高可靠直接式轮胎压力监测系统方案

中国的轮胎压力监测系统（TPMS）开发至今快八九年了。当前，除了美国已经为乘用车制订相关法规之外，欧盟和韩国第一阶段TPMS强制使用法规分别将于2012年和2013年生效。汽车轮胎压强保持在适当的压力水平，有利于提高车辆安全性、燃油经济性和排放环保性，可以降低二氧化碳排放，同时提升安全性。

目前提供TPMS配套方案的半导体厂商很多，芯片厂商主要包括飞思卡尔(Freescale)、英飞凌(SensoNor)、 GE(NovaSensor)、Atmel、Maxim、东芝、NXP、Omron、MelxiS、RFMonilithi等公司。其中GE、飞思卡尔和英飞凌公司具有从胎压传感器、RF发射及接收器，到MCU的完整产品线，其他半导体公司主要提供从胎压传感器、RF、到MCU的若干配套方案。

根据统计，绝大多数轮胎故障都来自于缓慢而不易察觉的过程，例如慢性漏气；高速公路很多交通事故源于轮胎的爆胎。监测行驶中的汽车轮胎的胎压，是保障行车安全的关键手段。TPMS直接安装在轮胎内，对轮胎内部压力变化进行实时监测，具有压强观测直观性和精确性，因此能够迅速检测到其他设备或肉眼难以发觉的隐患。直接式轮胎压力监测系统（Direct Tire Pressure Monitoring System，DTPMS）将及时向司机发出警告和提醒，以便司机及时采取应对措施，从而保证轮胎压强处于正常水平，不但改善了安全性，同时避免滚转阻力增长导致油耗意外升高，还延长了轮胎的使用寿命。

TPMS经过几代更新，MEMS传感器和专用的信号处理ASIC芯片都不断发展。DTPMS直接式轮胎压力监测系统使传感器模块架构和胎压测量的技术都有创新发展。德国大陆轮胎公司首先开发出了在轮胎胎纹面内侧粘贴使用传感器模块的胎压监测器DTPMS。


新一代DTPMS设计理念有了较大的改变，车胎内的MEMS传感器不再是直接测量胎内压力，而是改用MEMS加速度传感器测量径向加速度，将座标轴固定于车轴，传感器在不接触路面时会描绘出基本为正圆的轨迹，而在接触路面时，由于胎纹变形，与路面紧贴，则会描绘基本为直线的轨迹。这时，正圆与直线的接合处会因传感器“着地”、“离地”而产生加速度。随着这一过程的推进，传感器会出现峰值输出。这样便可根据峰值与峰值的时间间隔和转速来计算做直线运动的长度，也就是接地长度。而通过接地长度可得知轮胎的变形程度，从而获得胎内气压值。与前一代安装在气门上的TPMS模块不同，它检测的是压力本身，因此传感器的精度直接关系到监测器的精度，而新一代DT PMS的检测方法不再对传感器本身有高精度的要求。它的检测精度由峰值的时间间隔决定，只需检测“峰值数值的出现”，即可知胎内压力的实时变化。

DTPMS的胎压传感器模块结构更新

新一代DTPMS将MEMS的加速度传感器和温度传感器与信号处理电路集成在一块芯片中。传感器模块的构成部件有集成MEMS传感器和信号处理电路的胎压监测器芯片、电池以及向本车驾驶台传输计测结果的天线这三个部分，如图1所示。由此使得内置传感器模块的重量大大降低，先前安装在轮胎气门嘴上的已有传感器模块重量原为1个37g，而新一代DTPMS粘贴在轮胎上的模块重量仅为11g。其电池寿命可达到与轮胎一样的6年。


新一代DTPMS的安装是将传感器模块在轮胎生产时嵌入在车胎纹面内侧圆筒型容器内。安装在轮胎内的实物照片如图2所示，实际为不透明状态，装在树脂壳内。

DTPMS的实时显示胎压信号数据

DTPMS在每个轮胎中置入传感器模块，可在任意时刻、任何路况和所有行驶速度条件下快速、直接而准确地收集轮胎内空气压强和温度信息。安置在小汽车的四个轮胎内的传感器模块将实时采集的轮胎内的压力、温度信号经数字化处理后编程通过RF天线的发射，无线汇集到驾驶台上的DTPMS的车载接收器，然后将实测胎压信号数据实时显示在与车载GPS、DVD共用的LCD屏上，以数字显示和声光的形式告知驾驶员。

除了直接式轮胎压力监测系统方案外，还有间接式轮胎压力监测系统方案。两者各具优点，目前主要的实现方式是采用DTPMS，集成和稳定度将更高一筹。