中心議題：

• 汽車(chē)輪胎壓力監視系統將是預防爆胎的理想工具
• 介紹胎壓監控的基本原理，給出無(wú)源TPMS磁場(chǎng)電磁耦合設計方案
• 設計一種新型的輪胎壓力監控系統解決方案
  

解決方案：

• 采用直接傳感系統更有效
• 傳感器進(jìn)行無(wú)源檢測，提高系統的可靠性
• 控制器采用摩托羅拉的MC6S08QG8芯片

引言
2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問(wèn)題，造成了超過(guò)100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車(chē)業(yè)和美國政府的高度重視，普利斯通/凡世通公司被迫收回650萬(wàn)只輪胎。據美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )最近的調查，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據公安部統計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80%。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。

據國家橡膠輪胎質(zhì)量監督中心分析，保持標準的車(chē)胎氣壓和及時(shí)發(fā)現車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車(chē)輪胎壓力監視系統將是預防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個(gè)漸變的過(guò)程，即使由于異物刺破輪胎而導致的輪胎泄氣也有一個(gè)持續過(guò)程，因此通過(guò)實(shí)時(shí)監測輪胎壓力，并在輪胎壓力出現異常后的第一時(shí)間報警，能夠為駕駛員正確處理突發(fā)情況爭取寶貴時(shí)間，從而保證行車(chē)的安全。為此，美國運輸部和美國國家高速公路安全管理局制定了相關(guān)政策，規定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入輪胎壓力監視系統。

胎壓監控的基本原理
目前，輪胎壓力監測系統主要有兩種解決方案，直接系統和間接系統。直接式輪胎壓力監測系統是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)報警。間接式輪胎壓力監測系統是通過(guò)汽車(chē)ABS系統的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉速差別，以達到監控胎壓的目的，該類(lèi)型系統的主要缺點(diǎn)是：①不能顯示出各條輪胎準確的瞬時(shí)氣壓值;②同一車(chē)軸或者同一側車(chē)輪或者所有輪胎氣壓同時(shí)下降時(shí)不能報警;③不能同時(shí)兼顧車(chē)速、檢測精度等因素。很明顯，直接傳感系統更有效。

直接式輪胎壓力監控系統又分為主動(dòng)式(active)和被動(dòng)式(passive)兩種。
主動(dòng)式系統是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個(gè)輪圈上，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛室里的無(wú)線(xiàn)接收裝置接收到該壓力敏感信號，經(jīng)過(guò)一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)比較成熟，開(kāi)發(fā)出來(lái)的模塊可適用于各廠(chǎng)牌的輪胎，但缺點(diǎn)同樣比較突出，其感應模塊需要電池供電，因此存在系統使用壽命的問(wèn)題。

被動(dòng)式輪胎壓力監控系統的傳感器是采用聲表面波(SAW)來(lái)設計的，這種傳感器通過(guò)射頻電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)聲表面波，當這個(gè)聲表面波通過(guò)壓電襯底材料的表面時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生變化，通過(guò)檢測聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉發(fā)器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標準才有可能實(shí)施。

輪胎氣壓實(shí)時(shí)監測與報警系統目前還沒(méi)有統一的標準，各公司都在努力開(kāi)發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品，以期在未來(lái)的競爭中立于不敗之地。具有分辨率高、無(wú)源、體積小三個(gè)特征的胎壓監控系統將是未來(lái)的發(fā)展趨勢。

輪胎氣壓監測系統要檢測出輪胎氣壓的異常狀況，只有具有高分辨率才能有高的精度。電池壽命是有限的，且容量也受溫度影響。為提高系統的可靠性，傳感器最好能進(jìn)行無(wú)源檢測。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關(guān)，還與溫度、車(chē)輪轉速及載質(zhì)量等有關(guān)，未來(lái)的壓力傳感器在測量輪胎氣壓的同時(shí)，還應能測量輪胎內溫度和載質(zhì)量。許多研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可對車(chē)輛懸掛系統進(jìn)行故障監測并校正導航系統。因此，未來(lái)的傳感器應該是集各種功能于一身的無(wú)源智能型傳感器。

