汽车轮胎压力监视系统的设计思考

1、汽车轮胎压力监视系统的设计思考    汽车轮胎压力监视系统的设计思考 IPCore 颜重光 高工 摘要:介绍TPMS的总体设计方案和主要部件的功能. 关键词: TPMS 压力/温度 TPMS TPMS 是汽车轮胎压力监视系统 "Tire Pressure Monitoring System"的英文缩写,主要用于在汽车行驶时实时的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,是驾车者,乘车人的生命安全保障预警系统. 在汽车的高速行驶过程中,轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的,也是突发性交通事故发生的重要原因.

2、据统计,在高速公路上发生的交通事故有70%-80%是由于爆胎引起的.怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题.据有关专家的分析,保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键.而TPMS汽车胎压监视系统毫无疑问将是理想的工具.2000年美国国会通过了TREAD法案.TREAD法案的要求之一是到2007年,所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统.2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案,要求2003年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置.回应TREAD法案,美国公路交通安全局(NTHTSA)要求到2007年,所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压

3、力监视系统,并提出了汽车生产商的执行时间表:美国市场出售的汽车,2004年占10%,2005年占35%, 2006年占65%,2007年 将达100%.美国每年的汽车销量约为1500万辆(轿车/卡车).全球每年约5000万辆,平均每辆车需要4.2个轮胎(不包括备用胎). 目前,TPMS主要分为两种类型:一种是间接式TPMS,它通过汽车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,其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断.另一种是直接式TPMS,它利用安装在每一个轮胎里的以锂亚 直接式有源TPMS将是市场主流方案现有的无源TPMS方案尚

4、未成熟46%49%73%93%35%13%15%Year图1 中国TPMS市场预测 图2 国际TPMS市场预测 美国,欧洲已先后立法,要求在今后几年内实现汽车全部安装TPMS,因此,对TPMS的需要量与日俱增,美国的人工每小时起码7.5元美金,差不多是中国工人的日工资,面对量大的产品需要降低生产成本,TPMS的生产正在转向中国.今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国. 人的生命是最可贵的,因此,为与世界先进国家同步,我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台.因此,目前我们国内已有数百家设计公司,生产厂家开始开发,设计,生产TPMS. TPMS产品技术 TPMS系统主

5、要有二个部分组成:安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器(LCD/LED显示器).直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度模块,将测量得到的信号调制后通过高频无线电波(RF)发射出去.一个TPMS系统有4个或5个(包括备用胎)TPM模块.中央监视器接收TPM模块发射的信号,将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上,供驾驶者参考.如果轮胎的压力或温度出现异常,中央监视器根据异常情况,发出报警信号,提醒驾驶者采取必要的措施. 由于汽车轮胎现在大多都是没有内胎的真空子午胎,因此,将TPMS的轮胎压力监测模块安装在轮毂上是十分方便和容易的,但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温

6、度是十分恶劣的,压力,温度,湿度变化特别大,所以该模块的设计要按军级产品的要求来选用元器件,按工业产品的要求来制订生产工艺,然而它是一个量大面广的汽车通用安全产品,要按消费图3 轮胎压力监测模块由五个部分组成 图4 轮胎压力监测模块内部结构 图5 ASIC/MCU的内部结构 3ASIC/MCU 压力/温度导入孔 压力/温度 传感器 图6 压阻式传感器模块的剖面 图7 传感器模块上方P/T导入孔 应变片 悬臂质量块 真空腔 压力 应变片 图8 硅压力传感器内部结构 图9 硅加速度传感器内部结构 MCU 加速度传感器 压力/温度传感器 图10 NPX轮胎压力传感器模块 图11 轮胎压力传感器模块内

7、部结构 适用于TPMS的智能传感器主要有硅集成href=' target='_blank'>能源,做好电源管理和如何省电是关键所在. 8)TPMS的天线 天线是远程轮胎压力监测模块发射功率提升的关键,天线技术涉及天线的几何形状,材料,介质等诸多因素.TPMS发射器的天线靠近气门咀,位于轮毂内,因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽,以及车轮高速行驶时天线不断变换方向,角度的影响.螺旋天线可能是一种比较好的选择,它可扩大发射和接收的角度,有效地克服静动态盲点.螺旋天线的直经(D),圈数(N),圈间距(S),螺旋角()决定了天线的效率,增益和方向性. T

