直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設計簡述

姚高飛，張令晉，張宇博，林軍昌

（合眾新能源汽車工程研究院，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

按照美國汽車工程師學會的調查，美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎壓力低或氣壓泄漏造成的，另外每年75%的輪胎故障是由于輪胎氣壓泄漏或胎壓不足造成的。

中國是全球汽車保有量大國，據(jù)公安部交管部門公布的最新數(shù)據(jù)，2019年上半年全國汽車保有量達2.5億輛。隨著汽車數(shù)量的增多，交通事故也是成倍增加。據(jù)公安部交管部門統(tǒng)計，中國高速公路上46%的交通事故都是由輪胎引起的，而爆胎就占了70%，而胎壓不足是爆胎的首要原因。因此，強制安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》規(guī)定：自2019年1月1日起，中國市場所有新認證乘用車必須安裝胎壓監(jiān)測；自2020年1月1日起，所有在產(chǎn)乘用車開始實施強制安裝要求。

1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)介紹

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，簡稱TPMS，用于汽車行駛時，實時地對輪胎氣壓和胎溫進行自動監(jiān)測，對輪胎氣壓過高、氣壓過低、溫度過高和快速漏氣等危險狀態(tài)提前進行預警，確保行車安全。TPMS能實時監(jiān)測所有車輪的氣壓，對低壓、高壓、高溫、快速漏氣等異常狀態(tài)及時發(fā)出報警，提示駕駛員及時處理和排除爆胎事故的隱患，并能降低整車的油耗，延長輪胎使用壽命，對于提高汽車安全性能和燃油經(jīng)濟性有較大的意義。

2 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的分類

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)其工作的原理可以分為直接式和間接式。

2.1 間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)是通過ABSESC系統(tǒng)的輪速傳感器信號和側向加速傳感器信號來比較和分析輪胎之間的轉速差別。當輪胎壓力降低時，車輛的質量會使輪胎直徑變小，通過這種變化來觸發(fā)欠壓警報。該類型的胎壓屬于被動式，無法直觀地讓客戶了解實時的輪胎壓力和溫度等信息，同時靜止時無法進行監(jiān)測，動態(tài)反應時間太長，且誤報率較高，將逐漸被淘汰。

2.2 直接式胎壓監(jiān)測

直接式胎壓監(jiān)測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，使用無線發(fā)射器將壓力信息從輪胎內部發(fā)送到接收器模塊上，然后對各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進行顯示。圖1為胎壓傳感器安裝圖。當監(jiān)測到輪胎氣壓太低或漏氣時，系統(tǒng)會自動報警。該類型的胎壓屬于事前主動預警型，反應快、準確、直觀且能夠滿足GB 26149—2017中的試驗要求。本文重點討論直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 胎壓傳感器安裝圖

直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)主要組成部分如下：①胎壓接收器；②胎壓傳感器；③顯示單元。如圖2所示。

圖2 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)構成

按照GB 26149—2017中的要求，直接式TPMS可以分為Ⅰ類和Ⅱ類。其中對Ⅰ類胎壓的要求高于于Ⅱ類，主要差異如表1所示。

表1 Ⅰ類胎壓和Ⅱ類胎壓主要差異

3 主要功能及技術方案描述

3.1 工作原理（圖3）

圖3 工作原理圖

TPMS系統(tǒng)由胎壓傳感器、胎壓接收控制器和顯示單元組成。

4顆胎壓傳感器分別安裝在4個輪胎內，通過無線射頻信號（通常為433MHz）將其監(jiān)測到的壓力、溫度等信息按一定的周期發(fā)送給胎壓接收控制器。胎壓接收控制器收到相關數(shù)據(jù)后，通過內部軟件進行判斷處理。如果軟件判斷輪胎出現(xiàn)欠壓、快速漏氣等故障時，會將故障報警需求發(fā)送至CAN總線。當顯示單元接收到報警需求時，就會進行聲光報警，提醒駕駛員。

3.2 主要功能

在GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》中只規(guī)定了欠壓報警和系統(tǒng)故障報警，但實際上TPMS還具有高壓報警功能、高溫報警功能、快速漏氣報警功能、電池電量低報警功能。

欠壓報警

按GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》的要求，當車輛輪胎氣壓小于或等于車輛推薦的輪胎氣壓的75%時，需要進行欠壓報警。

