智能传感器的汽车轮胎压力监视系统研究

摘 要:在汽车的高速行驶过程中, 轮胎故障是所有驾驶员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。如何防止爆胎已成为保障高速公路驾驶安全的一个重要课题。

关键词:智能传感器;汽车轮胎压力;监视系统

中图分类号:TP

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0288-02

汽车轮胎气压监视系统(Tire Pressure Monitoring System,TPMS)~是有效解决爆胎问题的研究成果之一。在汽车行驶过程 中, TPMS 可以实时地对轮胎气压进行自动监测 , 当检测出轮胎漏气或气压过低时, 会发出警报, 以保障行车安全。 目前 , TPMS 产品主要分2 种类型: 一种是间接式TPMS , 通过汽车ABS 系统的轮速传感器来 比较轮胎之间的转速差别, 从而达到监视轮胎气压的目的。这种类型TPMS的主要缺点是无法对2 个以上轮胎同时缺气的状况和车辆行驶速度超过100 公里/I1 ,时的情况进行判断 ; 另一种是直接式TPMS , 这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压 , 并对各轮胎气压进行显示及监视,当轮胎气压太低或有渗漏时,系统会自动报警。直接式TPMS 由2个部分组成 :①远程轮胎气压监视模块( 发射器) 。该模块直接安装在每个轮胎的气嘴上,用来测量轮胎气压, 当轮胎气压低于设定值时, 该模块工作, 并将测量得到的信号通过高频无线电波(RF)发射出去。一个TPMS 有4 个或5 个( 包括备用胎) 远程轮胎气压监视模块。 ②中央监视器( 接收器) 。 当中央监视器接收到远程轮胎气压监视模块发射的信号后 , 经过一系列的处理, 用声音( 发出报警声) 、 数字或者光电信号显示故障轮胎的位置, 提醒驾驶员采取必要的处理措施。直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS。欧洲的许多汽车生产厂家已将直接式TPMS配装于他们的汽车产品之中,其中包括德国宝马的Z8型轿车、法国雪铁龙的C5型轿车、英国阿斯顿•马汀的超级跑车Vanquish和林肯大陆、旁蒂克的旗舰Bonneville SE等。梅赛德斯一奔驰S级系列轿车最新的改进,也将TPMS~为选装件。

在一些汽车制造水平高的国家,如美国已经开始立法要求在新研制的汽车中必须要具有轮胎压力监视系统。根据最近的市场分析,整个TPMS的市场将达到3500万美金。因为轮胎压力监视系统包括在轮胎内部直接测量压力的传感器,如果每辆使用4到5个传感器的话,这就具有相当可观的市场前景。本文讨论了一种基于先进微系统技术的新产品平台KP500,它将传感器、控制器和存储器集成在了一个芯片上。轮胎压力监系统面临的主要问题就是在微型电池有限的能源下有较长的使用寿命。降低自身测量所需要的能耗是一方面,采用能耗较低的电容型压力传感器(如所讨论的KP500传感器系列)也可以延长使用寿命。分析测量数据,根据车辆实际情况(熄火或运行)来改变传感器的工作状态,从而改变系统的能源管理是达到较长的使用寿命的关键。

1 直接式轮胎压力监视系统

汽车轮胎压力监视系统可以分为间接式TPMS和直接式TPMS。间接式TPMS有可分为间接式计算式轮胎气压监视系统、比较式轮胎气压监视系统、磁敏式轮胎气压监视系统。而直接式TPMS系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压,并通过无限传输方式调制发射到中央控制单元(MCU)。驾驶台仪表盘上的监视器随时显示各个轮胎的气压。

