汽车轮胎气压监测系统开发现状与展望

1  概述
     在汽车的高速行驶中，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。据统计，在国内的高速公路上，由爆胎引发的交通事故占事故总数的７０％。在美国，这一比例更高达８０％[1]。爆胎造成的经济损失巨大，怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题，研究表明，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。于是汽车轮胎气压监测系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）应运而生。
     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11月以后的新车把轮胎气压监测系统作为标准配置[2]。而最新的中华人民共和国国家标准"机动车运行安全技术条件"（征求意见稿2003年11月24日）中的安全防护装置条款中有一条："车长大于6m的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于12000kg的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置"，"有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施。"可见我国政府也开始重视汽车轮胎气压监测设备的发展和应用。
 2  轮胎气压监测系统的组成及工作原理
     目前，TPMS主要分为两种类型，一种是Wheel-Speed Based TPMS（间接式TPMS）。另一种是Pressure-Sensor Based TPMS（直接式TPMS）。2001年7月，美国运输部和国家高速公路安全管理局联合对现有的两种TPMS系统进行了评价，评价报告认为PSB TPMS从功能和性能上均优于WSB TPMS，从而使研制直接式TPMS成为流行趋势。 
 2.1 间接式TPMS
     间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。以上海通用别克轿车安装的轮胎气压监测系统（TIMS）为例。该系统由以下几个部件组成：①4个车轮转速传感器；②车身控制模块(BCM)；③复位开关；④轮胎压力过低〔LOWTIRE)报警灯；⑤数据诊断接头(DLC)；⑥线束和连接器。
     当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而点亮LOW TIRE报警灯。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的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。
 2.2 直接式TPMS
     直接式TPMS技术又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主要区别是主动式TPMS中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。
 2.2.1主动式TPMS
     主动式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。以加拿大Smartire轮胎智能监测系统为例。系统主要由传感发射器、接收器和显示器组成。
  
     主动式技术的优点是，它是一成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主动式TPMS传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端，如电池的寿命有限；当气温严重降低时，电池的容量就会受到影响而减少；这使得它的可靠性不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重量。
 2.2.2被动式TPMS
     被动式TPMS，也叫无电池TPMS，用一个中央收发器（central transceiver）代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器（transponder）（代替了发射器）接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。因此，无电池TPMS短期内还难以流行。
 3  轮胎气压监测系统开发研究现状分析
     迄今，国外已有许多车型装配了TPMS，这些车型有：奥迪系列：A8、A6 Allroad、A8 Nachfolger (D3)、RS 6 Bentley Mid Size Bentley (MSB) ；宝马系列：7系列、5系列、3系列、X 5、Series 7 (新)、Series 5（新)、X 3； 奔驰系列：E-Class AMG、CL、S-Class、SL-Roadster、E-Class、Maybach、S-Class (新)、SL-Class、SLR；法拉利系列： 575 Maranello、Enzo、F 137、Modena Maserati M 139 (Projektname)；保时捷系列：Cayenne、Boxster、911 Series Schmitz-Cargobull；大众的Pheaton、Touareg，雪铁龙的 C5，英国阿斯顿· 马汀的超级跑车 Vanquish，林肯大陆，旁蒂克的旗舰Bonneville SE 等等。另外，2002年夏天上市的克莱斯勒与道奇（Dodge）迷你箱型车以及 Chrysler 300M 与 Concorde Limited 客车也装设 TPMS。国内只有上海通用的别克安装了TPMS。
