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TPMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
摘要：介紹TPMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢、市場。關(guān)鍵詞：TPMS 遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊 中央監(jiān)視器 RFID SAW
TPMS的由來及市場
TPMS 是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) "Tire Pressure Monitoring System"的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。
在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%-80%是由于爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。據(jù)有關(guān)專家的分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。而TPMS-汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)毫無疑問將是理想的工具。凡世通（Firestone）輪胎的質(zhì)量問題，造成了超過千人的傷亡，此事引起了業(yè)界和美國政府的高度關(guān)注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)最近的調(diào)查，美國每年有26萬交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于每年造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，美國政府要求汽車制造商加速發(fā)展TPMS系統(tǒng)，以求減少輪胎事故的發(fā)生。因此，在2000年美國國會(huì)通過了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。2000年11月1日美國總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國會(huì)關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案，要求2003年后所有的新車都需把這種系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置�；貞�(yīng)TREAD法案，美國公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車生產(chǎn)商的執(zhí)行時(shí)間表：美國市場出售的汽車，2004年占10%，2005年占35%， 2006年占65%，2007年 將達(dá)100%。美國每年的汽車銷量約為1500萬輛（轎車/卡車）。全球每年約5000萬輛，平均每輛車需要4.2個(gè)輪胎（不包括備用胎）。
中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長的趨勢，汽車保有量已突破2600萬輛，年銷售汽車將突破600萬輛，未來5年將成為僅次于美國的全球第二大汽車銷售國。汽車安全產(chǎn)品將成為中國生機(jī)勃勃的新興市場熱點(diǎn)，今后每年的增長速度可達(dá)50%。其中，僅TPMS技術(shù)產(chǎn)品2005年底的市場容量就將達(dá)20萬套，近7億元人民幣；2006將達(dá)到50萬套，近17億元。根據(jù)2003－2010年汽車需求預(yù)測：汽車年增長16%－20%；轎車年增長19.2%－24%。綜合以上分析，預(yù)計(jì)，2005－2010年，中國汽車保有量將以16% 以上的速度增長。
美國、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車全部安裝TPMS，因此，對TPMS的需要量與日俱增，美國的人工每小時(shí)起碼7.5元美金，差不多是中國工人的日工資，面對量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國。今后幾年內(nèi)中國必將成為TPMS的生產(chǎn)大國。
人的生命是最可貴的，因此，為與世界先進(jìn)國家同步，我國關(guān)于汽車安裝TPMS這樣的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)法規(guī)遲早也會(huì)出臺(tái)。因此，目前我們國內(nèi)已有數(shù)百家設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)廠家開始開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)TPMS。
目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是間接式TPMS，它通過汽車ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，其缺點(diǎn)是無法對兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過100公里／小時(shí)的情況進(jìn)行判斷。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。直接式TPMS 從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。許多歐洲的汽車廠商已將直接式TPMS 配裝于自己的車型之中，其中包括：德國寶馬的 Z8、法國雪鐵龍的 C5、英國阿斯頓· 馬汀的超級跑車 Vanquish、林肯大陸、克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車、旁蒂克的旗艦Bonneville SE 等等，梅賽德斯-奔馳S級轎車最新的改進(jìn)也將TPMS 作為選裝件。國內(nèi)多數(shù)汽車廠家目前已開始進(jìn)行這方面的研究，中國加入 WTO 以后，隨著國際化的要求，和國產(chǎn)汽車的出口，相信國內(nèi)廠家會(huì)跟上這個(gè)步伐。中國TPMS的前裝和后裝市場已經(jīng)啟動(dòng)，預(yù)見前裝市場（汽車生產(chǎn)廠家原裝）將比后裝市場（汽車購買后安裝）跑得更快。
TPMS產(chǎn)品技術(shù)
TPMS系統(tǒng)主要有二個(gè)部分組成：安裝在汽車輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊（Remote Tire Pressure Monitoring）和安裝在汽車駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器（LCD顯示器）。直接安裝在每個(gè)輪胎里測量輪胎壓力和溫度模塊，將測量得到的信號調(diào)制后通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。一個(gè)TPMS系統(tǒng)有4個(gè)或5個(gè)（包括備用胎）RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的報(bào)警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。