一部分(子机)装在轮胎内部和轮毂上,另一部分(主机)则装在汽车驾驶室仪表板上,这两部分之间采用射频收发技术来进行无线通讯。为保证信息传输质量,在信息发送端和信息接收端之间采用脉冲编码调制的射频信号进行无线通讯。直接式轮胎压力监视系统包含有4～5个轮胎压力监控模块。每只轮胎重有一个,外加一个中央处理单元。轮胎压力监视控模块主要测量轮胎内部的压力和温度的波动情况。它们是由微型锂离子电池驱动,且通过射频收发技术向中央处理单元(微控制器)传输数据。出于节省功率考虑的原因,需要根据车辆的实际运行情况来改变射频传输的周期。检测分析部分(子机)检涮分析部分(主机)压力监视控模块有3种基本功能:测量、控制和传输。新一代Intineon发送器(如PMAS100)具有微控制器功能,可以与KPS05(轮胎压传感器KPS00系列中的一种)理想地匹配。很多控制器的功能可以在KP5o5这个传感器上实现。KP510传感器是一种可以直接和标准的超高频(UHF)发送器芯片(如TA5100)匹配使用的智能传感器,它可以在幅移键控模式(ASK)或频移键控模式(FSK)下以434MHz或869MHz的频率工作。

2 用于轮胎压力监控系统的KP500

德国Infineon公司研制的智能轮胎压力传感器KP500具备轮胎监控模块所需要的所有功能,它不需要在传感器模块中增加速度传感器,可以在汽车启动时自动开机进入自检,能测量压力、温度和电压等。KP500将传感器单元和A/D转换器、信号处理、校定数据存储、能源管理以及同步串行通信接口(SS1)完全集成在一起,使集成系统更为便利和灵活。配备一颗微型电池的KPS00传感器设计达到的使用寿命是10年以上,这也包括了低功率的微控制器和发送器的电能供应。大多数的电路系统只需要在测量时的很短时间间隔里被激活。一个测量循环可以由外部命令和内部的自醒算法来触发。一个最佳的测量频率为一秒钟1次或2次,这个频率对于改变非常缓慢的被测压力来说已经足够的了。

2.1 压力和温度数据的读取

获取方法有逐次逼近法和阈值检查法。逐次逼近法可以将压力和温度转化为8位数字量,但要消耗更多的电能;阀值检查法按预先设置的阀值检查所侧的压力和温度是否超越了阈值。压力传感模块由表面微机械加工的电容传感单元构成,压力范围达到650kPa。其中2个传感阵列和2个基准阵列构成了一个电容桥式电路。实际的压力改变了传感器阵列的电容,从而使得电桥失衡最后桥电压加载到微分A/D转换器上,这种转化是用逐次逼近法(SAR)的方法来完成的。对于这样的应用来说,电容型传感器是一个理想选择,因为它的能耗较低。与压电电阻压力传感器相比,后者需要有电流来产生信号,电容型传感器在传感器单元上测量电荷数量,但这个过程只需要很小的电流。每次压力测量所需的电流消耗可以比传统的压电电阻传感器低10个百分点。温度传感模块是基于工作在不同射极电流电流密度下2个完全相同的双极晶体管的基极发射极电压差值来测量的。电路中产生的电压差值和结对温度成正比,带隙基准电压在测量温度的时候作为模数转换器(ADC)的参考电压。温度测量可以由SPI总线触发或是由内部的计数器来触发。计数器是按压力测量频率来计时的,所以这种情况下温度测量频率和压力测量频率是一样的。

2.2 KP500传感器的只能唤醒模式

通常,轮胎压力监视系统中也用到加速度计来监测车辆是否处于运动状态。当车辆没有运行时,测量频率可以低一些,这样可以节省能源,但是这样在相当大的程度上增加了系统的成本。KP500传感器则不需要有另外的辅助传感器,被测的压力数据自身为确定射频传频率提供了一个非常重要的依据。KPS00传感器会根据监控到的即时压力变化来决定最适宜的射频传输频率,这样可以节省能源。芯片对所测的压力数据进行精确分析后启用智能唤醒程序,这种算法为用射频收发技术传输数据计算最佳的时间。如果所监测到的压力没有改变就不需要传输信号,这样就可节省宝贵的能源;相反,压力的快速变化要求向中央处理单元进行频繁的数据传输(警告模式)。在中央处理单元的进一步信号处理后将决定是否要对驾驶员发出警告。智能唤醒的原理是根据压力的变化情况,在固定的时间间隔进行测量,但传输频率随压力梯度而定。当压力恒定时传输的频率就低,在压力快速改变的阶段,传感器与中央处理单元会进行频繁的数据传输。智能地调整数据的传输次数对KPS00压力传感器系列的整体节能有很大的帮助。