高壓報警

當車輛輪胎氣壓大于或等于車輛推薦的輪胎氣壓的某一數(shù)值時（如125%時），需要進行高壓報警。

高溫報警當車輛輪胎溫度大于或等于某一溫度時（如120℃時），可以進行高溫報警。

快速漏氣報警

當車輛的一個或多個輪胎氣壓以一定的速率降低時（如氣壓以大于30kPa/min的速率降低時），可以進行快速漏氣報警。

電池電量低報警

當安裝在車輛輪胎中的胎壓傳感器內部電池電量低于一定值時，可以進行電池電量低報警，以提醒駕駛員盡快更換胎壓傳感器。

TPMS系統(tǒng)故障報警

按GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》的要求，當車輛的TPMS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要在10min內進行故障報警提醒。圖4為系統(tǒng)功能設計框圖。

圖4 系統(tǒng)功能設計框圖

3.3 技術方案

目前業(yè)內的TPMS主要有以下3種總體方案。

胎壓傳感器+胎壓控制模塊（圖5）胎壓控制器集成了胎壓射頻信號接收和軟件邏輯判斷的功能。由于采用獨立的模塊實現(xiàn)信號接收和軟件控制，故成本較高。

圖5 胎壓傳感器+胎壓控制模塊

胎壓傳感器+車身控制模塊（圖6）

圖6 胎壓傳感器+車身控制模塊

車身控制模塊集成了射頻信號接收和胎壓監(jiān)測軟件邏輯判斷的功能。由于車身控制模塊本身就內置遙控鑰匙射頻接收功能，同時集成胎壓功能，在成本上具有較大的優(yōu)勢。但是由于車身控制模塊通常安裝在儀表板管梁上，此處環(huán)境較復雜，周邊金屬遮蔽較多，所以胎壓信號的接收率不容樂觀。

胎壓傳感器+射頻接收模塊+車身控制器（圖7）

圖7 胎壓傳感器+車身控制模塊+射頻模塊

無線射頻接收信號采用獨立的模塊接收（可分時接收胎壓無線射頻信號和遙控鑰匙接收無線射頻信號），其與車身控制模塊采用LIN通信，并將接收到到射頻信號傳輸給車身控制模塊；胎壓監(jiān)測的軟件策略由車身控制模塊集成。由于射頻接收模塊體積較小，為提高無線射頻接收效果，通常安裝在頂棚上。由于頂棚上只有一個方向存在鈑金遮擋，其優(yōu)勢在于可以很大程度上提升射頻信號接收效果。對于遙控鑰匙而言可以大大提高遙控距離，對于胎壓監(jiān)測來說接收率的提高，可以有效防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的誤報警。

4 功能實現(xiàn)

4.1 I類胎壓監(jiān)測實現(xiàn)方案

I類胎壓監(jiān)測實現(xiàn)方案主要有以下兩種。

雙向式

雙向式胎壓監(jiān)測為了保證胎壓傳感器的激活可靠性，所以需要在每個車輪附近的車身上各安裝一個激活模塊，當車輛電源切換到ON時，激活模塊就會開始工作并發(fā)送125kHz低頻LF信號去激活胎壓傳感器，胎壓傳感器被激活后就會發(fā)送輪胎壓力、溫度等信息給接收控制單元去判斷處理，接收單元通通過CAN總線將壓力、溫度等信息發(fā)送給顯示單元顯示。雙向式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 雙向式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

由于需要4個激活模塊，成本較高，業(yè)內使用較少。

單向全時接收

單向式系統(tǒng)需要胎壓傳感器按照一定的周期發(fā)送輪胎壓力、溫度等信息，為了使車輛上ON擋電就能顯示壓力、溫度等信息，接收模塊需要處于全時接收模式。單向式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 單向式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

由于胎壓傳感器需要周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，接收模塊需全時接收數(shù)據(jù)并處理和存儲，所以對整車的靜態(tài)電流以及傳感器內置的鈕扣電池是較大的挑戰(zhàn)。

通常車身控制模塊或射頻接收模塊都會內置遙控接收芯片和硬件電路，為了降低整車靜態(tài)電流，通常在身控制模塊或射頻接收模塊內部，采用遙控接收和胎壓接收共用同一顆芯片的方式，同時也降低了硬件的成本。