由于汽車輪胎現(xiàn)在大多都是沒有內(nèi)胎的真空子午胎，因此，將TPMS的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的，但是汽車在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按軍級產(chǎn)品的要求來選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來制訂生產(chǎn)工藝，然而它是一個(gè)量大面廣的汽車通用安全產(chǎn)品，要按消費(fèi)電子產(chǎn)品來定價(jià)。
遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊由五個(gè)部分組成：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8位單片機(jī)（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線。外殼選用高強(qiáng)度ABS塑料。所有器件、材料都要滿足- 40℃到+125℃的使用溫度范圍。
智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)、電池電壓檢測、內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、校準(zhǔn)（Calibration）、數(shù)據(jù)管理（Data）、ID碼的數(shù)字信號處理ASIC單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC電路二塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測量電橋；同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有16-32位獨(dú)特的ID碼。
適用于TPMS的智能傳感器主要有硅集成電容式壓力傳感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040；和硅壓阻式壓力傳感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPX2，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗。
NPX和SP12系列的智能傳感器都包含了加速度計(jì)，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等功能。NPX還將8位MCU封裝在智能傳感器中。
隨著TPMS產(chǎn)品市場對IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如GE NPX那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊，在未來幾年內(nèi)還會(huì)開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡便。
TPMS的工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92 MHz，韓國為448 MHz，已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為868 MHz。其發(fā)射功率又不能超過10dBm，否則要接受無線電管制。工作模式有ASK（振幅變換調(diào)制）、FSK（頻率變換調(diào)制），F(xiàn)SK抗干擾較好。因此，對RF芯片選用的要求是：（1）發(fā)射功率盡可能大；（2）芯片外型尺寸盡可能��；（3）具有比較好的性能/價(jià)格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的標(biāo)稱發(fā)射功率都達(dá)10dBm。
電池選用鋰亞電池，以保證遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊在高低溫環(huán)境中都能正常工作。傳統(tǒng)的鋰電池在- 40℃低溫時(shí)喪失電能，在+100℃高溫時(shí)會(huì)自動(dòng)放電。TADIRAN LTH2450鋰亞電池能滿足TPMS寬溫度范圍的要求。
天線是遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊發(fā)射功率提升的關(guān)鍵，天線技術(shù)涉及天線的幾何形狀、材料、介質(zhì)等諸多因素。
遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊的整體電源管理是十分重要的，一個(gè)鋰亞電池要向這個(gè)模塊提供3-5年的工作能源，做好電源管理和如何省電是關(guān)鍵所在。
發(fā)射模塊在汽車輪胎內(nèi)的安裝有二種方式，一是利用氣門咀安裝，這是目前使用最多的；二是利用緊箍扣安裝在輪轂上，這是最早的辦法，但振動(dòng)后會(huì)移位。無論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊都必須對輪胎重新做動(dòng)平衡檢驗(yàn)。
中央監(jiān)視器即TPMS接收器主要由UHF ASK/FSK RF接收IC和信號處理MCU、鍵盤、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號處理MCU安裝在一個(gè)盒子里，可安裝在汽車儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤的LCD顯示器可安裝在駕駛臺(tái)上，LCD顯示器能實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎的壓力、溫度，和每一個(gè)輪胎的ID識(shí)別碼，以及聲光報(bào)警。由于接收系統(tǒng)是工作在汽車車廂內(nèi)，其環(huán)境溫度是常溫而且變化不大，電源可以使用汽車的12V或24V電源，因此對器件選用只要是工業(yè)級即可，省電的要求也不高。
RF接收IC選用時(shí)一般考慮需要較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，ATMEL的T5743、Infineon的TDK5210的標(biāo)稱靈敏度都達(dá)-100dBm以上。
TPMS技術(shù)發(fā)展趨勢
汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，將是一個(gè)永恒的主題，因此，TPMS將成為汽車安全保障系統(tǒng)之一。TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方向發(fā)展。
米其林集團(tuán)公司、固特異輪胎橡膠公司已開發(fā)出在輪胎制造時(shí)的成形工序中，將壓力、溫度監(jiān)測和信號發(fā)射裝置被埋入輪胎胎壁內(nèi)，它在輪胎的整個(gè)壽命期間（一般為1～7年）發(fā)揮作用；作為信號接收裝置做成如手機(jī)的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車時(shí)插裝在車上，下車後隨身攜帶。
以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該公司和西門子VDO汽車配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號外，還具有標(biāo)識(shí)輪胎的功能，也就是說，它既可用於輪胎氣壓監(jiān)測，還可以用於輪胎歷程可追溯性記錄。上海交通大學(xué)也開始基于聲表波技術(shù)的TPMS開發(fā)研究，這種能同時(shí)測量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)的SAW傳感器，不僅可實(shí)現(xiàn)智能輪胎信息的無源測量和無線發(fā)送，并且將擁有中國人自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
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