一种汽车轮胎气压监控系统的设计

吴敏

摘要：汽车轮胎压力检测系统（TPMS），Tire Pressure Monitor System。它的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。

关键词：汽车;轮胎;气压监控系统

一、TPINiIS的设计要求和设计思路

（一）TPMS的设计要求

TPMS的设计要求有：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及更长的工作寿命，等等。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。因此电源管理成为首要的挑战。

（二）TPMS的设计思路

（1）考虑软件。在设计一个运行稳定、功效高的胎压监控系统时，第一个需要考虑的因素就是软件。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参数作为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他参数多？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TPIS时必须考虑这些问题。（2）考虑接口类型。使用低频接口是控制TPIS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和其他一些优势。例如，低频通信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。（3）考虑降低功耗的方法。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，运算可通过以下方式进行：只有当车辆运行时，才进行相应的检测和/或传输。一些TPMS传感器集成了加速度计，该加速度计能检测车轮的旋转。因此，应用软件可以用这种方法编写——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汽车寿命的15%。考虑到这一点，这种设计方案可以大幅度降低TPMS的功耗。还可以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的数量，以此来获得更高的功率效率并降低系统总成本。（4）考虑传感器的介质兼容性。在TPIS设计中，传感器的介质兼容性也是一个非常重要的方面。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、灰尘和其他物质（如制动液）等。（5）考虑无线控制形式。设计中另外一项重要的挑战是无线控制形式的确定。第一代TPMS发送器采用SAW（surface acoustic wave，声表面波）共振器的ASK（amplitude  shiftkeying，幅移键控）调制技术来产生适当的发射频率。该ASK系统虽然非常廉价，但容易受到车轮（发送器安装在其上）旋转所导致的接收场强变化的影响。由于这一原因，现在的TPIS都采用基于晶体振荡器的FSK（frequency shift keying，频移键控）调制方法和PLL（phase locked loop，锁相环）合成器来产生中心频率与频率牵引（负载的变化会引起压控振荡器的频率发生变化，即频率牵引，频率牵引表示了负载的变化对振荡频率的影响）。在许多OEM（original equipment manufacturer，原始设备制造商）应用中，即使是在车轮高速旋转时，FSK也具备可靠的射频通信功能。

二、TPMS的硬件及电路设计

（一）系统整体设计

TPIS模块嵌入轮胎内部，采用无线双向通信方式对汽车轮胎的压力和温度进行实时监测，并通过无线调制方式将监测数据发送到主机显示模块。

（二）测压、测温传感器选取

TPMS模块通常在一节锂电池下工作，工作时间为5～10年，因此节能是一个十分重要的课题，系统要求所选用的传感器芯片必须是低功耗的。传感器对整个TPMS性能的影响极大，故要选择一些功耗低的元件。如GE公司的NPXⅡ（NPX- C01780）传感器，集成了硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC处理器以及一个低频唤醒输入级，满足TPI＼/IS各方面的性能要求。

（三）无线控制发射器设计

设计无线控制发射器时需要考虑以下因素：

（1）天线选择和匹配网络。通过模拟和测试证明，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环路天线的性能和阻抗，如手效应——会改变自由空间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且必须被考虑在内的。由于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，因而要同时调整天線电阻网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nA级。通过信号可以进入芯片激活模式。（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。若使用环路天线，则必须进行对称设计。（7）去耦合电容布置。去耦合电容必须尽可能靠近电源和地。

（四）无线信号接收器设计

在进行无线信号接收器的设计时，注意考虑以下两个方面：

（1）用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（局域网）人口之间放置一个前端滤波器。这样即可有效克服带外干扰信号造成接收器堵塞的问题。窄带前端滤波器的功率必须与输入侧的天线和位于输出侧的LAN相匹配，以获得扁平通带、低插入损耗和良好的抑制效应。所有的印制电路板迹线都要尽可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由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。可能影响到接收器灵敏度的因素有很多，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。

三、TPIVIS模块软件设计

（一）TPMS软件流程设计

系统软件部分的主要工作是完成泄漏超声的声压级、估算泄漏量以及完成显示功能，所以软件部分主要由信号采集子程序、滤波子程序、FFT（fast Fourier trans-formation，快速傅里叶变换）变换子程序、LCD显示子程序和键盘服务子程序等组成。

（二）TPMS软件安装适用要求

TPMS软件应适用于公交、旅游巴士、长途客运车辆、卡车、特殊工程车辆、轿车等。冷胎气压不超过12 Bar（汽车在静止状态下的轮胎气压值）o标准配置可以接收24个轮胎的气压信号，最多扩展至接收32个轮胎的气压信号。