轮胎压力温度检测系统TPMS的研制方案

发布时间：2011-9-30 发布人：泽天传感点击：

一、前言

轮胎压力检测系统（Tire Pressure Monitoring System 缩写为TPMS）是最近几年发展起来的实时压力温度检测系统，可以让驾驶者时刻了解行驶中车辆轮胎的状况。目前，TPMS主要分为两种类型，一种是Wheel-Speed Based TPMS（简称：WSB TPMS，或称为间接式TPMS），这种系统是通过汽车ABS系统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，该类型系统的主要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。中国上海生产的别克有此系统，这一系统可以测量出汽车4个轮胎的旋转状况，并在有轮胎旋转异常时警告驾驶员。另一种是Pressure-Sensor Based TPMS（简称：PSB TPMS，或称为直接式TPMS），这种系统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，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS。许多欧洲的汽车厂商将PSB TPMS配装于自己的车型之中，其中包括，德国宝马的Z8，法国雪铁龙的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，梅赛德斯—奔驰S级轿车也将TPMS作为选装件；另外，2002年夏天上市的克莱斯勒与道奇（Dodge）迷你箱型车以及Chrysler300M与Concorde Limited客车也装设TPMS。国内多数汽车厂家目前还没有进行这方面的研究，也没有安装直接式TPMS。中国加入WTO以后，随着国际化的要求，相信国内厂家会跟上这个步伐。

轮胎压力传感器安装

二、国内外产品的发展现状

在国外，最早研究轮胎压力检测系统的公司是加拿大的Smartire公司。该公司于1987开始轮胎压力检测系统的研究和开发，目前已形成了摩托车、小汽车、大型客车、大型载重货车等系列轮胎压力检测系统，最多可接收16个轮胎的压力检测。其产品全部采用直接式TPMS的原理生产，产品畅销美国、欧洲。日本的Bblanks公司2003年在中国和日本同时推出轮胎压力检测系统A.I.S，国内由深圳博安汽车用品有限公司总代理，目前也正在大力推广宣传。其他还有美国的Measurement Sepecialties.Inc，美国的Better Microsystems，Inc等一些公司也在生产轮胎压力检测系统，但规模不大。在国内，目前该产品还未得到大规模推广，也未见到类似产品的研究报道。除几家国外产品的代理外,基本没有生产销售TPMS系统的厂家。

三、工作原理

本方案采用直接式轮胎压力测量系统。直接式轮胎压力测量系统的一般构成为：压力、温度检测和信号发射部分与压力、温度信号接收及信号处理部分。压力传感器固定在轮胎内部，它实时将检测到的压力和温度信号通过无线方式发给接收装置，接收装置在收到射频信号后，首先识别轮胎的ID地址，然后判断压力和温度是否超限，再做相应的显示和声光动作。

四、研制难点

1)发射部分的节能问题

发射部分装到轮胎内部，在检测温度、压力以及发射时都要消耗电能，尤其是在发射时，瞬间电路可以达到12mA，如果没有节能措施，300mAH的电池将很快消耗完。

2)高频的接收和发射部分

目前国外对于消费类和汽车类产品，无线产品普遍采用ISM频段作为接收和发射频段，其中434MHz是常用的频率。该类集成芯片有一定的市场支持，但由于该频段无统一的技术规范和标准，不同厂家的产品性能存在较大差异，产品设计无参照可比性，设计有一定难度。另外，对于高频电路来说，元件布局、选取，以及电路板布线、电路板选材都有要求和不确定性，硬件设计是一个难点。

3)接收器的功能和软件设计

对于一个汽车胎压检测系统来讲，实现基本功能是先决条件，但要实现个性化设计，就要有与其他公司产品不同的或更为先进的地方。借鉴国外产品的界面设计，从国内实际情况出发，我们对产品功能和用户界面进行了自主设计。

4)结构设计

在参考国外设计的基础上，以摩托罗拉的AN1951文档做为开发平台，我们确定了下列开发方案：发射部分以MPXY8000系列电容式压力传感器、MC68HC908RF2单片处理和发射芯片做为核心器件。MPXY8000系列传感器是摩托罗拉公司生产的压力检测芯片，它内置温度和压力传感器，能同时检测外界环境的压力和温度，具有体积小、重量轻、抗干扰性能好、温度范围宽、稳定性好，功耗小等优点，其数据输出形式为逐次逼近型A/D转换（需要处理器参与转换）。它有压力和温度测量模式选择管脚、数据通讯管脚、输出管脚，其中输出管脚能每隔3秒钟输出一个脉冲来唤醒单片机，同时该管脚也是逐次逼近型A/D转换的比较输出管脚。

利用该传感器，配合软件设计，我们实现了传感器的检测和发射功能，使传感器工作时耗能最小。传感器的信号发射和接收部分分别以RF2和MC33594作为主体芯片。RF2可工作于315MHz、434MHz、868MHz发射频率，能在幅移键控（OOK）和频移键控（FSK）两种发射方式下工作，其标称最大发射功率是3dBm。我们选用的工作方式是434MHz、频移键控（FSK），发射功率为-3dBm。

在发射部分布板时的布板原则是：让传感器在可能的情况下，尽量远离晶振和发射电路部分，传感器底面电路板覆铜，让发射部分对传感器的干扰减小到最低；晶振尽量靠近发射电路，底面电路板覆铜；发射和信号处理电路电源正，采用菊花链式布线方式连接，滤波电容尽量靠近芯片滤波管脚；电路板底层大面积覆铜，并与电源地线连接，元件布局按功能分区，不交叉摆放；连线以信号通透顺畅为准，尽量不出现急转急折的布线。

MC33594是接收部分的主体芯片，通过内部寄存器设置，它能接收315MHz、434MHz的曼彻斯特编码的射频信号，将接收到的434MHz的射频信号解码后，将还原的数据通过SPI口发送到单片机处理，它的接收数据速率最大可达9600bps，接收灵敏度可达-105dBm。MC33594的布板与RF2的布板类似，但为了与其他电路隔离，互不干扰，MC33594与它的外围元件应靠近电路板边缘，并与其他电路有明显的空间隔离，另外，引入该区域的电源线和地线只有一对，防止电源线正或负自身形成回路，接收外部干扰信号。

对于外部元器件的选取也很重要，电路中的接收和发射的基准晶振采用高稳定、温度系数小、温区宽的汽车认证产品，电容均采用高频电容，电感也采用高Q值的电感。接收器设计，在国外产品的功能设置的基础上，我们设计了具有自己特色的用户界面和功能，使报警含义明确、直观，功能设置操作简便。根据产品功能，比较不同的单片机芯片，我们选用MC68HC908LJ12做为接收处理芯片，它具有下列特性：12K的可编程FLASH；512字节的片内RAM；两个16位计数器，有捕捉输入和比较输出功能；一个SCI和SPI接口；32个通用口；8位键盘中断端口；常驻FLASH在线编程程序；低功耗设计。

MC68HC908LJ12的优势在于：有硬件SPI接口，方便与接收芯片MC33594通讯；需要很少的外围器件扩充，电路简单，能将低成本；内部有可由程序写入和擦除的闪存，便于储存设定的数据；端口多、有液晶接口便于以后扩充功能；性价比高，市场占有率高，方便采购。

五、结论