智能傳感器的汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)研究

摘 要:在汽車的高速行駛過程中， 輪胎故障是所有駕駛員最為擔(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。如何防止爆胎已成為保障高速公路駕駛安全的一個重要課題。

關(guān)鍵詞:智能傳感器;汽車輪胎壓力;監(jiān)視系統(tǒng)

中圖分類號:TP

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0288-02

汽車輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)~是有效解決爆胎問題的研究成果之一。在汽車行駛過程 中， TPMS 可以實時地對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測 ， 當(dāng)檢測出輪胎漏氣或氣壓過低時， 會發(fā)出警報， 以保障行車安全。 目前 ， TPMS 產(chǎn)品主要分2 種類型: 一種是間接式TPMS ， 通過汽車ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來 比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別， 從而達(dá)到監(jiān)視輪胎氣壓的目的。這種類型TPMS的主要缺點(diǎn)是無法對2 個以上輪胎同時缺氣的狀況和車輛行駛速度超過100 公里/I1 ，時的情況進(jìn)行判斷 ; 另一種是直接式TPMS ， 這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓 ， 并對各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。直接式TPMS 由2個部分組成 :①遠(yuǎn)程輪胎氣壓監(jiān)視模塊( 發(fā)射器) 。該模塊直接安裝在每個輪胎的氣嘴上，用來測量輪胎氣壓， 當(dāng)輪胎氣壓低于設(shè)定值時， 該模塊工作， 并將測量得到的信號通過高頻無線電波(RF)發(fā)射出去。一個TPMS 有4 個或5 個( 包括備用胎) 遠(yuǎn)程輪胎氣壓監(jiān)視模塊。 ②中央監(jiān)視器( 接收器) 。 當(dāng)中央監(jiān)視器接收到遠(yuǎn)程輪胎氣壓監(jiān)視模塊發(fā)射的信號后 ， 經(jīng)過一系列的處理， 用聲音( 發(fā)出報警聲) 、 數(shù)字或者光電信號顯示故障輪胎的位置， 提醒駕駛員采取必要的處理措施。直接式TPMS從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。歐洲的許多汽車生產(chǎn)廠家已將直接式TPMS配裝于他們的汽車產(chǎn)品之中，其中包括德國寶馬的Z8型轎車、法國雪鐵龍的C5型轎車、英國阿斯頓#8226;馬汀的超級跑車Vanquish和林肯大陸、旁蒂克的旗艦Bonneville SE等。梅賽德斯一奔馳S級系列轎車最新的改進(jìn)，也將TPMS~為選裝件。

在一些汽車制造水平高的國家，如美國已經(jīng)開始立法要求在新研制的汽車中必須要具有輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。根據(jù)最近的市場分析，整個TPMS的市場將達(dá)到3500萬美金。因為輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)包括在輪胎內(nèi)部直接測量壓力的傳感器，如果每輛使用4到5個傳感器的話，這就具有相當(dāng)可觀的市場前景。本文討論了一種基于先進(jìn)微系統(tǒng)技術(shù)的新產(chǎn)品平臺KP500，它將傳感器、控制器和存儲器集成在了一個芯片上。輪胎壓力監(jiān)系統(tǒng)面臨的主要問題就是在微型電池有限的能源下有較長的使用壽命。降低自身測量所需要的能耗是一方面，采用能耗較低的電容型壓力傳感器(如所討論的KP500傳感器系列)也可以延長使用壽命。分析測量數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛實際情況(熄火或運(yùn)行)來改變傳感器的工作狀態(tài)，從而改變系統(tǒng)的能源管理是達(dá)到較長的使用壽命的關(guān)鍵。

1 直接式輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)可以分為間接式TPMS和直接式TPMS。間接式TPMS有可分為間接式計算式輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)、比較式輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)、磁敏式輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)。而直接式TPMS系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無限傳輸方式調(diào)制發(fā)射到中央控制單元(MCU)。駕駛臺儀表盤上的監(jiān)視器隨時顯示各個輪胎的氣壓。

一部分(子機(jī))裝在輪胎內(nèi)部和輪轂上，另一部分(主機(jī))則裝在汽車駕駛室儀表板上，這兩部分之間采用射頻收發(fā)技術(shù)來進(jìn)行無線通訊。為保證信息傳輸質(zhì)量，在信息發(fā)送端和信息接收端之間采用脈沖編碼調(diào)制的射頻信號進(jìn)行無線通訊。直接式輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)包含有4～5個輪胎壓力監(jiān)控模塊。每只輪胎重有一個，外加一個中央處理單元。輪胎壓力監(jiān)視控模塊主要測量輪胎內(nèi)部的壓力和溫度的波動情況。它們是由微型鋰離子電池驅(qū)動，且通過射頻收發(fā)技術(shù)向中央處理單元(微控制器)傳輸數(shù)據(jù)。出于節(jié)省功率考慮的原因，需要根據(jù)車輛的實際運(yùn)行情況來改變射頻傳輸?shù)闹芷凇z測分析部分(子機(jī))檢涮分析部分(主機(jī))壓力監(jiān)視控模塊有3種基本功能:測量、控制和傳輸。新一代Intineon發(fā)送器(如PMAS100)具有微控制器功能，可以與KPS05(輪胎壓傳感器KPS00系列中的一種)理想地匹配。很多控制器的功能可以在KP5o5這個傳感器上實現(xiàn)。KP510傳感器是一種可以直接和標(biāo)準(zhǔn)的超高頻(UHF)發(fā)送器芯片(如TA5100)匹配使用的智能傳感器，它可以在幅移鍵控模式(ASK)或頻移鍵控模式(FSK)下以434MHz或869MHz的頻率工作。

