汽车轮胎压力监测系统的无线控制策略

刘奇元, 何哲明, 曾 斌

(湖南文理学院 机械工程学院, 湖南 常德, 415000)

汽车轮胎压力监测系统的无线控制策略

刘奇元, 何哲明, 曾 斌

(湖南文理学院 机械工程学院, 湖南 常德, 415000)

在汽车轮胎压力监测系统(TPMS)设计中, 无线控制策略是其设计中的重点. 结合当前TPMS 无线控制策略的实现方案，提出： 采用断续发射方式使系统在能耗上更节省; 运用环路天线和声表面波滤波器来有效克服干扰，提高系统的可靠性能. 测试中，系统发射模块功耗10 μW·s，若用锂电池全天候工作可运行2.5年，能满足实际需要.

TPMS；汽车；轮胎；无线控制

汽车轮胎压力监视系统(Tire Pressure Monitoring System,简称TPMS)就是用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全.

目前，TPMS主要分为2种类型[1]：一种是间接式TPMS，一种是直接式TPMS. 间接式TPMS主要是通过防抱死制动系统(ABS)的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的.但这种类型存在许多的缺陷：如果有同轴、同侧或2个以上轮胎缺气的情况下，系统无法显示；要求汽车所有轮胎型号必须相同；只有在汽车行驶时(即有车轮转速信号时)才能对气压进行监测；当车速超过100 km/h时，监测将失效；汽车在不平坦路面特别是沙地、湿滑路面行驶时，系统无法正常工作. 直接式TPMS系统则是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线发射模块将信号发射到安装在驾驶台的监视器上. 这样可有效实时地检测各个轮胎中的气压情况，同时可避免误判.

TPMS市场目前的主角是直接式TPMS. 而在当前的设计完善直接式TPMS性能功效的过程中，工程师需要克服的主要设计难题包括系统的无线控制策略、电源管理策略、传感通信兼容策略、系统寿命成本策略等. 这些设计策略的实现将会极大地促进TPMS技术的发展. 本文仅从系统的无线控制策略入手，分析当前TPMS无线控制策略的实现方案，并就无线控制策略过程中遇到的问题提出可行的解决方案.

1 TPMS无线控制实现方案

TPMS无线控制实现方案原理如图1所示. 系统主要包括压力传感器、胎内微控制器、发射器、接收器、车内中央处理单元、报警显示单元等几大部分. 系统在每个轮胎中安装压力传感器，传感器测出轮胎压力信号并转换为电信号，再经A/D转换、数字信号调制、信源编码等处理，由发射器以一定的频率发送出去. 汽车驾驶室中安装接收器和微处理器，接收器接收由发射器发送的射频信号并传送到微控制器进行数据处理. 如果出现异常，指示灯和液晶显示器就会显示报警. 当前TPMS主要有基于MPXY8020A、SP12和NPX三种无线控制实现方案.

图1 TPMS系统原理图

1.1 基于MPXY8020A的无线控制实现方案

该无线控制实现方案中轮胎中的传感器采用飞思卡尔公司的MPXY8020A，其引脚图[2]如图2所示. DATA、CLK引脚用于数据串行交换，OUT引脚接收数据，RST为复位引脚，VDD、VSS是正负电源. 传感器内部集成有一个可变电容的压力感应元件、一个温度感应元件和一个有唤醒功能的内部电路, 并采用SSOP超小型封装. 传感器将测量的轮胎压力、温度信号转换成电压信号送到取样电容中，这个取样电容由一个带门限调节的电压比较器监控. 当门限电压小于取样电容电压时输出高电平，当门限电压大于或等于取样电容电压时则输出低电平.

图2 MPX Y8020A引脚图

在这种基于MPXY8020A的无线控制实现方案中，胎内微控制器与发射器采用MC68HC908RF2、接收器采用MC33594、车内中央处理单元采用MC68HC908GT8. 发射芯片与传感器的连接简图如图3所示. 软件方面采用断续发射方式降低系统功耗. 这种系统的可靠性比较好，集成度高，系统能耗低.

图3 MC68HC908RF2与MPXY8020A的连接简图

1.2 基于SP12的无线控制实现方案

基于SP12的无线控制实现方案[3]中，轮胎检测模块由英飞凌公司生产的SP12传感器模块组成.这种面向TPMS应用的SP12传感器整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口的CMOS大规模集成电路. 系统的发送控制单元为PIC16F684，射频发送芯片为nRF2401A，发送模块如图4所示. SP12在控制单元PIC16F684的控制下测量车胎的压力和温度值，并以数字量形式输出，再经过PIC16F684打包后通过nRF2401A发射出去. 同时, 单片机也通过nRF2401A接收主机发来的指令，完成相应的控制或参数配置任务. 该实现方案功耗低，组件数量少，成本低.

图4 基于SP12的TPMS发送模块示意图

1.3 基于NPX的无线控制实现方案

NPX芯片[4]是GE公司开发的TPMS传感器产品，该芯片集成了压力传感器、温度传感器及1个8位RISC微处理器，具有4 kB的用户可编程空间、4 kB的定制ROM, 以及一个2D的LF输入级. 各类传感器的信号经12位ADC转换后, 提供给用户和系统进行进一步的处理. 在4 kB的定制ROM中,固化了压力、温度和电压测量、补偿和校准程序, 以及其他实用的子程序, 用户可省去繁琐的运算编程,只需简单调用即可获得需要的状态值. 基于NPX的TPMS无线控制实现方案的发射模块示意图如图5示，发射器采用高集成度芯片PCH7900，接收芯片采用MAX1473. 该系统所需电流低，接收灵敏度较高，稳定性好.

