直接式胎压监测系统设计简述

姚高飞，张令晋，张宇博，林军昌

（合众新能源汽车工程研究院，浙江 桐乡 314500）

按照美国汽车工程师学会的调查，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎压力低或气压泄漏造成的，另外每年75%的轮胎故障是由于轮胎气压泄漏或胎压不足造成的。

中国是全球汽车保有量大国，据公安部交管部门公布的最新数据，2019年上半年全国汽车保有量达2.5亿辆。随着汽车数量的增多，交通事故也是成倍增加。据公安部交管部门统计，中国高速公路上46%的交通事故都是由轮胎引起的，而爆胎就占了70%，而胎压不足是爆胎的首要原因。因此，强制安装胎压监测系统势在必行。

GB 26149—2017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》规定：自2019年1月1日起，中国市场所有新认证乘用车必须安装胎压监测；自2020年1月1日起，所有在产乘用车开始实施强制安装要求。

1 胎压监测系统介绍

胎压监测系统，简称TPMS，用于汽车行驶时，实时地对轮胎气压和胎温进行自动监测，对轮胎气压过高、气压过低、温度过高和快速漏气等危险状态提前进行预警，确保行车安全。TPMS能实时监测所有车轮的气压，对低压、高压、高温、快速漏气等异常状态及时发出报警，提示驾驶员及时处理和排除爆胎事故的隐患，并能降低整车的油耗，延长轮胎使用寿命，对于提高汽车安全性能和燃油经济性有较大的意义。

2 胎压监测系统的分类

胎压监测系统根据其工作的原理可以分为直接式和间接式。

2.1 间接式胎压监测系统

间接式胎压监测系统是通过ABSESC系统的轮速传感器信号和侧向加速传感器信号来比较和分析轮胎之间的转速差别。当轮胎压力降低时，车辆的质量会使轮胎直径变小，通过这种变化来触发欠压警报。该类型的胎压属于被动式，无法直观地让客户了解实时的轮胎压力和温度等信息，同时静止时无法进行监测，动态反应时间太长，且误报率较高，将逐渐被淘汰。

2.2 直接式胎压监测

直接式胎压监测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，使用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到接收器模块上，然后对各轮胎气压数据进行显示。图1为胎压传感器安装图。当监测到轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。该类型的胎压属于事前主动预警型，反应快、准确、直观且能够满足GB 26149—2017中的试验要求。本文重点讨论直接式胎压监测系统。

图1 胎压传感器安装图

直接式胎压监测系统主要组成部分如下：①胎压接收器；②胎压传感器；③显示单元。如图2所示。

图2 胎压监测系统构成

按照GB 26149—2017中的要求，直接式TPMS可以分为Ⅰ类和Ⅱ类。其中对Ⅰ类胎压的要求高于于Ⅱ类，主要差异如表1所示。

表1 Ⅰ类胎压和Ⅱ类胎压主要差异

3 主要功能及技术方案描述

3.1 工作原理（图3）

图3 工作原理图

TPMS系统由胎压传感器、胎压接收控制器和显示单元组成。

4颗胎压传感器分别安装在4个轮胎内，通过无线射频信号（通常为433MHz）将其监测到的压力、温度等信息按一定的周期发送给胎压接收控制器。胎压接收控制器收到相关数据后，通过内部软件进行判断处理。如果软件判断轮胎出现欠压、快速漏气等故障时，会将故障报警需求发送至CAN总线。当显示单元接收到报警需求时，就会进行声光报警，提醒驾驶员。

3.2 主要功能

在GB 26149—2017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》中只规定了欠压报警和系统故障报警，但实际上TPMS还具有高压报警功能、高温报警功能、快速漏气报警功能、电池电量低报警功能。

欠压报警

按GB 26149—2017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》的要求，当车辆轮胎气压小于或等于车辆推荐的轮胎气压的75%时，需要进行欠压报警。

高压报警

当车辆轮胎气压大于或等于车辆推荐的轮胎气压的某一数值时（如125%时），需要进行高压报警。

高温报警当车辆轮胎温度大于或等于某一温度时（如120℃时），可以进行高温报警。

快速漏气报警

当车辆的一个或多个轮胎气压以一定的速率降低时（如气压以大于30kPa/min的速率降低时），可以进行快速漏气报警。

电池电量低报警

当安装在车辆轮胎中的胎压传感器内部电池电量低于一定值时，可以进行电池电量低报警，以提醒驾驶员尽快更换胎压传感器。

TPMS系统故障报警

按GB 26149—2017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》的要求，当车辆的TPMS系统出现故障时，需要在10min内进行故障报警提醒。图4为系统功能设计框图。

