韓文斌，韓云霄，傅國峰，徐長武

（上海群英汽車電子有限公司，上海 201619）

1 TPMS系統(tǒng)原理和國內(nèi)外定位技術(shù)介紹

1.1 TPMS系統(tǒng)原理

針對轎車的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) （Tire Pressure Monitor System，簡稱TPMS）主要由4個發(fā)射模塊和1個TPMS接收機組成。如圖1所示，F(xiàn)L、FR、RL、RR四個發(fā)射模塊安裝在4個輪胎內(nèi)，可以監(jiān)測輪胎內(nèi)的氣壓和溫度等信息，并將發(fā)射模塊的ID、氣壓、溫度等信息通過射頻信號發(fā)送出來；TPMS接收機安裝在車上合適的位置，用于接收4個發(fā)射模塊的射頻信息，信息經(jīng)過處理后得到對應(yīng)輪胎的壓力和溫度信息，最后將4個輪胎的壓力和溫度信息通過CAN總線 （根據(jù)車輛總線設(shè)計可以選擇其它通信方式）顯示在汽車儀表上。當任意一個輪胎的壓力異常時，系統(tǒng)能夠及時報警。

1.2 國內(nèi)外的定位技術(shù)介紹

在TPMS應(yīng)用中，由于信號的無線傳輸是多點發(fā)射一點接收，接收機如何區(qū)分不同發(fā)射模塊的信號并準確定位將是首要解決的問題。首先，每個發(fā)射模塊都編有一個獨特的ID，便于接收機區(qū)分。該ID一般由4個字節(jié)的十六進制數(shù)據(jù)構(gòu)成，這樣將有40多億的不同發(fā)射模塊，大大減少了發(fā)射模塊重復(fù)的概率。其次，當TPMS各個模塊在車輛上安裝完畢，必須將車輛上4個發(fā)射模塊對應(yīng)ID學習進入車上的TPMS接收機后，接收機才能接收和顯示正確位置的輪胎氣壓和溫度信息。

在現(xiàn)代化的汽車制造和使用中，如何實現(xiàn)發(fā)射模塊的ID學習和定位功能，一直是影響TPMS批量生產(chǎn)和售后維護的關(guān)鍵步驟。目前，國內(nèi)外主要采用手動定位和自動定位2種方式。

1.2.1 手動定位

圖2為國外比較常見的一種通過低頻診斷工具手動實現(xiàn)ID學習的系統(tǒng)。該低頻診斷工具為TPMS專用工具，它具有LF低頻觸發(fā)功能，發(fā)射125kHz的低頻信號，可以近距離喚醒輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊。通過該低頻診斷工具依次喚醒各個輪胎的發(fā)射模塊后，各個ID將會被保存在低頻診斷工具中，最后由該工具通過有線傳輸?shù)姆绞浇尤胲囕v的OBD端口，將ID學習進入TPMS接收機內(nèi)，這樣接收機就可以正確接收對應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊信號了。

與此類似的手動學習ID和定位的方式，還有低頻工具觸發(fā)或者放氣觸發(fā)的無線學習方法，即根據(jù)車輛使用說明書，將TPMS系統(tǒng)設(shè)置為學習狀態(tài)，此時按照順序依次對FL、FR、RR、RL進行低頻診斷工具的觸發(fā)或者對輪胎放氣觸發(fā)，每個被觸發(fā)的輪胎內(nèi)發(fā)射模塊會即時發(fā)送高頻信號出來，此時處于學習狀態(tài)的TPMS接收機接收到學習狀態(tài)的發(fā)射模塊信號后，會將該發(fā)射模塊的ID信息直接保存下來，從而避免了通過OBD端口有線學習的過程。

雖然手動學習和定位的方式比較復(fù)雜，且易于出錯，但由于TPMS系統(tǒng)簡單、成本低而普遍采用。使用該定位方式的車型有：別克 (Buick)的Lesabre、Luceme等；卡迪拉克 (Cadillac)的Escalade-ESV等；雪佛萊 (Chevrolet)的Trailblazer、Suburban、Corvette等。