图5 基于NPX的TPMS发送模块示意图

2 TPMS无线控制策略的关键实现

TPMS无线控制策略的最终实现目的是保证轮胎压力传感器检测的数据能在尽可能低耗的情况下及时可靠地进行传送. 但从传感器、发射模块、信息处理模块到接收模块，其间许多的因素都影响着该目的的充分实现. 本文就设计中的几个关键要点的实现提出可行的解决方案.

2.1 发射方式的选择

尽量降低功耗是设计TPMS中的一大要求. 系统中最大的功耗在于无线发射过程，所以在降低功耗过程中，优化TPMS的发射程序算法比寻求新的能源供应更方便. 在设计中，采用断续发射方式，这样比连续发射方式更节省能耗. 发射芯片检测传感器压力信号，在正常范围内每隔30 s发送一次，若超出设定的最低或最高值，则启动快速发射模式，每隔1 s发送一次数据. 同时接收模块启动指示灯亮，蜂鸣器发声报警. 以基于MPXY8020A的无线控制实现方案说明，安装在轮胎内部的无线发射模块MC68HC908RF2当其处于发送状态时，最大发送电流16 mA，待机状态时仅为3 μA. 由于正常时每隔30 s发送一次，测定值超出范围时每隔1 s发送数据，发射模块每秒的功耗10 μW·s. 锂电池CR2032标准容量为220 mAh，按全天候工作，可运行2.5年；按一天12 h工作，则可运行5年. 正常情况下，每辆车的轮胎寿命在10～15万km之间，最多3～5年就会发生不同程度的老化、龟裂等现象.因此，嵌入在轮胎中的TPMS发射模块在轮胎的有效工作期间内，完全可以满足实际需要.

2.2 天线的选取与设计

对于天线，设计中采用环路天线，这种天线相对常规的接地天线带宽更宽更有效. 环路天线被印刷在电路板上，设计时进行对称设计，同时还需考虑与外界环境的适当匹配以获得最佳效率. 比如可以沿着环形天线的导体串联调谐电容器，这样环形天线被分解为环路段，根据所需性能的标准每个段可以具有或不具有串联的电容器，电容器的电抗可有效抵消在相应串联电容器之前的环路段的部分感抗. 如此，可有效地减小环路天线的电抗性电压，进而有效地提升TPMS中的无线通信质量

2.3 相应元件的布置与接地

由于TPMS是工作于高速旋转轮胎上的无线收发系统，轮胎、车体都将对无线电的传送有一定的干扰、衰减作用. 所以，在实际系统安装过程中，发射模块应尽量避免靠近金属，否则影响天线的数据传送；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；各元器件安装时应紧靠发射处理芯片周围，接地面保证元件充分的接地；射频和集成电路接地应彼此分开；所有匹配的元件彼此应尽量正交放置在接地平面上，且它们的并联匹配元件最好都彼此分离；车内接收器安装时尽量远离其它高功率电子设备和金属物体，以免影响接收效果.

2.4 接收器干扰的克服

对TPMS而言，外界干扰不可避免，严重时可能会导致接收器数据的堵塞.

在天线和低噪音放大器入口之间设计一个声表面波滤波器，可有效克服干扰信号造成接收器堵塞的问题. 设计声表面波滤波器时，需考虑其功率与输入侧天线和输出侧低噪音放大器相匹配，这样即可获得扁平通带、低插入损耗和良好的抑制效应.

3 结束语

在TPMS设计中，无线控制策略是其设计中的重点. 保证轮胎温度压力传感器检测的数据能在尽可能低耗的情况下及时可靠地进行传送，是TPMS无线控制策略的最终实现目的.

本文总结了TPMS中无线控制策略基于MPXY8020A、基于SP12、基于NPX实现的3种主要设计方案. 对于TPMS无线控制策略中的一些关键设计内容，提出了可行的解决方案，比如在发射方式中采用断续发射方式，这样比连续发射方式在能耗上更节省；在天线的选取上采用环路天线，这种天线相对常规的接地天线可靠性更高；在天线和低噪音放大器入口之间设计一个声表面波滤波器，可有效克服干扰信号造成接收器堵塞的问题等. 无线控制策略的有效实现，将会极大地促进TPMS技术的发展，使汽车的行驶更安全.

[1] 李威, 尹术飞. TPMS无源化发展方向研究[J]. 上海汽车, 2006(2)： 39-42.

[2] 刘奇元, 车晓毅, 何哲明. 基于无线技术的汽车轮胎压力监测系统设计[J]. 重庆邮电大学学报： 自然科学版, 2010, 22(6)： 729-733.

[3] 李珊. 基于SP12的汽车轮胎状态监测系统设计[J]. 电子元器件应用, 2008, 10(3)： 83-85.

[4] 王青云, 陈瑞. NPXⅠ智能传感器的TPMS系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2008(9)： 38-40.

Wireless control strategy about tire pressure monitoring system

LIU Qi-yuan, HE Zhe-ming, ZENG Bin
(College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

In the tire pressure monitoring system (TPMS) design, wireless control strategy is the design stress. In this paper, the wireless control strategies based on the current TPMS were summarized. Then the intermittent launch manner was adopted to reduce power consumption and the loop antenna and SAW filter were utilized to effectively overcome the interference and increase system reliability. In the test, the system energy consumption was so low that the transmitter module consumed 10 μWs, thus the lithium battery can work around the clock for 2.5 years to meet the practical needs.

TPMS; automobile; tire; wireless control

U 463.6；U 463.341

：A

1672-6146(2010)04-0078-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.021

2010-08-19

湖南省“十一五”重点建设学科(机械设计及理论)资助(XJT2006180)；湖南文理学院优秀青年专项科研课题(QNYX0804)

刘奇元(1980-), 男, 讲师, 硕士研究生, 主要从事机电控制系统及检测方面的研究.