正确选择汽车胎压监测系统使用的各种MEMS传感器
2008-01-28
作者：电子系统设计
汽车轮胎压力实时监视系统(TPMS)已经成为中国汽车电子产业的研发热点，在今后的五年里全球预计会有7亿1百万只轮胎需要安装胎压监测传感器。美国法律要求从2007年8月起在美国销售的所有乘用车和轻型卡车必须安装胎压监测系统，欧洲也颁布了相应的法规。中国是汽车消费大国，相信不久将来政府也会制定类似法规。TPMS的需求使一个新兴产业正在兴起。
TPMS是汽车轮胎压力实时监视系统“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。据统计，在高速公路上发生的交通事故有70%~80%是由于爆胎" title="爆胎">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。TPMS是目前科学防爆和预警的有效手段之一。
TPMS系统简介
TPMS系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎上的远程轮胎压力监测模块" title="轮胎压力监测模块">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。一辆轿车或面包车TPMS系统有4个或5个(包括备用胎)TPMS监测模块，一辆卡车有8~36个TPMS监测模块。中央监视器接收TPMS监测模块发射的信号，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胎里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，要按消费电子产品来定价。
轮胎压力监测模块由五个部分组成：1. 具有压力、温度、加速度、电压检测" title="电压检测">电压检测和后信号处理ASIC芯片组合的智能传感器" title="智能传感器">智能传感器MCM。2. 8-16位单片机(MCU)。3. RF射频发射芯片。4. 锂亚电池。5. 天线。外壳选用高强度ABS塑料。所有器件、材料都要满足-40℃~+125℃的使用温度范围(图1)。
轮胎压力监测模块是安装在轮胎上的轮胎压力、温度实时监测和数据发送系统装置，它的内部结构如图2所示。轮胎压力监测模块做成的TPMS发射器分成车胎内内置和车胎外外置两种。
TPMS智能传感器是整合了硅显微机械加工(MEMS)技术制作的压力传感器、温度传感器、加速度计" title="加速度计">加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含模数转换器(ADC)、取样/保持(S/H)、SPI口、校准(Calibration)、数据管理(Data)、ID码的数字信号处理ASIC单元或MCU的SoC，模块具有掩膜可编程性，即可以利用客户专用软件进行配置。它是由MEMS传感器和ASIC/MCU电路二块芯片，用集成电路工艺做在一个封装里的。智能传感器是一个MCM模块，它将压力/温度、加速度和MCU集成在一起(图3)；为了便于TPMS接收器的识别，每个压力传感器都具有16-32位独特的ID码。
TPMS的MEMS传感器
TPMS使用的传感器十分细小轻巧、功能要求高，因此只能用MEMS技术来设计、制造。目前TPMS使用的MEMS传感器主要有二大类，即硅压阻式传感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPX2，Infineon SensoNor的SP12、SP30、SP35；和硅集成电容式传感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040、MPXY8300系列。NPX和SP30、SP35、MPXY8300系列的智能传感器都包含了压力传感器和加速度计，压力传感器主要用来测量轮胎的压力变化，加速度传感器利用其质量块对运动的敏感性，实现汽车移动实时开机，进入系统自检、自动唤醒，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、节省电能等功能。