無(wú)源TPMS磁場(chǎng)電磁耦合設計方案
a.原理
電感耦合是一種變壓器模型，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現耦合。依據的是電磁感應定律，實(shí)際上是通過(guò)交變磁場(chǎng)在輪胎內測量發(fā)射模塊的線(xiàn)圈中感應出電壓和電流，給輪胎內測量發(fā)射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統。

b.方案設計
該系統至少包含輪胎內測量模塊和閱讀器兩部分。

一般情況下，胎內測量模塊由低頻耦合天線(xiàn)(大面積的線(xiàn)圈)、專(zhuān)用微型芯片和高頻發(fā)射天線(xiàn)組成。低頻耦合天線(xiàn)從交變磁場(chǎng)中獲得工作所需的能量，專(zhuān)用芯片負責測量壓力和將壓力信息轉化為RF信號，高頻發(fā)射天線(xiàn)將RF信號發(fā)射到空間。

閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅動(dòng)電路、低頻天線(xiàn)、高頻接收天線(xiàn)?？刂破魍ㄟ^(guò)低頻天線(xiàn)向空間發(fā)射出供胎內測量電路使用的電磁波，發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線(xiàn)穿過(guò)距閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈一定距離的輪胎內測量模塊低頻耦合天線(xiàn)線(xiàn)圈，通過(guò)感應，在低頻耦合天線(xiàn)線(xiàn)圈上產(chǎn)生一個(gè)電壓Ui，將其整流后作為胎內測量接收模塊的電源。將一個(gè)電容與閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈并聯(lián)，電容器電容的選擇依據是：它與天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)振蕩回路。該回路的諧振使得閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生非常大的電流，這種方法也可用于產(chǎn)生供遠距離應答器工作所需要的場(chǎng)強。胎內測量模塊的低頻耦合天線(xiàn)線(xiàn)圈和電容器構成振蕩回路，調諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，應答器線(xiàn)圈上的電壓達到最大值。這兩個(gè)線(xiàn)圈上的結構也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個(gè)線(xiàn)圈之間只存在很弱的耦合，閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈與胎內測量模塊的低頻耦合天線(xiàn)線(xiàn)圈之間的功率傳輸效率與工作頻率f、應答器線(xiàn)圈的匝數n，被應答器線(xiàn)圈包圍的面積A、兩個(gè)線(xiàn)圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。胎內測量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調制到RF信號發(fā)射出來(lái)，閱讀器的高頻接收天線(xiàn)接收到RF信號后，接收器將RF信號解調后將壓力信號傳給控制器，控制器將壓力信號通過(guò)人機界面告知車(chē)主。

c.難點(diǎn)和解決思路
電感耦合系統的效率不高，所以一般適用于低電流電路，作用距離短，一般只有幾十厘米。提供能量有限，所以模塊中的傳感器電路的設計就很重要。其關(guān)鍵是：①芯片的設計要效率高，能在低電流的情況下完成測量和發(fā)射的任務(wù);②微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應。高頻的強電磁場(chǎng)由閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生，所以閱讀器的設計要提供足夠的磁場(chǎng)強度。

本系統要求作用距離大約30～40 cm，能提供大約20 mA的大電流，因此設計上具有挑戰性。為實(shí)現預期目標，可以從兩方面做出努力：一方面是盡可能提供較大的電流和能量供芯片正常工作;另一方面則應該對測量芯片采用低功耗設計，盡量降低胎內測量模塊正常工作所需的電流。

直接胎壓監控系統設計與分析
本文設計了一種直接式TPMS，其原理如圖1所示。該系統由兩部分組成，輪胎模塊和車(chē)載接收模塊。其中，輪胎模塊包括壓力和溫度傳感器、A/D變換器、控制器及射頻發(fā)射器等，如圖2所示。車(chē)載接收模塊包括了射頻接收器、控制器以及顯示報警裝置等，如圖3所示。
 