2 用于輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的KP500

德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KP500具備輪胎監(jiān)控模塊所需要的所有功能，它不需要在傳感器模塊中增加速度傳感器，可以在汽車啟動時自動開機(jī)進(jìn)入自檢，能測量壓力、溫度和電壓等。KP500將傳感器單元和A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理、校定數(shù)據(jù)存儲、能源管理以及同步串行通信接口(SS1)完全集成在一起，使集成系統(tǒng)更為便利和靈活。配備一顆微型電池的KPS00傳感器設(shè)計達(dá)到的使用壽命是10年以上，這也包括了低功率的微控制器和發(fā)送器的電能供應(yīng)。大多數(shù)的電路系統(tǒng)只需要在測量時的很短時間間隔里被激活。一個測量循環(huán)可以由外部命令和內(nèi)部的自醒算法來觸發(fā)。一個最佳的測量頻率為一秒鐘1次或2次，這個頻率對于改變非常緩慢的被測壓力來說已經(jīng)足夠的了。

2.1 壓力和溫度數(shù)據(jù)的讀取

獲取方法有逐次逼近法和閾值檢查法。逐次逼近法可以將壓力和溫度轉(zhuǎn)化為8位數(shù)字量，但要消耗更多的電能;閥值檢查法按預(yù)先設(shè)置的閥值檢查所側(cè)的壓力和溫度是否超越了閾值。壓力傳感模塊由表面微機(jī)械加工的電容傳感單元構(gòu)成，壓力范圍達(dá)到650kPa。其中2個傳感陣列和2個基準(zhǔn)陣列構(gòu)成了一個電容橋式電路。實際的壓力改變了傳感器陣列的電容，從而使得電橋失衡最后橋電壓加載到微分A/D轉(zhuǎn)換器上，這種轉(zhuǎn)化是用逐次逼近法(SAR)的方法來完成的。對于這樣的應(yīng)用來說，電容型傳感器是一個理想選擇，因為它的能耗較低。與壓電電阻壓力傳感器相比，后者需要有電流來產(chǎn)生信號，電容型傳感器在傳感器單元上測量電荷數(shù)量，但這個過程只需要很小的電流。每次壓力測量所需的電流消耗可以比傳統(tǒng)的壓電電阻傳感器低10個百分點(diǎn)。溫度傳感模塊是基于工作在不同射極電流電流密度下2個完全相同的雙極晶體管的基極發(fā)射極電壓差值來測量的。電路中產(chǎn)生的電壓差值和結(jié)對溫度成正比，帶隙基準(zhǔn)電壓在測量溫度的時候作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的參考電壓。溫度測量可以由SPI總線觸發(fā)或是由內(nèi)部的計數(shù)器來觸發(fā)。計數(shù)器是按壓力測量頻率來計時的，所以這種情況下溫度測量頻率和壓力測量頻率是一樣的。

2.2 KP500傳感器的只能喚醒模式

通常，輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中也用到加速度計來監(jiān)測車輛是否處于運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)車輛沒有運(yùn)行時，測量頻率可以低一些，這樣可以節(jié)省能源，但是這樣在相當(dāng)大的程度上增加了系統(tǒng)的成本。KP500傳感器則不需要有另外的輔助傳感器，被測的壓力數(shù)據(jù)自身為確定射頻傳頻率提供了一個非常重要的依據(jù)。KPS00傳感器會根據(jù)監(jiān)控到的即時壓力變化來決定最適宜的射頻傳輸頻率，這樣可以節(jié)省能源。芯片對所測的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析后啟用智能喚醒程序，這種算法為用射頻收發(fā)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)計算最佳的時間。如果所監(jiān)測到的壓力沒有改變就不需要傳輸信號，這樣就可節(jié)省寶貴的能源;相反，壓力的快速變化要求向中央處理單元進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸(警告模式)。在中央處理單元的進(jìn)一步信號處理后將決定是否要對駕駛員發(fā)出警告。智能喚醒的原理是根據(jù)壓力的變化情況，在固定的時間間隔進(jìn)行測量，但傳輸頻率隨壓力梯度而定。當(dāng)壓力恒定時傳輸?shù)念l率就低，在壓力快速改變的階段，傳感器與中央處理單元會進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸。智能地調(diào)整數(shù)據(jù)的傳輸次數(shù)對KPS00壓力傳感器系列的整體節(jié)能有很大的幫助。