1.2.2 自動定位

目前較常見的自動定位方式是采用4個低頻天線的方法，如圖3所示。將FL、FR、RL、RR四個低頻天線安裝在靠近輪胎的位置，由TPMS接收機啟動低頻驅(qū)動電路，并依次由各個低頻天線發(fā)送低頻喚醒信息給對應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊，發(fā)射模塊再將自己的ID和壓力等信息通過射頻發(fā)送給接收機作為響應(yīng)信號，由此構(gòu)成低頻觸發(fā)和射頻反饋的雙向系統(tǒng)，TPMS接收機就可以自動實現(xiàn)輪流查詢和定位功能。

這種學習ID和定位的功能，都是TPMS系統(tǒng)自動完成的。當需要進行輪胎內(nèi)發(fā)射模塊更換、輪胎換位時，客戶不再需要額外的操作和學習定位過程，方便、簡單，也無需專業(yè)人員和設(shè)備。但由于系統(tǒng)中有4個低頻天線需要安裝，低頻天線和TPMS接收機之間還需要布線和通信，系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本比較高，一般在某些高端車輛的設(shè)計中才會采用。例如寶馬 （7系、5系、X5等）、 奧迪 （A8、A6等）、奔馳 （E class、S class等）等。

2 具有場強識別技術(shù)的TPMS接收機設(shè)計

本文所要介紹的場強識別技術(shù)，是指在TPMS系統(tǒng)中，安裝在4個輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊相對于TPMS接收機而言，處于不同的位置，由于高頻信號傳輸路徑和距離不同，每個發(fā)射模塊發(fā)出的高頻信號到達接收機的信號場強就有強弱之別，因此，如果TPMS接收機能夠?qū)γ總€發(fā)射模塊的高頻信號場強測量，那么就可以實現(xiàn)自動定位的功能了。

具有場強測量功能的接收機框圖如圖4所示。當射頻信號經(jīng)過低噪放大、混頻、中頻濾波后，對該信號進行采樣，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后，將信號強度的數(shù)字信號送給處理器MCU，最后處理器MCU一方面得到射頻信號解調(diào)后的數(shù)字信息，另一方面得到該信號的場強數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場強測量功能?；趫鰪娮R別技術(shù)進行TPMS自動學習或者自動定位的車型有Chrysler(300C)、 Dodge(RAM Truck)、 Jeep(Grand Cherokee)等。

2.1 基于MC33596接收機的電路設(shè)計

MC33596是高集成度、多功能、高接收靈敏度的射頻接收芯片，可編程的鎖相環(huán) （Phase Locked Loop，PLL）用于多頻率的信號接收；信號強度指示電路 （Received Signal Strength Indicator， RSSI）用于射頻信號強度測量；數(shù)據(jù)管理模塊 （Data Manager，DM）用于對解調(diào)后的數(shù)字信號進行存儲、編碼、發(fā)送等處理。

圖5為MC33596與MCU的接口電路。其中SEB、SCLK、MOSI、MISO是串行設(shè)備接口 （Serial，Peripheral Interface，SPI），通過此接口，MCU可以實現(xiàn)對MC33596的配置、寄存器數(shù)據(jù)的讀取等功能；CONFB是從機選擇線，當MCU將CONFB端口設(shè)置為低電平時，MCU為主機，MC33596為從機，此時MCU就可以對MC33596內(nèi)部寄存器進行配置或讀寫；RSSIC用于對射頻信號場強測試采樣模式的控制，當RSSIC電平處于下降沿時，場強測試為單點測試 （Sample Mode），RSSI寄存器將保持該采樣點的信號場強；當RSSIC保持高電平時，場強測試為連續(xù)測試 （Continuous Mode），RSSI寄存器的值將隨著間隔式的連續(xù)采樣而不斷被更新。

該芯片對射頻信號測量方式的特殊之處是根據(jù)信號強弱分段測量，當射頻信號強度小于-50 dBm,RSSI采樣來自中頻濾波處，并將場強保存在RSSI場強寄存器的低半字節(jié)；當射頻信號強度在-50~-20 dBm時，RSSI采樣直接從低噪放大的輸出得到，并將場強數(shù)據(jù)保存在RSSI場強寄存器的高半字節(jié)。由此看出，該RSSI得出的場強信號并不是線性的，而是對數(shù)放大后的強信號和弱信號的相對值，這樣更容易實現(xiàn)場強的定位功能。