 
該系統的基本工作原理如下，把輪胎模塊裝置在輪胎內，壓力和溫度傳感器檢測輪胎內部當前的應力和溫度信息，獲得的模擬信號經(jīng)過(guò)A/D變換器轉換成數字信號，然后通過(guò)射頻發(fā)射器發(fā)送出去。車(chē)載接收模塊裝置在駕駛室內，射頻接收器接收來(lái)自輪胎模塊的應力和溫度信息，當輪胎壓力過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，通過(guò)顯示和報警裝置發(fā)出報警信息。

在輪胎模塊，設計了一種新型的壓力溫度集成傳感器作為輪胎壓力監控傳感器。該傳感器集成了壓力和溫度兩種傳感器，具有體積小、成本低、測量精度高等特點(diǎn)。采用低噪聲四通道放大器，可以方便實(shí)現對壓力和溫度兩種信號的放大?？刂破鞑捎媚ν辛_拉的MC6S08QG8芯片，該單片機的工作電壓為3 V，與傳感器的工作電壓一致。射頻發(fā)射芯片采用摩托羅拉的MC33493芯片，該芯片具有3 V供電以及功耗低等特點(diǎn)。

在車(chē)載接收模塊，射頻接收解碼芯片采用摩托羅拉的MC33594芯片，該芯片是和射頻發(fā)射芯片MC33493芯片配套的射頻接收芯片，其工作電壓是5 V?？刂破鞑捎媚ν辛_拉的MC9S08AW16單片機，該芯片的內核為S08，可以與輪胎模塊的單片機MC6S08QG8采用同樣的開(kāi)發(fā)環(huán)境，另外該芯片為5 V供電，與射頻接收芯片以及LCD顯示芯片電平兼容。

新型的胎壓監控傳感器分析
壓力傳感器和溫度傳感器是輪胎壓力監控系統的關(guān)鍵部件，設計并制作了一種新型傳感器，它包含壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器兩部分。

其中，壓阻式壓力傳感器主要是利用半導體的壓阻效應，把一個(gè)惠斯通電橋做在一個(gè)硅杯上，如圖4所示。當硅杯受到壓力后發(fā)生形變，惠斯通電橋的四個(gè)橋臂電阻就會(huì )發(fā)生變化，打破了電橋的電平衡，從而會(huì )有一個(gè)電信號的輸出。

 
溫度傳感器采用單電阻結構，在n型硅襯底上制作一個(gè)p型電阻。囚為p型注入電阻有一個(gè)正的溫度系數，當溫度發(fā)生變化時(shí)，電阻的阻值就會(huì )發(fā)生相應的變化。通過(guò)給電阻以電流源供電，就可以通過(guò)測量電阻上的電壓來(lái)檢測溫度的變化。

圖5是本文制作的傳感器芯片的電鏡照片。圖5(a)為器件正面全貌;圖5(b)為薄膜正面;圖5(c)為薄膜背面。其中壓敏元件采用比常規更厚的50μm硅杯薄膜(500 μm×500μm)，增大了體硅上高應力區的面積，在降低工藝要求的同時(shí)提高了線(xiàn)性測量范圍和過(guò)載壓力。壓敏電阻設計為折線(xiàn)結構，采用優(yōu)化的幾何尺寸，并將其部分制作在高應力體硅上以獲得更高靈敏度。體硅上的溫敏電阻隨壓敏電阻利用同步注入工藝制作，減小了工藝復雜度。該器件工藝簡(jiǎn)單，成品率高，與標準IC工藝兼容。

 
初步的測試結果表明集成傳感器具有良好的性能。壓力傳感器的滿(mǎn)量程輸出為150 mV，壓力測量范圍為0～500 kPa，靈敏度為0.3 mV/kPa。溫度傳感器的靈敏度為1.24 mV/℃，非線(xiàn)性為1.6%。壓力溫度集成傳感器完全適用于胎壓監控系統的要求。

結 論
在分析了輪胎壓力監摔系統的原理及各種不同解決方案的基礎上，設計了一種新型的輪胎壓力監控系統解決方案。根據TPMS的要求，設計制作了一種壓力溫度集成傳感器，該器件工藝簡(jiǎn)單，成品率高，與標準IC工藝兼容。