輪胎壓力溫度檢測系統TPMS的研制方案

發布時間：2011-9-30??????發布人：澤天傳感??????點擊：

一、前言

輪胎壓力檢測系統（Tire Pressure Monitoring System 縮寫為TPMS）是最近幾年發展起來的實時壓力溫度檢測系統，可以讓駕駛者時刻了解行駛中車輛輪胎的狀況。目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是Wheel-Speed Based TPMS（簡稱：WSB TPMS，或稱為間接式TPMS），這種系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，該類型系統的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。中國上海生產的別克有此系統，這一系統可以測量出汽車4個輪胎的旋轉狀況，并在有輪胎旋轉異常時警告駕駛員。另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（簡稱：PSB TPMS，或稱為直接式TPMS），這種系統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，并對各輪胎氣壓進行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。直接式TPMS從功能和性能上均優于間接式TPMS。許多歐洲的汽車廠商將PSB TPMS配裝于自己的車型之中，其中包括，德國寶馬的Z8，法國雪鐵龍的C5，英國阿斯頓·馬汀的超級跑車Vanquish，林肯大陸，旁蒂克的旗艦Bonneville SE等等，梅賽德斯—奔馳S級轎車也將TPMS作為選裝件；另外，2002年夏天上市的克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車以及Chrysler300M與Concorde Limited客車也裝設TPMS。國內多數汽車廠家目前還沒有進行這方面的研究，也沒有安裝直接式TPMS。中國加入WTO以后，隨著國際化的要求，相信國內廠家會跟上這個步伐。

輪胎壓力傳感器安裝

二、國內外產品的發展現狀

在國外，最早研究輪胎壓力檢測系統的公司是加拿大的Smartire公司。該公司于1987開始輪胎壓力檢測系統的研究和開發，目前已形成了摩托車、小汽車、大型客車、大型載重貨車等系列輪胎壓力檢測系統，最多可接收16個輪胎的壓力檢測。其產品全部采用直接式TPMS的原理生產，產品暢銷美國、歐洲。日本的Bblanks公司2003年在中國和日本同時推出輪胎壓力檢測系統A.I.S，國內由深圳博安汽車用品有限公司總代理，目前也正在大力推廣宣傳。其他還有美國的Measurement Sepecialties.Inc，美國的Better Microsystems，Inc等一些公司也在生產輪胎壓力檢測系統，但規模不大。在國內，目前該產品還未得到大規模推廣，也未見到類似產品的研究報道。除幾家國外產品的代理外,基本沒有生產銷售TPMS系統的廠家。

三、工作原理

本方案采用直接式輪胎壓力測量系統。直接式輪胎壓力測量系統的一般構成為：壓力、溫度檢測和信號發射部分與壓力、溫度信號接收及信號處理部分。壓力傳感器固定在輪胎內部，它實時將檢測到的壓力和溫度信號通過無線方式發給接收裝置，接收裝置在收到射頻信號后，首先識別輪胎的ID地址，然后判斷壓力和溫度是否超限，再做相應的顯示和聲光動作。

四、研制難點

1)發射部分的節能問題

發射部分裝到輪胎內部，在檢測溫度、壓力以及發射時都要消耗電能，尤其是在發射時，瞬間電路可以達到12mA，如果沒有節能措施，300mAH的電池將很快消耗完。

2)高頻的接收和發射部分

目前國外對于消費類和汽車類產品，無線產品普遍采用ISM頻段作為接收和發射頻段，其中434MHz是常用的頻率。該類集成芯片有一定的市場支持，但由于該頻段無統一的技術規范和標準，不同廠家的產品性能存在較大差異，產品設計無參照可比性，設計有一定難度。另外，對于高頻電路來說，元件布局、選取，以及電路板布線、電路板選材都有要求和不確定性，硬件設計是一個難點。

