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(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的調(diào)查，美國(guó)每年有26萬(wàn)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(guó)是全球汽車保有量大國(guó)，據(jù)公安部交管部門(mén)公布的最新數(shù)據(jù)，2019年上半年全國(guó)汽車保有量達(dá)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(mén)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)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(qiáng)制安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》規(guī)定：自2019年1月1日起，中國(guó)市場(chǎng)所有新認(rèn)證乘用車必須安裝胎壓監(jiān)測(cè)；自2020年1月1日起，所有在產(chǎn)乘用車開(kāi)始實(shí)施強(qiáng)制安裝要求。

1 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱TPMS，用于汽車行駛時(shí)，實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎氣壓和胎溫進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎氣壓過(guò)高、氣壓過(guò)低、溫度過(guò)高和快速漏氣等危險(xiǎn)狀態(tài)提前進(jìn)行預(yù)警，確保行車安全。TPMS能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有車輪的氣壓，對(duì)低壓、高壓、高溫、快速漏氣等異常狀態(tài)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示駕駛員及時(shí)處理和排除爆胎事故的隱患，并能降低整車的油耗，延長(zhǎng)輪胎使用壽命，對(duì)于提高汽車安全性能和燃油經(jīng)濟(jì)性有較大的意義。

2 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分類

胎壓監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)

間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)ABSESC系統(tǒng)的輪速傳感器信號(hào)和側(cè)向加速傳感器信號(hào)來(lái)比較和分析輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別。當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的質(zhì)量會(huì)使輪胎直徑變小，通過(guò)這種變化來(lái)觸發(fā)欠壓警報(bào)。該類型的胎壓屬于被動(dòng)式，無(wú)法直觀地讓客戶了解實(shí)時(shí)的輪胎壓力和溫度等信息，同時(shí)靜止時(shí)無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，且誤報(bào)率較高，將逐漸被淘汰。

2.2 直接式胎壓監(jiān)測(cè)

直接式胎壓監(jiān)測(cè)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，使用無(wú)線發(fā)射器將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到接收器模塊上，然后對(duì)各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。圖1為胎壓傳感器安裝圖。當(dāng)監(jiān)測(cè)到輪胎氣壓太低或漏氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。該類型的胎壓屬于事前主動(dòng)預(yù)警型，反應(yīng)快、準(zhǔn)確、直觀且能夠滿足GB 26149—2017中的試驗(yàn)要求。本文重點(diǎn)討論直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 胎壓傳感器安裝圖

直接式胎壓監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)構(gòu)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(duì)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(shù)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(gè)輪胎內(nèi)，通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)（通常為433MHz）將其監(jiān)測(cè)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(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)內(nèi)部軟件進(jìn)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(shí)，會(huì)將故障報(bào)警需求發(fā)送至CAN總線。當(dāng)顯示單元接收到報(bào)警需求時(shí)，就會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)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(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》中只規(guī)定了欠壓報(bào)警和系統(tǒng)故障報(bào)警，但實(shí)際上TPMS還具有高壓報(bào)警功能、高溫報(bào)警功能、快速漏氣報(bào)警功能、電池電量低報(bào)警功能。

欠壓報(bào)警

按GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》的要求，當(dāng)車輛輪胎氣壓小于或等于車輛推薦的輪胎氣壓的75%時(shí)，需要進(jìn)行欠壓報(bào)警。

高壓報(bào)警

當(dāng)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(shí)（如125%時(shí)），需要進(jìn)行高壓報(bào)警。

高溫報(bào)警當(dāng)車輛輪胎溫度大于或等于某一溫度時(shí)（如120℃時(shí)），可以進(jìn)行高溫報(bào)警。

快速漏氣報(bào)警

當(dāng)車輛的一個(gè)或多個(gè)輪胎氣壓以一定的速率降低時(shí)（如氣壓以大于30kPa/min的速率降低時(shí)），可以進(jìn)行快速漏氣報(bào)警。

電池電量低報(bào)警

當(dāng)安裝在車輛輪胎中的胎壓傳感器內(nèi)部電池電量低于一定值時(shí)，可以進(jìn)行電池電量低報(bào)警，以提醒駕駛員盡快更換胎壓傳感器。

