后的数字信息，另一方面得到该信号的场强数据，实现场强测量功能。基于场强识别技术进行TPMS自动学习或者自动定位的车型有Chrysler(300C)、 Dodge(RAM Truck)、 Jeep(Grand Cherokee)等。

2.1 基于MC33596接收机的电路设计

MC33596是高集成度、多功能、高接收灵敏度的射频接收芯片，可编程的锁相环 （Phase Locked Loop，PLL）用于多频率的信号接收；信号强度指示电路 （Received Signal Strength Indicator， RSSI）用于射频信号强度测量；数据管理模块 （Data Manager，DM）用于对解调后的数字信号进行存储、编码、发送等处理。

图5为MC33596与MCU的接口电路。其中SEB、SCLK、MOSI、MISO是串行设备接口 （Serial，Peripheral Interface，SPI），通过此接口，MCU可以实现对MC33596的配置、寄存器数据的读取等功能；CONFB是从机选择线，当MCU将CONFB端口设置为低电平时，MCU为主机，MC33596为从机，此时MCU就可以对MC33596内部寄存器进行配置或读写；RSSIC用于对射频信号场强测试采样模式的控制，当RSSIC电平处于下降沿时，场强测试为单点测试 （Sample Mode），RSSI寄存器将保持该采样点的信号场强；当RSSIC保持高电平时，场强测试为连续测试 （Continuous Mode），RSSI寄存器的值将随着间隔式的连续采样而不断被更新。

该芯片对射频信号测量方式的特殊之处是根据信号强弱分段测量，当射频信号强度小于-50 dBm,RSSI采样来自中频滤波处，并将场强保存在RSSI场强寄存器的低半字节；当射频信号强度在-50~-20 dBm时，RSSI采样直接从低噪放大的输出得到，并将场强数据保存在RSSI场强寄存器的高半字节。由此看出，该RSSI得出的场强信号并不是线性的，而是对数放大后的强信号和弱信号的相对值，这样更容易实现场强的定位功能。

2.2 实现场强测量的接收机软件设计

图6为接收机软件流程。该接收机的软件设计主要有MC33596的配置流程、MCU接收数据的SPI中断流程。

当CONFB控制端为低电平时，MC33596处于内部寄存器配置模式，此时MCU为主机，MC33596为从机，通过SPI数据端口实现对MC33596内部寄存器的配置，包括对射频信号频率选择、信号调制方式设置、数据传输率设置、信号前导码设置、场强测试模块使能等。对MC33596配置完成后，设置其进入接收模式，此时MC33596将进入SPI的主机模式，MCU进入从机模式，等待SPI中断接收数据。

SPI中断发生后，MCU进入中断程序接收SPI数据，等待整个数据帧接收完毕并通过校验后，MCU再设置MC33596进入配置模式，从RSSI寄存器读取当前信号的场强，最后再配置MC33596进入接收模式，MCU结束中断进入休眠。

3 通过场强识别技术实现TPMS自动定位的方案设计

综合车辆复杂的环境分析，通过场强识别技术实现TPMS的自动定位功能必须考虑以下难点。

1）发射模块安装在轮胎内，射频信号的传输并非空间的点对点的传输，而是首先经过了轮胎的衰减，再经过车辆底盘和路面等环境的反射和干扰，最后空间衰减才使射频信号到达接收天线。那么4个轮胎内发射模块发出的信号经过大幅衰减后，微弱的射频信号是否能够让接收机可靠地识别不同距离的信号。

2）发射模块安装在轮胎内，当轮胎旋转时，该发射模块的发射天线随着轮胎的旋转而不断变化，这样相对于接收机而言，每次测量的射频信号强度是不稳定的，且不断变化。

3）即使针对同一轮胎内同一个发射模块，其射频信号是随着外界环境 （如温度、湿度、天气、周围建筑物等）的变化而变化。如何使接收机能够识别这些变化而准确定位也是一个难题。

综上分析，TPMS接收机必须在车辆运行中连续采样各个轮胎内发射模块的射频信号强度，并分析其变化规律，才能实现通过场强定位的功能。

3.1 通过分布式高频接接收天线实现TPMS自动定位

该分布式高频接收天线是指在车辆的4个轮胎附近分别安装一个高频接收天线，如图7所示。每一个高频接收天线可以惟一接收其最近轮胎内发射模块发射出的高场强的射频信息，其它3个轮胎的相对位置比较远，所以场强信息就比较弱，这样每个高频接收天线就可以定位对应的轮胎内发射模块，最后所有高频接收天线将定位信息通过总线发送给中央主控模块，实现系统的自动定位功能。

