车辆低成本TPMS系统设计与匹配

史会英，陈建强

（1. 长城汽车销售有限公司信息技术中心，河北 保定 071000；2. 长城汽车股份有限公司天津分公司，天津 300460）

0 引 言

汽车胎压监测系统(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一种能对汽车轮胎气压、温度进行自动检测，并对轮胎异常情况进行报警的预警系统。目前，随着人们对车辆行驶安全重视程度的不断提高，国内部分自主品牌的车型开始将TPMS作为车辆选装或标准配置。由于直接式TPMS设计方案可以满足相关法规要求，且该方案集成度更高，体积和功耗更小，使用寿命更长，逐渐成为 TPMS发射模块设计的主流。文中以Infineon SP37芯片作为胎压传感器和射频发射器，借用车辆原有的车身控制器（BCM）和组合仪表LCD显示屏，并充分利用车辆的CAN网络系统，设计了一种低成本胎压监测系统。同时，从整车设计角度出发，全面阐述了硬件组成、系统匹配、下线匹配流程设计等环节。

1 TPMS的系统组成

TPMS主要由胎压传感器、BCM、组合仪表3个零部件组成，系统组成如图 1所示。为提高传感器发射信号的强度，将气门嘴作为胎压传感器的天线部分，气门嘴与胎压传感器外壳组装在一起形成一个完整的传感器，负责轮胎气压、温度、电池电压等信号的采集、处理和发射。BCM接收到胎压传感器发射的信号后，进行放大、整形、解码和逻辑判断，并将胎压及报警信息通过CAN网络发至组合仪表，组合仪表通过LCD显示屏进行胎压显示，并通过故障报警灯和蜂鸣器进行异常报警。

胎压传感器以Infineon SP37芯片为核心，与SP30芯片相比，最大特点是集成了RF发射器，省略了常用的发射芯片 TDK5110F，使传感器内部PCB板体积缩小，并减少了外围元器件，SP37硬件框架如图2所示，原理如图3所示。用频谱分析仪对传感器发射功率进行测试，单个传感器的发射功率约为-3.8～-4.2 dBm，安装在车轮上测量静止状态约为-15.92～-17.85 dBm。

SP37芯片具有以下特点：

1）在软件的控制下完成压力、向心加速度、温度和电池电压的测量，微处理器完成数据的编码和RF传输（硬件曼切斯特解码/双向编码RF发射）；

2）通过智能唤醒机制实现低功耗控制，通过定时器控制信号测量和发送的时间，通过软件或外部LF触发实现电路的周期性唤醒，并开始接收外部信号；

3）内部控制器指令兼容8051微处理器标准，集成的各种外围系统可以满足用户的特殊需要。低功耗发射器可以实现315 MHz和434 MHz的全积分锁相环合成器，包括ASK和FSK调制器和高效放大器。可通过调节芯片上的印刷电容或外部电容获得精确的中心频率；

4）EPPROM 可以存贮程序代码、传感器 ID及传感器校准数据；

5）抗静电能力强。按照人体ESD模型，SP37的抗静电能力与TDK5110F相比由2500 V提高至5000 V，传感器总成气门嘴（天线）处的接触和空气放电可达±25 kV，（参照ISO10605-2001，按照人体模型和机械模型分别进行接触放电和空气放电，接触放电和空气放电等级为±25kV，每个样品放电次数为正负各 5次，放电部位气门嘴 1/2处，试验样品数量＞30个，所有样品均进行接触，正负放电次数各 5次，试验结束后样品功能能够达到状态A[1]）。如果采用SP30+TDK5110F方案，必须采用内置天线，否则 TDK5110F存在被静电损坏的问题。

本设计方案遵循欧洲标准，无线信号调制中心频率为433.92 MHz，调制方式为ASK，数据波特率为4.2 kbps ±42 bps。为降低成本，由BCM的RF接收电路同时完成 TPMS和中央门锁遥控器（RKE）信号的接收。由于BCM安装在驾驶室内，考虑到金属车身的屏蔽效应，高灵敏度是选择射频接收芯片时的重要因素。而与 FSK(频移键控)制式的接收芯片相比，ASK制式的接收芯片具有更高的灵敏度，成本也较低，因此选择 MAXIM公司的超外差芯片 MAX7036来完成胎压传感器射频无线信号的可靠接收，原理如图 4所示。为提高RF接收电路的灵敏度，在MAX7036前端增加一级放大电路，原理如图 5所示。在完成天线布置后，实车测试 BCM RF的接收灵敏度可达-105dBm。

控制放大电路和芯片 MAX7036工作电源的信号RF_ON由BCM MCU进行控制，以达到休眠模式时降低整车静态电流的目的。BCM MCU控制RF_ON为高电平时，前级放大电路和 MAX7036开始工作，前级放大电路将接收到的TPMS信号（RF_IN）输送给MAX7036, MAX7036将信号混频、检波、低通滤波、放大整形后，通过Dataout输送给BCM MCU进行解码。当BCM进入休眠状态时，会周期性地开启RF_ON信号，一旦检测到胎压信号，会将其作为唤醒源，MCU会立即延长RF_ON信号的时间，直至本次解码完全结束为止，如果解码成功，BCM唤醒并更新胎压数据。