TPMS系統(tǒng)故障報(bào)警

按GB 26149—2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》的要求，當(dāng)車輛的TPMS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要在10min內(nèi)進(jìn)行故障報(bào)警提醒。圖4為系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖。

圖4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖

3.3 技術(shù)方案

目前業(yè)內(nèi)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(hào)接收和軟件邏輯判斷的功能。由于采用獨(dú)立的模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)接收和胎壓監(jiān)測(cè)軟件邏輯判斷的功能。由于車身控制模塊本身就內(nèi)置遙控鑰匙射頻接收功能，同時(shí)集成胎壓功能，在成本上具有較大的優(yōu)勢(shì)。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(fù)雜，周邊金屬遮蔽較多，所以胎壓信號(hào)的接收率不容樂(lè)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(wú)線射頻接收信號(hào)采用獨(dú)立的模塊接收（可分時(shí)接收胎壓無(wú)線射頻信號(hào)和遙控鑰匙接收無(wú)線射頻信號(hào)），其與車身控制模塊采用LIN通信，并將接收到到射頻信號(hào)傳輸給車身控制模塊；胎壓監(jiān)測(cè)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(wú)線射頻接收效果，通常安裝在頂棚上。由于頂棚上只有一個(gè)方向存在鈑金遮擋，其優(yōu)勢(shì)在于可以很大程度上提升射頻信號(hào)接收效果。對(duì)于遙控鑰匙而言可以大大提高遙控距離，對(duì)于胎壓監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)接收率的提高，可以有效防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的誤報(bào)警。

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 I類胎壓監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方案

I類胎壓監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方案主要有以下兩種。

雙向式

雙向式胎壓監(jiān)測(cè)為了保證胎壓傳感器的激活可靠性，所以需要在每個(gè)車輪附近的車身上各安裝一個(gè)激活模塊，當(dāng)車輛電源切換到ON時(shí)，激活模塊就會(huì)開(kāi)始工作并發(fā)送125kHz低頻LF信號(hào)去激活胎壓傳感器，胎壓傳感器被激活后就會(huì)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(guò)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(cè)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 雙向式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于需要4個(gè)激活模塊，成本較高，業(yè)內(nèi)使用較少。

單向全時(shí)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(shí)接收模式。單向式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 單向式胎壓監(jiān)測(cè)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(shí)接收數(shù)據(jù)并處理和存儲(chǔ)，所以對(duì)整車的靜態(tài)電流以及傳感器內(nèi)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(huì)內(nèi)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(nèi)部，采用遙控接收和胎壓接收共用同一顆芯片的方式，同時(shí)也降低了硬件的成本。

為了進(jìn)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(kāi)窗口的方式進(jìn)行接收，可以開(kāi)占空比為1:15的窗口進(jìn)行接收，即窗口打開(kāi)2ms，關(guān)閉30ms，在打開(kāi)窗口的時(shí)間內(nèi)如果檢測(cè)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(jìn)入窗口關(guān)閉周期。

4.2 Ⅱ類胎壓監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方案

Ⅱ類胎壓監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方案主要有以下兩種。

方案1

車輛車速必須達(dá)到一定值，比如25km/h（胎壓傳感器內(nèi)置的加速度傳感器檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)加速度≥6G），胎壓傳感器會(huì)進(jìn)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(hào)后進(jìn)行處理，并通過(guò)CAN總線傳輸給顯示單元進(jìn)行顯示。

由于需要車輛行駛且車速達(dá)到一定值才能激活傳感器工作，所以無(wú)法滿足車輛上ON擋電的10s內(nèi)顯示胎壓信息。所以車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，將車輛電源切換到ON，顯示單元是無(wú)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(nèi)部軟件在車輛停車熄火時(shí)記憶了此時(shí)的輪胎壓力、溫度等信息，當(dāng)車輛下次將電源切換到ON時(shí)，就會(huì)將EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給顯示單元顯示。所以從嚴(yán)格意義上來(lái)講，它不是真正的I類胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

5 發(fā)射端方案設(shè)計(jì)