3)接收器的功能和軟件設計

對于一個汽車胎壓檢測系統來講，實現基本功能是先決條件，但要實現個性化設計，就要有與其他公司產品不同的或更為先進的地方。借鑒國外產品的界面設計，從國內實際情況出發，我們對產品功能和用戶界面進行了自主設計。

4)結構設計

在參考國外設計的基礎上，以摩托羅拉的AN1951文檔做為開發平臺，我們確定了下列開發方案：發射部分以MPXY8000系列電容式壓力傳感器、MC68HC908RF2單片處理和發射芯片做為核心器件。MPXY8000系列傳感器是摩托羅拉公司生產的壓力檢測芯片，它內置溫度和壓力傳感器，能同時檢測外界環境的壓力和溫度，具有體積小、重量輕、抗干擾性能好、溫度范圍寬、穩定性好，功耗小等優點，其數據輸出形式為逐次逼近型A/D轉換（需要處理器參與轉換）。它有壓力和溫度測量模式選擇管腳、數據通訊管腳、輸出管腳，其中輸出管腳能每隔3秒鐘輸出一個脈沖來喚醒單片機，同時該管腳也是逐次逼近型A/D轉換的比較輸出管腳。

利用該傳感器，配合軟件設計，我們實現了傳感器的檢測和發射功能，使傳感器工作時耗能最小。傳感器的信號發射和接收部分分別以RF2和MC33594作為主體芯片。RF2可工作于315MHz、434MHz、868MHz發射頻率，能在幅移鍵控（OOK）和頻移鍵控（FSK）兩種發射方式下工作，其標稱最大發射功率是3dBm。我們選用的工作方式是434MHz、頻移鍵控（FSK），發射功率為-3dBm。

在發射部分布板時的布板原則是：讓傳感器在可能的情況下，盡量遠離晶振和發射電路部分，傳感器底面電路板覆銅，讓發射部分對傳感器的干擾減小到最低；晶振盡量靠近發射電路，底面電路板覆銅；發射和信號處理電路電源正，采用菊花鏈式布線方式連接，濾波電容盡量靠近芯片濾波管腳；電路板底層大面積覆銅，并與電源地線連接，元件布局按功能分區，不交叉擺放；連線以信號通透順暢為準，盡量不出現急轉急折的布線。

MC33594是接收部分的主體芯片，通過內部寄存器設置，它能接收315MHz、434MHz的曼徹斯特編碼的射頻信號，將接收到的434MHz的射頻信號解碼后，將還原的數據通過SPI口發送到單片機處理，它的接收數據速率最大可達9600bps，接收靈敏度可達-105dBm。MC33594的布板與RF2的布板類似，但為了與其他電路隔離，互不干擾，MC33594與它的外圍元件應靠近電路板邊緣，并與其他電路有明顯的空間隔離，另外，引入該區域的電源線和地線只有一對，防止電源線正或負自身形成回路，接收外部干擾信號。

對于外部元器件的選取也很重要，電路中的接收和發射的基準晶振采用高穩定、溫度系數小、溫區寬的汽車認證產品，電容均采用高頻電容，電感也采用高Q值的電感。接收器設計，在國外產品的功能設置的基礎上，我們設計了具有自己特色的用戶界面和功能，使報警含義明確、直觀，功能設置操作簡便。根據產品功能，比較不同的單片機芯片，我們選用MC68HC908LJ12做為接收處理芯片，它具有下列特性：12K的可編程FLASH；512字節的片內RAM；兩個16位計數器，有捕捉輸入和比較輸出功能；一個SCI和SPI接口；32個通用口；8位鍵盤中斷端口；常駐FLASH在線編程程序；低功耗設計。

MC68HC908LJ12的優勢在于：有硬件SPI接口，方便與接收芯片MC33594通訊；需要很少的外圍器件擴充，電路簡單，能將低成本；內部有可由程序寫入和擦除的閃存，便于儲存設定的數據；端口多、有液晶接口便于以后擴充功能；性價比高，市場占有率高，方便采購。

五、結論