8、PMS发射模块的安装 由于现在的汽车大多都已取消了内胎,因此给TPMS发射模块安装带来了极大的方便.发射模块在汽车轮胎内的安装有二种方式,一是利用气门咀安装(图13),这是目前使用最多的;二是利用紧箍扣安装在轮毂上(图14),这是最早的办法,但振动后会移位.另有一种是安装在轮胎外的气门咀上(图15),称之外置TPMS.无论采用哪种方式,安装完TPMS发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验. 图13 利用气门咀安装 图14 利用紧箍扣安装在轮毂上 图15 安装在轮胎外的气门咀上 央监视器 即TPMS接收器主要由天线,UHF RF接收IC和信号处理MCU,键盘,LCD提高TPMS的工作效率和降低整中

9、中央监视器/LED显示器,电源组成(图16).RF接收IC和信号处理MCU安装在一个盒子里,可安装在汽车仪表箱内,带 图16 TPMS的中央监视器 图17 LCD显示器 TPMS系统方案 2传感器模块,ATAR862(MCU+RF/T5754),T5743,AVR MCU主要芯片个TPMS发射模块(备胎还需要1个),1个TPMS接收器.一辆卡车需要这是一个由SP1组成的整套TPMS系统方案(图18).由于TPMS可用IC的不断推新,目前已有多种可以实用的方案. 一辆轿车需要46-12个TPMS发射模块(图19).为了提高系统的接收能力和抗干扰能力,系统安装时需要在汽车底盘安装接收天线,如图19

10、所示. 图18 TPMS系统方案 图19 轿车与卡车的TPMS安装 SP12 7器件的选择 S发射模块工作在剧烈振动,环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下,因此个按工业标准设计,生产,检验,按消费电子产品价格销售的产品,因此产品的省电与唤醒 TPMS发射模块在一节锂电池下能工作3-5年,系统节电是一个十分重要的课题,压与温度 压力与温度是密切相关的,也是汽车驾乘人员的生命安全所系. 呈环状断裂,增高,使轮胎胎面的中部能超过80度,当温度达到9Alec 考资料: 感器应用指南 颜重光等主编 电子工业出版社 1998/04 - 由于TPM要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性,能适应工作在-4

11、0°C到+125°C温度范围.为了缩小TPMS发射模块的体积,节省功耗和增强功能,需要尽可能的选用片上复合芯片,如包含压力,温度,加速度和ASIC的复合芯片,包含MCU和Tx(RF)或Rx(RF)的复合芯片. TPMS是一生产成本至关重要.产品的ESD保护要附合MIL-STD.833的标准,即人体模式(HBM)>4KV. 为了提高因此只有在大多数时间让系统进入睡眠状态,才能省电与延长电池寿命.汽车启动时和进入高速行驶时,唤醒TPMS系统的方法一般有二种,一是汽车启动时TPMS自检,进入高速行驶时用事先设定软件程序定时巡回检测,为此需要TPMS接收器发出呼唤信号,在TP

12、MS发射模块上要安置唤醒(Wake-up)芯片,如ATA5283,由于唤醒频率为125KHz低频,TPMS接收器要发出具有一定功率的呼唤信号,需要在TPMS接收器上增加一级天线驱动,如ATA5275;二是在传感器模块中增加加速度传感器,利用其质量块对运动的敏感性,实现汽车启动自动开机,进入系统自检,汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期,用软件设定安全期,敏感期和危险期,以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力. 胎汽车轮胎的汽车轮胎轮胎气压低于标准值时,变形增大,受力发生变化,易使轮壁帘布层胎面磨损不均,胎肩的磨损急剧增大;同时,各部件胶于帘布层,帘布层之间剪切力增大,生热加剧,使胶层与帘线的物理性能下降,轮胎使用寿命缩短.若胎压长期低于正常气压的80%,在高速行使时,轮胎会急剧升温而脱层,最后导致爆胎. 轮胎气压高于标准值时,因轮胎与地面接触的面积减少,单位压力磨损增加.通过室内试验证明:一般认为提高气压25%,轮胎寿命将会降低15-20%;降低气压25%,寿命大约降低30%.(注意:一般轿车的轮胎正常气压值在210kpa左右(1kgf/cm=98kpa),多座位商务车(7-9座)在240kpa左