1、席卷未来的行车安全方案轮胎气压监测系统（TPMS ）林居敬TPMS 发展历史轮胎是保障汽车性能的最重要因素之一，许多驾驶朋友往往还是忽略了轮胎中的问题，适当充气的轮胎不仅可增强安全性和性能，还能节省燃料并延长轮胎寿命。根据固特异(Goodyear)公司的数据，未充饱状态下每下降 3 个 PSI 将使燃料增加 1%。但统计显示，有超过 20%的轮胎仍处于未充饱状态。这不仅仅地降低了轮胎寿命，还增加了燃料消耗。 更重要的是，这代表着许多的驾驶朋友正处于不安全的驾驶环境底下，安全堪忧。2002 年由于凡世通（Firestone）出现品质问题，导致超过 100 人死亡和 400 人受伤的惨剧。此事引起
2、各界注意，凡世通（Firestone）并于同年八月回收近 650 万只轮胎。保持胎压于安全标准内及实时发现胎压不足是防止爆胎的关键，所以 TPMS 毫无疑问是最理想的行车安全方案与工具。根据统计，爆胎引发的交通事故占总数 70左右。在时速 160以上时发生爆胎，死亡率几乎是 100。目前许多国家的保险公司对爆胎事故的态度是不做理赔。根据中国公安交管部门交通事故数据显示，2005年 1 至 11 月交通事故 389670 起中，80989 人死亡，因爆胎引发的事故就占了将近 20%。而在高速公路 46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的，爆胎就占了 70%。目前估计将近 91%的汽车胎压不符合标
3、准。在不符标准的情况下紧急煞车，车辆方向会偏，严重时就会爆胎。美国已制订法规要求自 2003 年下半年起，所有新组装的汽车都必须装备 TPMS。这主要是因为 2000 年夏天发生的一系列交通事故的起因都是由于未充饱的轮胎在行驶中从车体分离而导致相撞。新颁布的法令要求使用更先进的直接 TPMS，即对每个轮胎中都进行压力监控。直接 TPMS 不仅有助于预防交通事故，而且每年节约的燃料消耗和汽车维护费用可达 17 亿美元，因为未充饱轮胎将缩短轮胎的寿命并增加燃料消耗。由于出现多起轮胎故障引起的交通事故，美国国会于 2000 年 11 月通过了 TREAD 法案（Transportation Reca
4、ll Enhancement Accountability Documentation） 。按照该法案和美国国家公路交通安全协会(NHTSA)的规定，新出厂轻型汽车 TPMS 装配率（整车毛重不超过 4,536，即 10,000 磅）阶段计画如下：目前已有许多欧洲的车厂将 TPMS 配装于自己的车型，包括:宝马 Z8、雪铁龙 C5、林肯大陆、克莱斯勒迷你箱型车、Concorde Limited 客车、庞帝克 Bonneville SE 等。应用的趋势及庞大的商机由此可见一般。TPMS 类型与结构TPMS 主要分为两种类型，一种是采用车轮速度的 WSBS TPMS(间接式 TPMS)，另一种式采
5、用压力感应器的 PSB TPMS(直接式 TPMS)。其中， PSB TPMS 在功能和性能上均占优势，主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度感应器和讯号处理单元、RF 发射器组成的 TPMS 发射模块，以及安装在汽车驾驶台上包括数字讯号处理单元的 RF 接收器、液晶显示器组成。而 WSBS TPMS 则是透过 ABS 轮速传感器来比较轮胎间的转速差别,以达监视胎压的目的,主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气和速度超过 100km/hr 的情况进行判断。盖括而言，直接式 TPMS 在功能及性能上均优于间接式 TPMS。所以接下来介绍的重点将着重于直接式TPMS。其结构可分为两大部分，Know ho
6、w 各有不同：1. 发射模块： (1) 感测单元 (2) 讯号处理 (3) RF 模块2. 接收模块： (1) 接收单元 (2) 讯号处理 (3) 显示由于发射模块工作在剧烈振动、温差变化大和不便随时检修的环境下，所挑选的组件必须具备高标准的可靠度和稳定性，能工作在车规 -40到+125 温度范围内。且为了缩小发射模块的体积、节省功耗和增强功能，建议尽可能选用整合型 SoC。此外，TPMS 是一个按产业标准设计生产及检验，按消费性产品价格销售的物品，因此成本也是另一重要考量。接下来，针对 TPMS 的结构会做更详尽的介绍。发射模块感测单元现行的方案多为芯片整合模块，同步整合压力和温度感应，以及