為了進一步降低車輛停車狀態(tài)下的功耗，身控制模塊或射頻接收模塊在整車電源OFF狀態(tài)下，采用低功耗的接收方式接收數(shù)據(jù)，即開窗口的方式進行接收，可以開占空比為1:15的窗口進行接收，即窗口打開2ms，關閉30ms，在打開窗口的時間內如果檢測到符合胎壓信息的數(shù)據(jù)流，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)信息，如果不滿足胎壓的編碼格式，則進入窗口關閉周期。

4.2 Ⅱ類胎壓監(jiān)測的實現(xiàn)方案

Ⅱ類胎壓監(jiān)測的實現(xiàn)方案主要有以下兩種。

方案1

車輛車速必須達到一定值，比如25km/h（胎壓傳感器內置的加速度傳感器檢測到旋轉加速度≥6G），胎壓傳感器會進入工作模式，并發(fā)送輪胎壓力、溫度等信息。車身控制模塊或射頻接收模塊接收到射頻信號后進行處理，并通過CAN總線傳輸給顯示單元進行顯示。

由于需要車輛行駛且車速達到一定值才能激活傳感器工作，所以無法滿足車輛上ON擋電的10s內顯示胎壓信息。所以車輛靜止狀態(tài)下，將車輛電源切換到ON，顯示單元是無法顯示輪胎壓力和溫度的數(shù)值的。

方案2

原理同方案1，只是車身控制模塊或射頻接收模塊內部軟件在車輛停車熄火時記憶了此時的輪胎壓力、溫度等信息，當車輛下次將電源切換到ON時，就會將EEPROM中存儲的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給顯示單元顯示。所以從嚴格意義上來講，它不是真正的I類胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。

5 發(fā)射端方案設計

5.1 傳感器芯片

目前業(yè)內采用最多的傳感器芯片是英飛凌的SP400芯片。圖10為基于SP40的傳感器硬件原理框圖。與英飛凌的上一代胎壓監(jiān)測傳感器芯片SP370相比，SP400不僅集成了壓力傳感器、Z向加速度傳感器、溫度傳感器、RF發(fā)射器、LF接收器、微處理器，而且具有更小的封裝 （體積縮小59%）、更低的能耗（靜態(tài)電流從550nA降至245nA）、更大的存儲容量（6K Flash提高至12K Flash）、更高的測量精度（10位ADC提高至13位ADC）。

圖10 基于SP40的傳感器硬件原理框圖

胎壓傳感器采用3V電池作為電源，工作時將定時采集輪胎壓力、溫度和加速度等信息，并定時將數(shù)據(jù)通過RF天線進行發(fā)送。 模塊定時開低頻窗口，用戶可以通過低頻（125kHz）對傳感器進行ID匹配及實時讀取傳感器狀態(tài)。

5.2 胎壓傳感器高頻數(shù)據(jù)結構

胎壓傳感器的高頻數(shù)據(jù)應具備以下的結構，數(shù)據(jù)編碼方式采用曼徹斯特編碼，詳見表2。

表2 胎壓傳感器高頻數(shù)據(jù)結構

5.3 傳感器的工作模式

休眠模式

傳感器出廠時處于休眠或運輸模式，為了降低胎壓傳感器的功耗，內部軟件通常每30～90s采樣一次壓力，但不發(fā)送數(shù)據(jù)。當收到LF低頻觸發(fā)命令時，比如車輛在產(chǎn)線使用觸發(fā)工具觸發(fā)和匹配的情況下，才會立即發(fā)送1包數(shù)據(jù)。

停車模式

為了降低胎壓傳感器和整車的功耗，停車模式下每12s采樣一次。在壓力沒有變化的情況下，通常每2h發(fā)送1包數(shù)據(jù)，在壓力變化≥10kPa的情況下，立即發(fā)送1包數(shù)據(jù)；從而保證壓力實時更新。

運行模式

車輛在行駛過程中，每4s采樣一次。在壓力變化≤10kPa的情況下不發(fā)送數(shù)據(jù)，在壓力變化≥10kPa的情況下，立即發(fā)送1包數(shù)據(jù)；從而保證壓力實時更新。

6 傳感器關鍵參數(shù)

6.1 RF調制模式

由于無線傳輸環(huán)境惡劣，而ASK調制方式的抗干擾性能較差，所以胎壓傳感器的調制模式通常選用FSK調制。

6.2 RF射頻頻率

在中國，《信部無〔2005〕423號》文件定義了微功率（短距離）無線電設備中各類民用設備的無線控制裝置的頻率為315MHz和433MHz，胎壓傳感器的RF頻率通常選用433MHz。