图4 系统功能设计框图

3.3 技术方案

目前业内的TPMS主要有以下3种总体方案。

胎压传感器+胎压控制模块（图5）胎压控制器集成了胎压射频信号接收和软件逻辑判断的功能。由于采用独立的模块实现信号接收和软件控制，故成本较高。

图5 胎压传感器+胎压控制模块

胎压传感器+车身控制模块（图6）

图6 胎压传感器+车身控制模块

车身控制模块集成了射频信号接收和胎压监测软件逻辑判断的功能。由于车身控制模块本身就内置遥控钥匙射频接收功能，同时集成胎压功能，在成本上具有较大的优势。但是由于车身控制模块通常安装在仪表板管梁上，此处环境较复杂，周边金属遮蔽较多，所以胎压信号的接收率不容乐观。

胎压传感器+射频接收模块+车身控制器（图7）

图7 胎压传感器+车身控制模块+射频模块

无线射频接收信号采用独立的模块接收（可分时接收胎压无线射频信号和遥控钥匙接收无线射频信号），其与车身控制模块采用LIN通信，并将接收到到射频信号传输给车身控制模块；胎压监测的软件策略由车身控制模块集成。由于射频接收模块体积较小，为提高无线射频接收效果，通常安装在顶棚上。由于顶棚上只有一个方向存在钣金遮挡，其优势在于可以很大程度上提升射频信号接收效果。对于遥控钥匙而言可以大大提高遥控距离，对于胎压监测来说接收率的提高，可以有效防止出现数据丢失的误报警。

4 功能实现

4.1 I类胎压监测实现方案

I类胎压监测实现方案主要有以下两种。

双向式

双向式胎压监测为了保证胎压传感器的激活可靠性，所以需要在每个车轮附近的车身上各安装一个激活模块，当车辆电源切换到ON时，激活模块就会开始工作并发送125kHz低频LF信号去激活胎压传感器，胎压传感器被激活后就会发送轮胎压力、温度等信息给接收控制单元去判断处理，接收单元通通过CAN总线将压力、温度等信息发送给显示单元显示。双向式胎压监测系统如图8所示。

图8 双向式胎压监测系统

由于需要4个激活模块，成本较高，业内使用较少。

单向全时接收

单向式系统需要胎压传感器按照一定的周期发送轮胎压力、温度等信息，为了使车辆上ON挡电就能显示压力、温度等信息，接收模块需要处于全时接收模式。单向式胎压监测系统如图9所示。

图9 单向式胎压监测系统

由于胎压传感器需要周期性地发送数据，接收模块需全时接收数据并处理和存储，所以对整车的静态电流以及传感器内置的钮扣电池是较大的挑战。

通常车身控制模块或射频接收模块都会内置遥控接收芯片和硬件电路，为了降低整车静态电流，通常在身控制模块或射频接收模块内部，采用遥控接收和胎压接收共用同一颗芯片的方式，同时也降低了硬件的成本。

为了进一步降低车辆停车状态下的功耗，身控制模块或射频接收模块在整车电源OFF状态下，采用低功耗的接收方式接收数据，即开窗口的方式进行接收，可以开占空比为1:15的窗口进行接收，即窗口打开2ms，关闭30ms，在打开窗口的时间内如果检测到符合胎压信息的数据流，则继续接收数据信息，如果不满足胎压的编码格式，则进入窗口关闭周期。

4.2 Ⅱ类胎压监测的实现方案

Ⅱ类胎压监测的实现方案主要有以下两种。

方案1

车辆车速必须达到一定值，比如25km/h（胎压传感器内置的加速度传感器检测到旋转加速度≥6G），胎压传感器会进入工作模式，并发送轮胎压力、温度等信息。车身控制模块或射频接收模块接收到射频信号后进行处理，并通过CAN总线传输给显示单元进行显示。

由于需要车辆行驶且车速达到一定值才能激活传感器工作，所以无法满足车辆上ON挡电的10s内显示胎压信息。所以车辆静止状态下，将车辆电源切换到ON，显示单元是无法显示轮胎压力和温度的数值的。

方案2

原理同方案1，只是车身控制模块或射频接收模块内部软件在车辆停车熄火时记忆了此时的轮胎压力、温度等信息，当车辆下次将电源切换到ON时，就会将EEPROM中存储的数据通过CAN总线发送给显示单元显示。所以从严格意义上来讲，它不是真正的I类胎压监测系统。

5 发射端方案设计

5.1 传感器芯片

目前业内采用最多的传感器芯片是英飞凌的SP400芯片。图10为基于SP40的传感器硬件原理框图。与英飞凌的上一代胎压监测传感器芯片SP370相比，SP400不仅集成了压力传感器、Z向加速度传感器、温度传感器、RF发射器、LF接收器、微处理器，而且具有更小的封装 （体积缩小59%）、更低的能耗（静态电流从550nA降至245nA）、更大的存储容量（6K Flash提高至12K Flash）、更高的测量精度（10位ADC提高至13位ADC）。

图10 基于SP40的传感器硬件原理框图

胎压传感器采用3V电池作为电源，工作时将定时采集轮胎压力、温度和加速度等信息，并定时将数据通过RF天线进行发送。 模块定时开低频窗口，用户可以通过低频（125kHz）对传感器进行ID匹配及实时读取传感器状态。