5.1 傳感器芯片

目前業(yè)內(nèi)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(cè)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(chǔ)容量（6K Flash提高至12K Flash）、更高的測(cè)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(shí)將定時(shí)采集輪胎壓力、溫度和加速度等信息，并定時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)RF天線進(jìn)行發(fā)送。 模塊定時(shí)開(kāi)低頻窗口，用戶可以通過(guò)低頻（125kHz）對(duì)傳感器進(jìn)行ID匹配及實(shí)時(shí)讀取傳感器狀態(tài)。

5.2 胎壓傳感器高頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

胎壓傳感器的高頻數(shù)據(jù)應(yīng)具備以下的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)編碼方式采用曼徹斯特編碼，詳見(jiàn)表2。

表2 胎壓傳感器高頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

5.3 傳感器的工作模式

休眠模式

傳感器出廠時(shí)處于休眠或運(yùn)輸模式，為了降低胎壓傳感器的功耗，內(nèi)部軟件通常每30～90s采樣一次壓力，但不發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)收到LF低頻觸發(fā)命令時(shí)，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(huì)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(méi)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(shí)時(shí)更新。

運(yùn)行模式

車輛在行駛過(guò)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(shí)時(shí)更新。

6 傳感器關(guān)鍵參數(shù)

6.1 RF調(diào)制模式

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

6.2 RF射頻頻率

在中國(guó)，《信部無(wú)〔2005〕423號(hào)》文件定義了微功率（短距離）無(wú)線電設(shè)備中各類民用設(shè)備的無(wú)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(nèi)普遍用于胎壓和無(wú)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(shí)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(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)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(jìn)行控制，即傳感器安裝到輪輞上后，使用車輛下線設(shè)備和售后激活儀激活的距離要進(jìn)行控制。通常產(chǎn)線下線設(shè)備的激活距離建議在60～110cm，售后激活設(shè)備建議30～40cm。距離過(guò)小，則下線設(shè)備或售后手持激活設(shè)備不容易激活；距離過(guò)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(hù)等級(jí)

由于傳感器安裝在輪胎中，所以需要對(duì)傳感器進(jìn)行密封處理，要求防水等級(jí)為IP69。

7 傳感器功耗及壽命計(jì)算

胎壓傳感器設(shè)計(jì)壽命要求為≥8年或10萬(wàn)公里，以車輛每天行駛4h，每月行駛30天計(jì)算。

圖11 為英飛凌SP40電池消耗計(jì)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(jì)算圖

以CR2032電池為例，其標(biāo)稱容量為350mAh，按照英飛凌提供的電池壽命計(jì)算軟件計(jì)算，在不同的調(diào)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(duì)比表

由表3可以看出若調(diào)制模式采用FSK，波特率采用4.8K，則按照10年的設(shè)計(jì)壽命，理論計(jì)算的電池消耗容量已經(jīng)占標(biāo)稱容量的95.8%，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

電池的標(biāo)稱容量還需要考慮電池電損耗情況，無(wú)法100%利用，我們?cè)谟?jì)理論算電池壽命一般取電池標(biāo)稱容量的60%～70%計(jì)算。所以采用FSK，9.6K波特率是比較合適的。

8 接收端方案設(shè)計(jì)

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(shí)接收的高頻接收芯片，其內(nèi)部集成了射頻接收和MCU，兼容ASK和FSK兩種調(diào)制模式，支持跳頻功能。有3個(gè)通道的射頻接收，而且3個(gè)通道是可以同時(shí)打開(kāi)并分別接收不同的頻率。3個(gè)通道可以設(shè)置不同的接收帶寬、調(diào)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(kāi)）15mA左右，接收靈敏度可達(dá)-124dBm。

工作模式主要有以下幾種。

1）運(yùn)輸模式

可通過(guò)LIN診斷配置實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸模式，該模式下關(guān)閉了接收通道，當(dāng)提供診斷配置退出該模式后，接收功能恢復(fù)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(huì)進(jìn)入低功耗睡眠模式 （Polling mode），內(nèi)部檢測(cè)時(shí)間一般為30ms開(kāi)啟一次窗口，開(kāi)啟窗口的時(shí)間為2ms，期間判斷是否有高頻信號(hào)需要接收。此模式下，靜態(tài)電流<2mA。

3）全開(kāi)模式

車輛在ON擋行駛時(shí)，接收端工作在全開(kāi)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(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了英飛凌SP40和NXP NCK2913實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。