6.3 LF頻率

LF低頻喚醒頻率采用125kHz，業(yè)內普遍用于胎壓和無鑰匙系統(tǒng)的低配喚醒功能。

6.4 傳輸波特率

傳輸波特率通常選用9.6kb/s，相比4.2kb/s傳輸速度快，用時短，且能降低被干擾的幾率和節(jié)省功耗。

6.5 RF編碼

采用曼徹斯特編碼（Manchester），不僅實現(xiàn)方式簡單，而且具有良好的抗干擾性能和同步能力。

6.6 LF低頻喚醒靈敏度

低頻喚醒靈敏度喚醒的距離需要進行控制，即傳感器安裝到輪輞上后，使用車輛下線設備和售后激活儀激活的距離要進行控制。通常產(chǎn)線下線設備的激活距離建議在60～110cm，售后激活設備建議30～40cm。距離過小，則下線設備或售后手持激活設備不容易激活；距離過大，則傳感器容易被誤激活，造成傳感器匹配混亂。尤其是不同廠家的產(chǎn)品混線生產(chǎn)，極易混亂。所以，不同廠家、不同車型的傳感器低頻喚醒靈敏度需要統(tǒng)一。

6.7 防護等級

由于傳感器安裝在輪胎中，所以需要對傳感器進行密封處理，要求防水等級為IP69。

7 傳感器功耗及壽命計算

胎壓傳感器設計壽命要求為≥8年或10萬公里，以車輛每天行駛4h，每月行駛30天計算。

圖11 為英飛凌SP40電池消耗計算。SP40的射頻發(fā)射電流=7mA，靜態(tài)電流=0.7μA。

圖11 英飛凌SP40電池消耗計算圖

以CR2032電池為例，其標稱容量為350mAh，按照英飛凌提供的電池壽命計算軟件計算，在不同的調制模式、波特率、每包數(shù)據(jù)含不同幀數(shù)的具體情況如表3所示。

表3 電池容量消耗對比表

由表3可以看出若調制模式采用FSK，波特率采用4.8K，則按照10年的設計壽命，理論計算的電池消耗容量已經(jīng)占標稱容量的95.8%，存在較大風險。

電池的標稱容量還需要考慮電池電損耗情況，無法100%利用，我們在計理論算電池壽命一般取電池標稱容量的60%～70%計算。所以采用FSK，9.6K波特率是比較合適的。

8 接收端方案設計

圖12 為接收端原理框圖。接收端采用NXP公司的NCK2913，該芯片是業(yè)界首顆支持3通道同時接收的高頻接收芯片，其內部集成了射頻接收和MCU，兼容ASK和FSK兩種調制模式，支持跳頻功能。有3個通道的射頻接收，而且3個通道是可以同時打開并分別接收不同的頻率。3個通道可以設置不同的接收帶寬、調制方式、數(shù)據(jù)波特率等。

圖12 接收端原理框圖

NCK2913具有10kHz的帶寬模式，在靜態(tài)模式下，功耗為700nA左右，工作模式下（三通道全部打開）15mA左右，接收靈敏度可達-124dBm。

工作模式主要有以下幾種。

1）運輸模式

可通過LIN診斷配置實現(xiàn)運輸模式，該模式下關閉了接收通道，當提供診斷配置退出該模式后，接收功能恢復正常。

2）睡眠Polling模式

車輛在熄火停車后，接收端采用車輛蓄電池供電并周期性工作，接收模端會進入低功耗睡眠模式 （Polling mode），內部檢測時間一般為30ms開啟一次窗口，開啟窗口的時間為2ms，期間判斷是否有高頻信號需要接收。此模式下，靜態(tài)電流<2mA。

3）全開模式

車輛在ON擋行駛時，接收端工作在全開模式，可接收三通道的RF數(shù)據(jù)，MCU采樣周期為10ms，靜態(tài)電流約15～20mA。

為了使接收端能夠可靠地接收到發(fā)射端的數(shù)據(jù)，接收端（最終的產(chǎn)品）的接收靈敏度要求<-108dBm。

9 結束語

本文重點介紹了英飛凌SP40和NXP NCK2913實現(xiàn)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的方案，為胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計提供了參考。