2.3 EEPROM弄口ID

KPS00的壓力傳感模塊可以在IFX生產(chǎn)線上進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定系數(shù)被儲存在內(nèi)不的電可擦編程只讀存存儲器中，溫度傳感器不需要標(biāo)定。另外，電可擦編程只讀存貯器包含一個“獨(dú)特的”32位序列號，它在IFX的整個制作過程中是可追蹤的。

芯片識別碼(ID)可以由同步串行接口(SSI)讀出，而且可以用于辨識各個輪胎壓力傳感器的位置。這里選擇ID長度為32位。為避免相同ID碰到一起的可能性，可擴(kuò)展到48位。在接收數(shù)據(jù)的時候，首先要檢查ID，如果發(fā)現(xiàn)ID不符，就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)接收機(jī)發(fā)現(xiàn)ID一批配上，就修改狀態(tài)位并指示輪胎的位置。對于中央處理單元準(zhǔn)確的就收和處理各個傳感器的數(shù)據(jù)很重要，可以避免從其他車上接收到不需要的干擾數(shù)據(jù)。

2.4 通信接口

同步串行接口(SSI)是各類DSP處理器中的常見接口，它適用于微控制器和外圍設(shè)備之間進(jìn)行通信的一個公用接口。KP505常作為微控制器的從設(shè)備來使用，他們之間SSI端口進(jìn)行通信。因此一個寫入操作以為真數(shù)據(jù)從微控制器傳輸?shù)絺鞲衅?，而讀操作是指微控制器從傳感器處獲取數(shù)據(jù)。SSI接口采用了4種線路:串行時鐘、串行數(shù)據(jù)輸出、串行數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)同步(Ds)?？梢詫?shù)據(jù)同步線配置成為傳感器的喚醒觸發(fā)線。在這種情況下，數(shù)據(jù)同步線上沒有任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹暗汀泵}沖觸發(fā)這個喚醒。處理完成后，新的數(shù)值可以再沒有進(jìn)一步通信的情況下被直接讀出。除了溫度和壓力外，KP505傳感還可提供如平均值和噪聲電平等信息。傳感器和傳送器的智能喚醒參數(shù)的確定也可以通過SSI編程來實現(xiàn)，因此這類傳感器能適應(yīng)各種類型的輪胎和車輛。

2.5 表面微機(jī)械加工

KP500傳感器是利用表面微機(jī)械加工(SMM)技術(shù)制作的。表面微機(jī)械加工能將復(fù)雜的電路和存儲器集成起來，這樣就可以儲存標(biāo)定數(shù)據(jù)、配置文件和輪胎的標(biāo)識號。Infine-on公司利用表面微機(jī)械加工技術(shù)在BiCMOS上集成壓力傳感器單元。因為BiCMOS可以提供雙極性和COMS其間，這種技術(shù)代表了最先進(jìn)的微系統(tǒng)技術(shù)。1998年Infin~n公司開始批量生產(chǎn)這種由微機(jī)械加工技術(shù)制作新穎的壓力傳感器。具有模擬和數(shù)值輸出的表面微機(jī)械加工的傳感器也在大規(guī)模生產(chǎn)。表面微機(jī)械加工中，傳感器用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制作工藝實現(xiàn)。目前0.8m的BiCOMS上高度集成的輪胎壓力傳感器芯片，將進(jìn)一步推進(jìn)SMM技術(shù)發(fā)展。壓力傳感器以電容傳感器單元為基礎(chǔ)，由薄膜，硅底座和密封腔組成。薄膜和硅底座構(gòu)成了電容的2個極板，他在壓力作用下彎曲而導(dǎo)致傳感單元的電容變化。薄膜的成分是多晶硅，它是Bj-COMS工藝的一部分。在BiCMOS里被用于絕緣層的熱氧化物層在微機(jī)械加工部分作為犧牲氧化層。在其它工藝中要用對多晶硅薄膜有很高的選擇性的濕法化學(xué)腐蝕法來除去犧牲氧化層，將結(jié)構(gòu)層釋放出來。表面為機(jī)械加工技術(shù)可以為TPMS提供所需要的要求高、功耗低及精度高的傳感器模塊，這樣就降低了TPMS的生產(chǎn)成本。

3 結(jié)束語

先進(jìn)的微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展使得傳感器功能更先進(jìn)、更智能。這些傳感器能夠處理這些手機(jī)到底數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)傳

輸?shù)念l率，這樣可以為TPMS節(jié)約電能，同時也減少系統(tǒng)成本。13本阿爾卑斯電氣公司開發(fā)了不需電池的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在輪胎上配備不需電池的轉(zhuǎn)換器解決此前存在的需要更換電池以及車輛高速行駛時由于電池質(zhì)量而導(dǎo)致輪胎變形等問題，可直接測定輪胎內(nèi)部壓力，通過安裝在車身上的收發(fā)器進(jìn)行氣壓數(shù)據(jù)信息的收發(fā)。該系統(tǒng)于2007年投入批量生產(chǎn)。輪胎氣壓監(jiān)視技術(shù)是一項通過防止爆胎事先預(yù)防車禍的最新技術(shù)，使人們行車安全意識從“事后處理”時代到了“主動防范”的時代。