2.2 實現(xiàn)場強測量的接收機軟件設(shè)計

圖6為接收機軟件流程。該接收機的軟件設(shè)計主要有MC33596的配置流程、MCU接收數(shù)據(jù)的SPI中斷流程。

當CONFB控制端為低電平時，MC33596處于內(nèi)部寄存器配置模式，此時MCU為主機，MC33596為從機，通過SPI數(shù)據(jù)端口實現(xiàn)對MC33596內(nèi)部寄存器的配置，包括對射頻信號頻率選擇、信號調(diào)制方式設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置、信號前導(dǎo)碼設(shè)置、場強測試模塊使能等。對MC33596配置完成后，設(shè)置其進入接收模式，此時MC33596將進入SPI的主機模式，MCU進入從機模式，等待SPI中斷接收數(shù)據(jù)。

SPI中斷發(fā)生后，MCU進入中斷程序接收SPI數(shù)據(jù)，等待整個數(shù)據(jù)幀接收完畢并通過校驗后，MCU再設(shè)置MC33596進入配置模式，從RSSI寄存器讀取當前信號的場強，最后再配置MC33596進入接收模式，MCU結(jié)束中斷進入休眠。

3 通過場強識別技術(shù)實現(xiàn)TPMS自動定位的方案設(shè)計

綜合車輛復(fù)雜的環(huán)境分析，通過場強識別技術(shù)實現(xiàn)TPMS的自動定位功能必須考慮以下難點。

1）發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，射頻信號的傳輸并非空間的點對點的傳輸，而是首先經(jīng)過了輪胎的衰減，再經(jīng)過車輛底盤和路面等環(huán)境的反射和干擾，最后空間衰減才使射頻信號到達接收天線。那么4個輪胎內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)出的信號經(jīng)過大幅衰減后，微弱的射頻信號是否能夠讓接收機可靠地識別不同距離的信號。

2）發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，當輪胎旋轉(zhuǎn)時，該發(fā)射模塊的發(fā)射天線隨著輪胎的旋轉(zhuǎn)而不斷變化，這樣相對于接收機而言，每次測量的射頻信號強度是不穩(wěn)定的，且不斷變化。

3）即使針對同一輪胎內(nèi)同一個發(fā)射模塊，其射頻信號是隨著外界環(huán)境 （如溫度、濕度、天氣、周圍建筑物等）的變化而變化。如何使接收機能夠識別這些變化而準確定位也是一個難題。

綜上分析，TPMS接收機必須在車輛運行中連續(xù)采樣各個輪胎內(nèi)發(fā)射模塊的射頻信號強度，并分析其變化規(guī)律，才能實現(xiàn)通過場強定位的功能。

3.1 通過分布式高頻接接收天線實現(xiàn)TPMS自動定位

該分布式高頻接收天線是指在車輛的4個輪胎附近分別安裝一個高頻接收天線，如圖7所示。每一個高頻接收天線可以惟一接收其最近輪胎內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)射出的高場強的射頻信息，其它3個輪胎的相對位置比較遠，所以場強信息就比較弱，這樣每個高頻接收天線就可以定位對應(yīng)的輪胎內(nèi)發(fā)射模塊，最后所有高頻接收天線將定位信息通過總線發(fā)送給中央主控模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動定位功能。

圖8為右后 （RR）位置輪胎附近的RR高頻接收天線在車輛運行中連續(xù)采樣4個發(fā)射模塊射頻信號場強的數(shù)據(jù)。從場強采樣 （該場強信號是強弱信號的相對值）折線圖可以得到以下結(jié)論。

1）最靠近RR高頻接收天線的輪胎內(nèi)發(fā)射模塊（RR發(fā)射模塊）的信號強度最強。但信號隨著車輛的運動及環(huán)境變化影響，場強幅度變化很大。

2）處于同軸位置上RL輪胎內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)射的信號強度到達RR高頻接收天線后，信號強度峰值相對變?nèi)?，且信號變化幅度同樣很大?/p>

3）遠離RR接收天線的前軸兩個輪胎內(nèi)發(fā)射模塊 （FL和FR發(fā)射模塊）的信號強度最弱，但信號趨于穩(wěn)定。

4）需要通過軟件算法對信號強度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、對比、數(shù)據(jù)優(yōu)化處理等方式，從而可靠地進行場強識別和輪胎定位。