2 TPMS工作原理及系统匹配

胎压传感器的工作模式分为休眠、停车和运行3种状体，传感器出厂时为休眠状态，此时传感器外部气压不发生较大的变化，传感器仅周期性进行压力、向心加速度及LF唤醒的检测。停车模式与休眠模式的主要区别在于周期性发送RF信号，为了尽量延长电池的使用寿命，一般定义停车模式下RF发送周期为1h。在停车模式下，一旦检测到轮胎的气压变化量超过设定的阈值，传感器会立即发出一次 RF信号，BCM 接收后立即更新轮胎参数，这样车主一旦启动车辆，BCM立即将最新胎压数据通过CAN线发送给仪表进行显示。运行模式主要用于车辆行驶时实现胎压预警功能，此时传感器的压力检测和RF发送的频率要足够高，一般定义运行模式下RF发送周期为1～2 min。其模式切换流程如图6所示。

由于传感器有3种工作模式，BCM内部集成的TPMS软件模块需要有停车和运行两种工作模式与之对应，为了保证两者模式切换的准确性，BCM停车和运行模式的切换与传感器有一定的区别。该方案采用的轮胎型号为235/65R17，查询GB/T 2978—200865系列轿车子午线轮胎参数，轮胎的静负荷半径和滚动半径约为335 mm和358 mm，计算车速时采用两者较小的数值。传感器向心加速度为 8 g时开始进行停车、运行状态的切换，考虑传感器测量精度具有±20%的偏差，则对应的车速为：

因为传感器的离心加速度检测周期T2为20 s，检测窗口开启的时间为5 ms，所以BCM检测到车速信号≥25 km/h且持续时间＞20s时，BCM才会进入到运行模式。相反，当车速＜25 km/h时，BCM立即退出运行模式，但传感器需要延迟一段时间才能从运行模式切换至停车模式，这样可以确保BCM工作在停车、运行两种不同的模式下，根据不同的条件判断传感器是否存在异常，BCM故障诊断流程如图7、图8所示。

胎压传感器和 BCM 之间的通讯协议是通过无线数据帧来实现的，传感器向BCM发送的数据帧采用固定的数据帧长度进行，具体的数据帧格式如表1所示[2]。BCM接收到传感器的信息后，先进行解码，识别传感器的ID，如确定为已匹配的传感器ID，则立即将解析出的胎压、轮胎状态等信息填入应用帧，通过CAN通讯发至组合仪表，如表2所示。如BCM此时为休眠状态，则将接收到的传感器信息存储在EPPROM中，一旦点火开关打开，立即发送给仪表进行显示。

表1 胎压信号数据帧格式

表2 BCM发送给仪表的数据帧格式

一般情况下，传感器发出1次信号称为1包数据，1包含3帧相同的数据，不同模式切换每次发出3包数据，高压报警、快速漏气时每次发送5包数据，以确保报警的可靠性。实际试车场进行高速路试时，胎压传感器处于运行状态，发出的数据为1包/2 min。车速在35～170 km/h时，测试BCM四轮胎压信号的接收率均在99%以上，完全满足使用要求。

3 胎压传感器匹配流程的设计

由于车辆在并线生产或不合格车辆返工时，传感器出现交叉学习的现象，为解决以上问题，低频触发指令MLF1、MLF2用于区分并线生产时不同生产线上的下线设备，设备在激活传感器时发出的触发指令不同，只接收触发类型相同的传感器发出的信号，并解析传感器的ID，按照车轮的装配位置写入到BCM 的EPPROM中。这种方法同样用在下线返修及售后诊断设备上，当下线匹配设备通过OBD诊断插座与车辆连接后，扫描车辆底盘号条形码后，系统自动进入到EOL匹配模式，EOL流程如图9所示。

为降低成本，该系统没有安装低频触发器装置，所以当车辆更换传感器或轮胎换位时，需要对传感器重新进行匹配（4S店学习模式），否则BCM无法识别传感器的信号，或不能识别传感器的安装位置。在进行4S店学习模式时，首先用诊断仪向BCM发出学习某个车轮传感器的指令，随后用低频触发器对传感器进行低频（125 kHz）触发，传感器根据触发信号的指令，发出固定帧数的信号。BCM将接收到的触发模式为MLF3的胎压信号进行解码，并将其ID写入到EPPROM中，完成操作后自动退出4S店学习模式，具体匹配流程与EOL过程基本相同。

4 结束语

文中设计并实现了以Infineon SP37芯片为核心的直接式胎压监测系统，全面阐述了胎压系统的硬件组成、电路设计、系统匹配及下线匹配流程的设计，依靠车辆原有的电气系统，用较低的成本实现了胎压监测系统。

[1] GB/T 26149—2010，基于胎压监测模块的汽车轮胎气压监测系统.

[2]冷毅，赵根宝，李青侠，等. 基于无线传感器和 CAN总线的自动识别的轿车胎压监测系统[J]. 仪表技术与传感器，2007，(6)：65-66。