     国外因立法较早其开发生产的TPMS较为成熟，主要生产商有加拿大斯马轮胎设备（Smar Tire Systems）公司，固特异轮胎橡胶公司，米其林集团公司，诺基亚轮胎公司，日本横滨公司等。现在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的TPMS系统。在上海和重庆及广东等地有几家公司开始投入生产并销售TPMS。主要生产商有上海泰好电子科技有限公司，佛山市朗杰电子科技有限公司，深圳市瑞电通信电子有限公司等。最近，吉林大学、北京理工大学、江苏大学等高校都有学者对TPMS相关技术进行理论研究，但都还没有研制出样品出来。而国内一些厂家生产的TPMS基本是靠引进国外公司轮胎压力监测系统开发平台及生产线，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自主知识产权可言。因此，随着TPMS逐渐成为汽车的标准配置，开发拥有自主知识产权的TPMS意义重大。
     汽车轮胎独特的工作环境条件，决定了胎压实时监测的压力传感器的高要求：要求宽温区、宽电源电压范围内较高的精度和可靠性；低功耗要求；恶劣环境无线信号传输稳定性要求。因此轮胎气压监测系统的核心是轮胎模块，即微控制器芯片和压力温度传感器，两者一般集成在一起，国内在这一生产领域处于空白，主要由国外几家大公司生产和供货。这里只介绍市面上三种主流的TPMS开发系统。
 3.1摩托罗拉MPXY80X0 series轮胎压力监测系统开发平台
 1）MPXY80x0，称为Daytona，这是一种表面微机械加工的电容性微机电系统（micro electromechanical system MEMS）压力传感器。Daytona包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器及其他所有必需的电路。使之能输出经过校准的8位数字压力和温度数据。所有这些都在一个芯片上。
 2）MC68HC908RF2，也称RF2，它包括两个部分，第一个是2KB的闪速 HC08 微控制单元（与MC68HC908RK2相同），第二部分是一个可以发射UHF频段数字数据的RF发射器，其发射距离可达数百米（与MC33493相同，又称Tango 3）。
 3）MC33594称Romeo2，接收 RF2发射信号的接收器。Romeo2可以接收和解调曼彻斯特编码的数据并通过普通串行外设接口（SPI）输出。
 4）MC68HC908KX8，简称KX8，作为接受器微控制器，也可以使用MC9S12DP256替代KX8。
   摩托罗拉MPXY80X0 series 轮胎压力监测系统参考设计包括5个模块：4个轮胎模块和1个接收模块。轮胎模块包括Daytona、 RF2、电池、分立元件和印制天线。接收模块有Romeo2、KX8、5个指示状态的LED、电池、电源接插件和RS-232串行接口。
 3.2通用GE Novasensor的NPX开发系统
     NPX开发系统有两种，一种是NPXⅠ，另一种是NPXⅡ。NPXⅡ比NPXⅠ多集成了一个加速度传感器。其芯片外型如图7所示。NPX开发系统的特点是：所有传感器都集成到一个芯片上；能够准确测量轮胎内部的温度、气压和电池电压，同时具有温度补偿功能，使测量更准确。NPXⅡ还可测量汽车的加速度。此外还有LF唤醒，离心开关唤醒及加速唤醒（NPXⅡ）等功能。
 3.3 Infineon（英飞凌科技）Sensor公司的SP12[5]开发系统
     Infineon英飞凌科技的TPMS开发系统中，Sensor是采用收购的挪威专业胎压传感器制造商SensoNor的产品，它采用了基于MEMS技术的硅压阻式压力传感器作为胎压监测单元，英飞凌SP12和SP12T可以同时传输四组不同的数据（温度、压力、加速度和供电），并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口CMOS大规模集成电路。
     英飞凌SP12和SP12T设有补偿功能，可以对压力,加速度,温度,供电电压信号进行检测和补偿,准确提供不同型号轮胎在不同环境时的补偿值，有效地保证了测量可靠性。SP12传感器采用了LF唤醒瞬态工作模式，并在传感器模块中增加了加速度传感器，利用其质量块对运动的敏感性，可以实现汽车启动自动开机才进入系统自检，而如果检测到加速度很小时(表示汽车没有运动)让系统进入睡眠状态，大大地降低系统功耗。LF方式还具有自动轮胎定位功能。
     TDK510XF系列是工作在433-435MHZ(TDK5100F)和311-317MHZ(TDK5101F)频带内的单片FSK/ASK发射器，该器件含有一个集成的PLL(锁相环)合成器，以及一个高效率功放以驱动环形天线。RF的信号接收可用TDA5210(FSK/ASK)接收器。
     除了上述三种主流开发系统外，还有ATMEL轮胎压力监测系统开发平台；飞利浦P2SC开发系统；SmarTire公司提供的TPMS芯片组及相应的解决方案。
 4  结论与展望
     通过目前研究现状的分析，可以看出安装TPMS的车辆有如下主要特征：
 （1）由于能够保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气，因而能够防止爆胎，防止发生突发性、恶性交通事故。
 （2）轮胎气压监视系统属于"事前主动"型安全保护，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态。
 （3）延长轮胎使用寿命-非标准气压行驶，将会使轮胎寿命缩短，实验表明，车轮气压比正常值下降10%。
 （4）轮胎寿命将减少15%；减少油耗 轮胎气压低于标准气压值30%，油耗将上升10%。如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，油耗也会随之上升。
 （5）避免车辆部件磨损-汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘及悬挂系统将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，则会造成刹车跑偏，从而增加悬挂系统的磨损。