綜上所述，通過場強測量、天線設(shè)計、軟件處理等過程，該方案可以可靠實現(xiàn)TPMS的輪胎定位功能。當然在產(chǎn)品化的設(shè)計中，對發(fā)射模塊功率的一致性設(shè)計將非常重要。但該方案中除了4個發(fā)射模塊和1個主控機以外，還需要在車上輪胎附近布置4個高頻接收天線，其成本也比較高。

值得注意的是，從試驗中分析，只要天線的方向性和靈敏度設(shè)計合適，單個天線既可以場強識別前軸和后軸輪胎，也可以區(qū)分同軸的左右輪胎，因此可以采用將兩個高頻接收天線對角安裝，即安裝FL、RR或者FR、RL兩個天線，也可以實現(xiàn)定位功能，這樣減少2個高頻天線的安裝，使成本降低。

3.2 場強識別和加速度相結(jié)合實現(xiàn)TPMS自動定位

將場強識別和加速度技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)TPMS自動定位功能是另外一種經(jīng)濟有效的方式，如圖9所示，該系統(tǒng)由4個發(fā)射模塊和1個接收機組成。當車輛運行時，安裝在車輛兩側(cè)的發(fā)射模塊在X軸方向的加速度相反。

1）接收機安裝在車輛的后軸中央，由于前后軸輪胎與接收機的距離不同，通過場強測量，F(xiàn)L和FR兩個輪胎內(nèi)發(fā)射信號弱，而RL和RR兩個輪胎內(nèi)發(fā)射信號強，所以接收機通過場強識別可以區(qū)分前后軸的輪胎信號位置。

2）對左右兩側(cè)的發(fā)射模塊而言，由于發(fā)射模塊在輪胎內(nèi)的安裝位置相反，當車輛運行時，發(fā)射模塊所受輪胎切線方向的加速度正好相反，因此具有加速度測量的發(fā)射模塊通過加速度分析和運算，就可以定位發(fā)射模塊的左右信息了。

圖10為輪胎內(nèi)發(fā)射模塊的加速度在輪胎旋轉(zhuǎn)一周的分析，主要考慮以下加速度變化：ax為切線方向受力；az為向心力加速度；ag為重力加速度。通過輪胎內(nèi)A、B、C、D各個位置處加速度的分析，由于受重力加速度的影響，向心力加速度az和切線加速度ax有以下變化：①對切線加速度ax而言，在B、D位置切線加速度ax不受重力影響，在A處為最小 （ax-ag）， 在C處為最大 （ax+ag）； ② 對向心力加速度az而言，在A、C位置不受重力影響，在B位置為最大 （az+ag）， 在D位置為最小 （az-ag）。

圖11為左右兩側(cè)輪胎相對于向心力加速度的變化曲線。左右輪胎內(nèi)發(fā)射模塊切線方向加速度ax相位相差180°，方向正好相反。

綜上所述，基于場強識別和加速度測量技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集和軟件算法，可以可靠實現(xiàn)TPMS自動定位功能，且系統(tǒng)簡單，成本優(yōu)勢明顯。

4 小結(jié)

由于場強識別在車輛環(huán)境中面臨輪胎衰減、車身環(huán)境、路面反射、天線方向等諸多不確定的因素，所以TPMS系統(tǒng)的設(shè)計必須針對確定的車型來開發(fā)，通過充分的場強數(shù)據(jù)采集及分析、軟件算法、天線設(shè)計等方式，使該系統(tǒng)可靠應(yīng)用于汽車環(huán)境中。特別是將場強識別和加速度測量結(jié)合實現(xiàn)TPMS自動定位的技術(shù)，系統(tǒng)更加簡單，應(yīng)用將更加廣泛。

［1］Freescale Semiconductor.MC33596 PLL Tuned UHF Receiver for Data Transfer Applications[DB/OL].http:www.freescale.com,2010.

［2］韓文斌，韓云霄，高 峰.綜合CAN和LIN通信功能的TPMS系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用［J］.世界電子元器件，2009，(11):65-69.

［3］殷際杰.微波技術(shù)與天線［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.