中心議題：

• 汽車胎壓監控的必要性
• 汽車胎壓監控的基本原理

解決方案：

• 使用無源TPMS磁場電磁耦合設計方案
• 直接胎壓監控係統設計與分析
• 新型的胎壓監控傳感器分析

2002年
，由於凡世通(Firestone)輪胎的質量問題，造成了超過100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車業和美國政府的高度重視
，普利斯通／凡世通公司被迫收回650萬隻輪胎。據美國汽車工程師學會最近的調查，每年75％的輪胎故障是由於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生的交通事故有70％是由於爆胎引起的，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重要課題。

據(ju)國(guo)家(jia)橡(xiang)膠(jiao)輪(lun)胎(tai)質(zhi)量(liang)監(jian)督(du)中(zhong)心(xin)分(fen)析(xi)

，保(bao)持(chi)標(biao)準(zhun)的(de)車(che)胎(tai)氣(qi)壓(ya)和(he)及(ji)時(shi)發(fa)現(xian)車(che)胎(tai)漏(lou)氣(qi)是(shi)防(fang)止(zhi)爆(bao)胎(tai)的(de)關(guan)鍵(jian)

，而(er)汽(qi)車(che)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)監(jian)視(shi)係(xi)統(tong)將(jiang)是(shi)預(yu)防(fang)爆(bao)胎(tai)的(de)理(li)想(xiang)工(gong)具(ju)。由(you)於(yu)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)變(bian)化(hua)通(tong)常(chang)是(shi)一(yi)個(ge)漸(jian)變(bian)的(de)過(guo)程(cheng)

，即(ji)使(shi)由(you)於(yu)異(yi)物(wu)刺(ci)破(po)輪(lun)胎(tai)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)輪(lun)胎(tai)泄(xie)氣(qi)也(ye)有(you)一(yi)個(ge)持(chi)續(xu)過(guo)程(cheng)，因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)
，並(bing)在(zai)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)出(chu)現(xian)異(yi)常(chang)後(hou)的(de)第(di)一(yi)時(shi)間(jian)報(bao)警(jing)
，能(neng)夠(gou)為(wei)駕(jia)駛(shi)員(yuan)正(zheng)確(que)處(chu)理(li)突(tu)發(fa)情(qing)況(kuang)爭(zheng)取(qu)寶(bao)貴(gui)時(shi)間(jian)
，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)行(xing)車(che)的(de)安(an)全(quan)。為(wei)此(ci)，美(mei)國(guo)運(yun)輸(shu)部(bu)和(he)美(mei)國(guo)國(guo)家(jia)高(gao)速(su)公(gong)路(lu)安(an)全(quan)管(guan)理(li)局(ju)製(zhi)定(ding)了(le)相(xiang)關(guan)政(zheng)策(ce)
，規(gui)定(ding)從(cong)2003年11月到2006年10月31日期間新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監視係統。

胎壓監控的基本原理

目mu前qian，輪lun胎tai壓ya力li監jian測ce係xi統tong主zhu要yao有you兩liang種zhong解jie決jue方fang案an，直zhi接jie係xi統tong和he間jian接jie係xi統tong。直zhi接jie式shi輪lun胎tai壓ya力li監jian測ce係xi統tong是shi利li用yong安an裝zhuang在zai每mei一yi個ge輪lun胎tai裏li的de壓ya力li傳chuan感gan器qi直zhi接jie測ce量liang輪lun胎tai的de氣qi壓ya
，並bing對dui各ge輪lun胎tai氣qi壓ya進jin行xing顯xian示shi及ji監jian控kong

，當dang輪lun胎tai氣qi壓ya太tai低di或huo有you滲shen漏lou時shi，係xi統tong會hui自zi動dong報bao警jing。間jian接jie式shi輪lun胎tai壓ya力li監jian測ce係xi統tong是shi通tong過guo汽qi車cheABS係統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監控胎壓的目的，該類型係統的主要缺點是：
       ①不能顯示出各條輪胎準確的瞬時氣壓值；
       ②同一車軸或者同一側車輪或者所有輪胎氣壓同時下降時不能報警；
       ③不能同時兼顧車速、檢測精度等因素。
很明顯
，直接傳感係統更有效。