2.3 EEPROM弄口ID

KPS00的压力传感模块可以在IFX生产线上进行标定,标定系数被储存在内不的电可擦编程只读存存储器中,温度传感器不需要标定。另外,电可擦编程只读存贮器包含一个“独特的”32位序列号,它在IFX的整个制作过程中是可追踪的。

芯片识别码(ID)可以由同步串行接口(SSI)读出,而且可以用于辨识各个轮胎压力传感器的位置。这里选择ID长度为32位。为避免相同ID碰到一起的可能性,可扩展到48位。在接收数据的时候,首先要检查ID,如果发现ID不符,就放弃收到的数据帧。当接收机发现ID一批配上,就修改状态位并指示轮胎的位置。对于中央处理单元准确的就收和处理各个传感器的数据很重要,可以避免从其他车上接收到不需要的干扰数据。

2.4 通信接口

同步串行接口(SSI)是各类DSP处理器中的常见接口,它适用于微控制器和外围设备之间进行通信的一个公用接口。KP505常作为微控制器的从设备来使用,他们之间SSI端口进行通信。因此一个写入操作以为真数据从微控制器传输到传感器,而读操作是指微控制器从传感器处获取数据。SSI接口采用了4种线路:串行时钟、串行数据输出、串行数据输入和数据同步(Ds)。可以将数据同步线配置成为传感器的唤醒触发线。在这种情况下,数据同步线上没有任何数据传输的“低”脉冲触发这个唤醒。处理完成后,新的数值可以再没有进一步通信的情况下被直接读出。除了温度和压力外,KP505传感还可提供如平均值和噪声电平等信息。传感器和传送器的智能唤醒参数的确定也可以通过SSI编程来实现,因此这类传感器能适应各种类型的轮胎和车辆。

2.5 表面微机械加工

KP500传感器是利用表面微机械加工(SMM)技术制作的。表面微机械加工能将复杂的电路和存储器集成起来,这样就可以储存标定数据、配置文件和轮胎的标识号。Infine-on公司利用表面微机械加工技术在BiCMOS上集成压力传感器单元。因为BiCMOS可以提供双极性和COMS其间,这种技术代表了最先进的微系统技术。1998年Infin~n公司开始批量生产这种由微机械加工技术制作新颖的压力传感器。具有模拟和数值输出的表面微机械加工的传感器也在大规模生产。表面微机械加工中,传感器用标准的半导体制作工艺实现。目前0.8m的BiCOMS上高度集成的轮胎压力传感器芯片,将进一步推进SMM技术发展。压力传感器以电容传感器单元为基础,由薄膜,硅底座和密封腔组成。薄膜和硅底座构成了电容的2个极板,他在压力作用下弯曲而导致传感单元的电容变化。薄膜的成分是多晶硅,它是Bj-COMS工艺的一部分。在BiCMOS里被用于绝缘层的热氧化物层在微机械加工部分作为牺牲氧化层。在其它工艺中要用对多晶硅薄膜有很高的选择性的湿法化学腐蚀法来除去牺牲氧化层,将结构层释放出来。表面为机械加工技术可以为TPMS提供所需要的要求高、功耗低及精度高的传感器模块,这样就降低了TPMS的生产成本。

3 结束语

先进的微系统技术的发展使得传感器功能更先进、更智能。这些传感器能够处理这些手机到底数据及控制数据传

输的频率,这样可以为TPMS节约电能,同时也减少系统成本。13本阿尔卑斯电气公司开发了不需电池的轮胎气压监测系统。该系统通过在轮胎上配备不需电池的转换器解决此前存在的需要更换电池以及车辆高速行驶时由于电池质量而导致轮胎变形等问题,可直接测定轮胎内部压力,通过安装在车身上的收发器进行气压数据信息的收发。该系统于2007年投入批量生产。轮胎气压监视技术是一项通过防止爆胎事先预防车祸的最新技术,使人们行车安全意识从“事后处理”时代到了“主动防范”的时代。