7、电源管理。且为强化功能，也可增加惯性感应器 (Inertial sensor)、电压检测、内部 clock 等，可实现汽车激活实时开机、自动唤醒、确保低功耗。此外为了便于识别个别 TPMS 发射器，每个感测单元都会有一组 6 至 8 bit 独特的 ID 码。此颣感测芯片整合模块大都基于 MEMS 技术来设计发展，目前车厂主要考虑以下列三个品牌为主 :(1) 电容式: Freescale MPXY8020 、 MPXY8040 (2) 压阻式: GE NovaSensor NPX1/NPXC01746，Infineon SensoNor SP12/30压阻式传感器是采用高精密半导体电阻组成惠斯
8、顿电桥作为变换测量电路，其测量精密度 0.01-0.03% FS。TPMS 发射模块是安装于轮胎之内，基于不可能经常更换轮胎的考量下，必须保证在一节锂电池下工作至少 3-5 年，故低功耗及省电是非常重要的考量，让系统于大多数时间进入休眠模式,才能达到省电与延长电池寿命的目的。汽车激活和进入高速行驶时，唤醒 TPMS 系统的方法一般有二种 : (1) 利用软件设定定时检测。在发射模块上要安置 Wake-up 芯片，由接收器发出 Wake-up 讯号。(2) 在传感器模块中增加惯性传感器(Inertial sensor)，利用对物体移动的感应性，自动进入系统自检，行驶时可依照行驶速度自动调整检测周
9、期。胎压与温度也是密切相关，这也是为什么一般感测单元会把温度感测也包含进来。就数据分析结果，每升高 1，轮胎磨损就增加 2%，一般温度不能超过 80，当温度达 95，轮胎情况就非常危险。发射模块讯号处理与 RF 模块压力及温度的讯号经 TPMS 感测单元内的 ASIC 电路处理，透过 SPI 传输给讯号处理单元(MCU) ，综合成数据串行再送入 RF 模块，按设定的 UHF 调变发射给安装在驾驶座里的接收模块。讯号处理单元(MCU)将已编码的数据串行经功率放大器调变在 UHF 指定的频率，由天线端发射出去。以 TPMS 安装在轮胎里的工作状况，天线采用印制在 PCB 板上的环状天线，发射功率要
10、求功率放大器在 9.5mA 时能输出 8-10dBm。为缩小发射模块的体积，也有组件供货商推出整合讯号处理与发射的 SoC，如 FreescaleMC68HC908RF2 和 ATMEL ATAR862。至于 RF 的发射频率，一般常见的标准如下 :发射模块讯号处理与 RF 模块压力及温度的讯号经 TPMS 感测单元内的 ASIC 电路处理，透过 SPI 传输给讯号处理单元(MCU) ，综合成数据串行再送入 RF 模块，按设定的 UHF 调变发射给安装在驾驶座里的接收模块。讯号处理单元(MCU)将已编码的数据串行经功率放大器调变在 UHF 指定的频率，由天线端发射出去。以 TPMS 安装在轮胎
11、里的工作状况，天线采用印制在 PCB 板上的环状天线，发射功率要求功率放大器在 9.5mA 时能输出 8-10dBm。为缩小发射模块的体积，也有组件供货商推出整合讯号处理与发射的 SoC，如 FreescaleMC68HC908RF2 和 ATMEL ATAR862。至于 RF 的发射频率，一般常见的标准如下 :接收模块接收单元与讯号处理一般的做法是将 RF 接收单元和讯号处理 MCU 安装在汽车仪表内，有些厂商也将带有键盘的 LCD 显示器安装在驾驶台上，能实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的 ID 识别码，以及警报。接收模块不像发射模块安装于较为严苛的工作环境，故其设计较为容易。较须
12、注意 MCU 至少需要有 8K Flash 和 32 I/O port，才能适应系统的需要。实际需求还是得依照当时设计而定。TPMS 发展蓝图发展 TPMS 主要考量有：低功耗 、 配重(牵涉使用组件数量的多寡及体积)、 成本 。功耗跟电池使用寿命有绝对关系；而配重则牵涉到 TPMS 发射模块的安装。故 TPMS 设计方案的发展也依此考量为蓝图（请参考下图） 。为降低功耗，设计趋势第一步走向内建惯性传感器，侦测到车辆移动才唤醒发射模块藉以节省电能，最终目标走向无电源模块，即内建 MEMS 电源以提供电能。至于配重及成本，整合型芯片为设计趋势。整合胎压传感器与 MCU，再将 RF 发射也包含进来