5.2 胎压传感器高频数据结构

胎压传感器的高频数据应具备以下的结构，数据编码方式采用曼彻斯特编码，详见表2。

表2 胎压传感器高频数据结构

5.3 传感器的工作模式

休眠模式

传感器出厂时处于休眠或运输模式，为了降低胎压传感器的功耗，内部软件通常每30～90s采样一次压力，但不发送数据。当收到LF低频触发命令时，比如车辆在产线使用触发工具触发和匹配的情况下，才会立即发送1包数据。

停车模式

为了降低胎压传感器和整车的功耗，停车模式下每12s采样一次。在压力没有变化的情况下，通常每2h发送1包数据，在压力变化≥10kPa的情况下，立即发送1包数据；从而保证压力实时更新。

运行模式

车辆在行驶过程中，每4s采样一次。在压力变化≤10kPa的情况下不发送数据，在压力变化≥10kPa的情况下，立即发送1包数据；从而保证压力实时更新。

6 传感器关键参数

6.1 RF调制模式

由于无线传输环境恶劣，而ASK调制方式的抗干扰性能较差，所以胎压传感器的调制模式通常选用FSK调制。

6.2 RF射频频率

在中国，《信部无〔2005〕423号》文件定义了微功率（短距离）无线电设备中各类民用设备的无线控制装置的频率为315MHz和433MHz，胎压传感器的RF频率通常选用433MHz。

6.3 LF频率

LF低频唤醒频率采用125kHz，业内普遍用于胎压和无钥匙系统的低配唤醒功能。

6.4 传输波特率

传输波特率通常选用9.6kb/s，相比4.2kb/s传输速度快，用时短，且能降低被干扰的几率和节省功耗。

6.5 RF编码

采用曼彻斯特编码（Manchester），不仅实现方式简单，而且具有良好的抗干扰性能和同步能力。

6.6 LF低频唤醒灵敏度

低频唤醒灵敏度唤醒的距离需要进行控制，即传感器安装到轮辋上后，使用车辆下线设备和售后激活仪激活的距离要进行控制。通常产线下线设备的激活距离建议在60～110cm，售后激活设备建议30～40cm。距离过小，则下线设备或售后手持激活设备不容易激活；距离过大，则传感器容易被误激活，造成传感器匹配混乱。尤其是不同厂家的产品混线生产，极易混乱。所以，不同厂家、不同车型的传感器低频唤醒灵敏度需要统一。

6.7 防护等级

由于传感器安装在轮胎中，所以需要对传感器进行密封处理，要求防水等级为IP69。

7 传感器功耗及寿命计算

胎压传感器设计寿命要求为≥8年或10万公里，以车辆每天行驶4h，每月行驶30天计算。

图11 为英飞凌SP40电池消耗计算。SP40的射频发射电流=7mA，静态电流=0.7μA。

图11 英飞凌SP40电池消耗计算图

以CR2032电池为例，其标称容量为350mAh，按照英飞凌提供的电池寿命计算软件计算，在不同的调制模式、波特率、每包数据含不同帧数的具体情况如表3所示。

表3 电池容量消耗对比表

由表3可以看出若调制模式采用FSK，波特率采用4.8K，则按照10年的设计寿命，理论计算的电池消耗容量已经占标称容量的95.8%，存在较大风险。

电池的标称容量还需要考虑电池电损耗情况，无法100%利用，我们在计理论算电池寿命一般取电池标称容量的60%～70%计算。所以采用FSK，9.6K波特率是比较合适的。

8 接收端方案设计

图12 为接收端原理框图。接收端采用NXP公司的NCK2913，该芯片是业界首颗支持3通道同时接收的高频接收芯片，其内部集成了射频接收和MCU，兼容ASK和FSK两种调制模式，支持跳频功能。有3个通道的射频接收，而且3个通道是可以同时打开并分别接收不同的频率。3个通道可以设置不同的接收带宽、调制方式、数据波特率等。

图12 接收端原理框图

NCK2913具有10kHz的带宽模式，在静态模式下，功耗为700nA左右，工作模式下（三通道全部打开）15mA左右，接收灵敏度可达-124dBm。

工作模式主要有以下几种。

1）运输模式

可通过LIN诊断配置实现运输模式，该模式下关闭了接收通道，当提供诊断配置退出该模式后，接收功能恢复正常。

2）睡眠Polling模式

车辆在熄火停车后，接收端采用车辆蓄电池供电并周期性工作，接收模端会进入低功耗睡眠模式 （Polling mode），内部检测时间一般为30ms开启一次窗口，开启窗口的时间为2ms，期间判断是否有高频信号需要接收。此模式下，静态电流<2mA。

3）全开模式

车辆在ON挡行驶时，接收端工作在全开模式，可接收三通道的RF数据，MCU采样周期为10ms，静态电流约15～20mA。

为了使接收端能够可靠地接收到发射端的数据，接收端（最终的产品）的接收灵敏度要求<-108dBm。

9 结束语

本文重点介绍了英飞凌SP40和NXP NCK2913实现胎压监测系统的方案，为胎压监测系统的设计提供了参考。