汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)已經(jīng)成為中國汽車電子產(chǎn)業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)，在今后的五年里全球預(yù)計(jì)會(huì)有7億1百萬只輪胎需要安裝胎壓監(jiān)測傳感器。美國法律要求從2007年8月起在美國銷售的所有乘用車和輕型卡車必須安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，歐洲也頒布了相應(yīng)的法規(guī)。中國是汽車消費(fèi)大國，相信不久將來政府也會(huì)制定類似法規(guī)。TPMS的需求使一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)正在興起。
TPMS是汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)“Tire Pressure Monitoring System”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。
在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%~80%是由于爆胎" title="爆胎">爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。TPMS是目前科學(xué)防爆和預(yù)警的有效手段之一。
TPMS系統(tǒng)簡介
TPMS系統(tǒng)主要有二個(gè)部分組成：安裝在汽車輪胎上的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊" title="輪胎壓力監(jiān)測模塊">輪胎壓力監(jiān)測模塊和安裝在汽車駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器(LCD/LED顯示器)。直接安裝在每個(gè)輪胎里測量輪胎壓力和溫度模塊，將測量得到的信號調(diào)制后通過高頻無線電波(RF)發(fā)射出去。一輛轎車或面包車TPMS系統(tǒng)有4個(gè)或5個(gè)(包括備用胎)TPMS監(jiān)測模塊，一輛卡車有8~36個(gè)TPMS監(jiān)測模塊。中央監(jiān)視器接收TPMS監(jiān)測模塊發(fā)射的信號，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出報(bào)警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。
由于汽車輪胎現(xiàn)在大多都是沒有內(nèi)胎的真空子午胎，因此，將TPMS的輪胎壓力監(jiān)測模塊安裝在輪胎里是十分方便和容易的，但是汽車在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按軍級產(chǎn)品的要求來選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來制訂生產(chǎn)工藝，然而它是一個(gè)量大面廣的汽車通用安全產(chǎn)品，要按消費(fèi)電子產(chǎn)品來定價(jià)。
輪胎壓力監(jiān)測模塊由五個(gè)部分組成：1. 具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測" title="電壓檢測">電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器" title="智能傳感器">智能傳感器MCM。2. 8-16位單片機(jī)(MCU)。3. RF射頻發(fā)射芯片。4. 鋰亞電池。5. 天線。外殼選用高強(qiáng)度ABS塑料。所有器件、材料都要滿足-40℃~+125℃的使用溫度范圍(圖1)。
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輪胎壓力監(jiān)測模塊是安裝在輪胎上的輪胎壓力、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)裝置，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。輪胎壓力監(jiān)測模塊做成的TPMS發(fā)射器分成車胎內(nèi)內(nèi)置和車胎外外置兩種。
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TPMS智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)" title="加速度計(jì)">加速度計(jì)、電池電壓檢測、內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI口、校準(zhǔn)(Calibration)、數(shù)據(jù)管理(Data)、ID碼的數(shù)字信號處理ASIC單元或MCU的SoC，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC/MCU電路二塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。智能傳感器是一個(gè)MCM模塊，它將壓力/溫度、加速度和MCU集成在一起(圖3)；為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有16-32位獨(dú)特的ID碼。
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TPMS的MEMS傳感器
TPMS使用的傳感器十分細(xì)小輕巧、功能要求高，因此只能用MEMS技術(shù)來設(shè)計(jì)、制造。目前TPMS使用的MEMS傳感器主要有二大類，即硅壓阻式傳感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPX2，Infineon SensoNor的SP12、SP30、SP35；和硅集成電容式傳感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040、MPXY8300系列。NPX和SP30、SP35、MPXY8300系列的智能傳感器都包含了壓力傳感器和加速度計(jì)，壓力傳感器主要用來測量輪胎的壓力變化，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)實(shí)時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等功能。