13、，至最后将 MEMS 也设计在一起，不但可减小模块体积，也节省成本提高市场竞争性。市场上既有 TPMS 方案介绍提供 TPMS 配套的方案很多，芯片厂商包括 Freescale 飞思卡尔、英飞凌(SensoNor)、GE(NovaSensor) 、Atmel、Maxim、东芝、飞利埔、Omron、Melxis、RF Monilithic 等公司。飞思卡尔和英飞凌目前具有从胎压传感器、RF 发射及接收器、到 MCU 的完整产品线，其它半导体公司主要提供从胎压传感器、RF、到MCU 的若干配套方案。市场上 TPMS 方案能见度较高的主要由三家芯片供货商主导: Freescale，Infineon，
14、GE 。下面针对其方案做详细介绍 :Freescale 飞思卡尔发射模块由胎压传感器 MPXY80xx 及内含射频发射的微控制器 MC68HC908RF2 组成，MPXY80xx 工作在 2.1-3.6V，具有低功耗的效能以延长电池寿命。并整合 MCU wake-up timer 与自身的低频震荡器。此外，其输出为 8bit 数字输出，并已经与 MC68HC908RF2 完成接口最佳化。接收模块主要由射频接收芯片MC33594 及微控制器 MC68HC908GT8 及相关的外围线路组成。接收灵敏度为 90dBm，因为讯号发射时间很短，加上每个发射单元都有其独特 ID，就由此可减少汽车 EMI
15、的干扰影响。Infineon 英飞凌（SensoNor）TPMS 系统工作在 315MHZ 频率 FSK 模式下。亦可与其现行遥控车门开关(Remote Keyless Entry，RKE)方案整合，由于 RKE 已广泛应用在现代汽车市场，因此 TPMS RF 可与 RKE 系统共享资源将可节省系统成本。Infineon 英飞凌推出三系列胎压传感器 : SP12，SP12T，SP30。传感器上整合了压力，温度，惯性传感器，以及一个电源控制监测器。SP12 的压力范围从 100 到 450Kpa;SP12T 从 50 到 1400Kpa 适用于大型车辆。SP30 整合了 RISC MCU，可减少
16、发射模块所使用的组件，且耗电流仅 0.4uA。进一步达到成本节省，提高稳定度，降低功耗；目前出货量已超过 1,000 万，可靠性被广泛验证。Infineon 英飞凌还将推出SP34、SP35、SP36 和 SP4x 等产型号，其中 SP35 预计将在 2006 年年中量产。此外，英飞凌 TPMS 感应器最大的一个优势是有 SPI 接口，设计上将更有弹性。而且内建惯性感应器，可侦测车轮运转，多数时间车子处于静止状态，藉由惯性感应器的辅助，可大幅度节省电量。GE 通用（NovaSensor）1995 年开始，GE 通用 NovaSensor 就提供压力传感器给 TPMS 系统。迄今出货量超过 10
17、00 万片，统计其不良率仅为百万分之一（1ppm） 。其出货的客户如 Schrader，Smartire，TRW，Lear 等均为一线大厂。从 2004 年初开始，GE 通用二代胎压传感器 NPX 开始供货。整合了压力、温度传感器,及一 8 位 RISC MCU。同年亦推出 NPX II，与 NPX I 相比，NPX II 除了具有 NPXI 的所有功能外，另整合了惯性感应器，可承受 5000g 的加速度。2006 年，GE 通用将推出 NPX III。NPX III 具有 NPX II 的所有功能，也把 RF 发射电路整合一起成为单芯片方案。将为现行 TPMS 方案带来突破。GE 通用并有计
18、画地发展不需要电池的 TPMS 感应器 NPX IV。NPX IV 内部整合一个由 GE 通用自行研发的集电装置，可简化发射模块的设计，也可提高系统的量测频率，达到降低系统成本的要求。 TPMS 商机庞大在汽车电子市场，TPMS 未来 5 年内年增长率超过 25%的市场。且在 TREAD 法案和 NHTSA 的规定驱动下，2005 年全球 6,730 万部出厂轻型汽车中将有 580 万部装配 TPMS，装配率达 9%；而 Strategy Analytics更预测到 2010 年，7,940 万部新出厂汽车中，装配率将升到近 34%。下图为各类型 TPMS 200305 年的表现，以及到 2007 年的需求预测。如此庞大的商机，势必会吸引许多芯片厂商投入战场。 （本文作者现任新加坡商立先国际电子 Future Electronics OEM Sales Manager） 。