图8为右后 （RR）位置轮胎附近的RR高频接收天线在车辆运行中连续采样4个发射模块射频信号场强的数据。从场强采样 （该场强信号是强弱信号的相对值）折线图可以得到以下结论。

1）最靠近RR高频接收天线的轮胎内发射模块（RR发射模块）的信号强度最强。但信号随着车辆的运动及环境变化影响，场强幅度变化很大。

2）处于同轴位置上RL轮胎内发射模块发射的信号强度到达RR高频接收天线后，信号强度峰值相对变弱，且信号变化幅度同样很大。

3）远离RR接收天线的前轴两个轮胎内发射模块 （FL和FR发射模块）的信号强度最弱，但信号趋于稳定。

4）需要通过软件算法对信号强度数据进行统计、对比、数据优化处理等方式，从而可靠地进行场强识别和轮胎定位。

综上所述，通过场强测量、天线设计、软件处理等过程，该方案可以可靠实现TPMS的轮胎定位功能。当然在产品化的设计中，对发射模块功率的一致性设计将非常重要。但该方案中除了4个发射模块和1个主控机以外，还需要在车上轮胎附近布置4个高频接收天线，其成本也比较高。

值得注意的是，从试验中分析，只要天线的方向性和灵敏度设计合适，单个天线既可以场强识别前轴和后轴轮胎，也可以区分同轴的左右轮胎，因此可以采用将两个高频接收天线对角安装，即安装FL、RR或者FR、RL两个天线，也可以实现定位功能，这样减少2个高频天线的安装，使成本降低。

3.2 场强识别和加速度相结合实现TPMS自动定位

将场强识别和加速度技术相结合实现TPMS自动定位功能是另外一种经济有效的方式，如图9所示，该系统由4个发射模块和1个接收机组成。当车辆运行时，安装在车辆两侧的发射模块在X轴方向的加速度相反。

1）接收机安装在车辆的后轴中央，由于前后轴轮胎与接收机的距离不同，通过场强测量，FL和FR两个轮胎内发射信号弱，而RL和RR两个轮胎内发射信号强，所以接收机通过场强识别可以区分前后轴的轮胎信号位置。

2）对左右两侧的发射模块而言，由于发射模块在轮胎内的安装位置相反，当车辆运行时，发射模块所受轮胎切线方向的加速度正好相反，因此具有加速度测量的发射模块通过加速度分析和运算，就可以定位发射模块的左右信息了。

图10为轮胎内发射模块的加速度在轮胎旋转一周的分析，主要考虑以下加速度变化：ax为切线方向受力；az为向心力加速度；ag为重力加速度。通过轮胎内A、B、C、D各个位置处加速度的分析，由于受重力加速度的影响，向心力加速度az和切线加速度ax有以下变化：①对切线加速度ax而言，在B、D位置切线加速度ax不受重力影响，在A处为最小 （ax-ag）， 在C处为最大 （ax+ag）； ② 对向心力加速度az而言，在A、C位置不受重力影响，在B位置为最大 （az+ag）， 在D位置为最小 （az-ag）。

图11为左右两侧轮胎相对于向心力加速度的变化曲线。左右轮胎内发射模块切线方向加速度ax相位相差180°，方向正好相反。

综上所述，基于场强识别和加速度测量技术，通过数据采集和软件算法，可以可靠实现TPMS自动定位功能，且系统简单，成本优势明显。

4 小结

由于场强识别在车辆环境中面临轮胎衰减、车身环境、路面反射、天线方向等诸多不确定的因素，所以TPMS系统的设计必须针对确定的车型来开发，通过充分的场强数据采集及分析、软件算法、天线设计等方式，使该系统可靠应用于汽车环境中。特别是将场强识别和加速度测量结合实现TPMS自动定位的技术，系统更加简单，应用将更加广泛。

［1］Freescale Semiconductor.MC33596 PLL Tuned UHF Receiver for Data Transfer Applications[DB/OL].http:www.freescale.com,2010.

［2］韩文斌，韩云霄，高 峰.综合CAN和LIN通信功能的TPMS系统设计和应用［J］.世界电子元器件，2009，(11):65-69.

［3］殷际杰.微波技术与天线［M］.北京：电子工业出版社，2004.