直接式輪胎壓力監控係統又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。

主動式係統是采用在矽基上利用MEMS工(gong)藝(yi)製(zhi)作(zuo)電(dian)容(rong)式(shi)或(huo)者(zhe)壓(ya)阻(zu)式(shi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，將(jiang)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)安(an)裝(zhuang)在(zai)每(mei)個(ge)輪(lun)圈(quan)上(shang)，通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)射(she)頻(pin)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)信(xin)號(hao)傳(chuan)送(song)出(chu)去(qu)，安(an)裝(zhuang)在(zai)駕(jia)駛(shi)室(shi)裏(li)的(de)無(wu)線(xian)接(jie)收(shou)裝(zhuang)置(zhi)接(jie)收(shou)到(dao)該(gai)壓(ya)力(li)敏(min)感(gan)信(xin)號(hao)

，經(jing)過(guo)一(yi)定(ding)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)，顯(xian)示(shi)出(chu)當(dang)前(qian)的(de)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)。主(zhu)動(dong)式(shi)技(ji)術(shu)的(de)優(you)點(dian)是(shi)，技(ji)術(shu)比(bi)較(jiao)成(cheng)熟(shu)，開(kai)發(fa)出(chu)來(lai)的(de)模(mo)塊(kuai)可(ke)適(shi)用(yong)於(yu)各(ge)廠(chang)牌(pai)的(de)輪(lun)胎(tai)

，但(dan)缺(que)點(dian)同(tong)樣(yang)比(bi)較(jiao)突(tu)出(chu)，其(qi)感(gan)應(ying)模(mo)塊(kuai)需(xu)要(yao)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)，因(yin)此(ci)存(cun)在(zai)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)問(wen)題(ti)。

被動式輪胎壓力監控係統的傳感器采用聲表麵波(SAW)laishejide，zhezhongchuanganqitongguoshepindianchangchanshengyigeshengbiaomianbo
，dangzhegeshengbiaomianbotongguoyadianchendicailiaodebiaomianshi，jiuhuichanshengbianhua，tongguojianceshengbiaomianbodebianhua
，jiukeyizhidaoluntaiyalideqingkuang。suirancijishubuyongdianchigongdian，danshitaxuyaojiangzhuanfaqizhenghedaoluntaizhong
，xugeluntaizhizaoshangjianligongtongdebiaozhuncaiyoukenengshishi。

輪(lun)胎(tai)氣(qi)壓(ya)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)與(yu)報(bao)警(jing)係(xi)統(tong)目(mu)前(qian)還(hai)沒(mei)有(you)統(tong)一(yi)的(de)標(biao)準(zhun)
，各(ge)公(gong)司(si)都(dou)在(zai)努(nu)力(li)開(kai)發(fa)具(ju)有(you)競(jing)爭(zheng)力(li)的(de)產(chan)品(pin)，以(yi)期(qi)在(zai)未(wei)來(lai)的(de)競(jing)爭(zheng)中(zhong)立(li)於(yu)不(bu)敗(bai)之(zhi)地(di)。具(ju)有(you)分(fen)辨(bian)率(lv)高(gao)、無源、體積小三個特征的胎壓監控係統將是未來的發展趨勢。

輪lun胎tai氣qi壓ya監jian測ce係xi統tong要yao檢jian測ce出chu輪lun胎tai氣qi壓ya的de異yi常chang狀zhuang況kuang，隻zhi有you具ju有you高gao分fen辨bian率lv才cai能neng有you高gao的de精jing度du。電dian池chi壽shou命ming是shi有you限xian的de
，且qie容rong量liang也ye受shou溫wen度du影ying響xiang。為wei提ti高gao係xi統tong的de可ke靠kao性xing，傳chuan感gan器qi最zui好hao能neng進jin行xing無wu源yuan檢jian測ce。輪lun胎tai能neng否fou正zheng常chang工gong作zuo不bu僅jin與yu氣qi壓ya有you關guan
，還hai與yu溫wen度du、車che輪lun轉zhuan速su及ji載zai質zhi量liang等deng有you關guan，未wei來lai的de壓ya力li傳chuan感gan器qi在zai測ce量liang輪lun胎tai氣qi壓ya的de同tong時shi
，還hai應ying能neng測ce量liang輪lun胎tai內nei溫wen度du和he載zai質zhi量liang。許xu多duo研yan究jiu表biao明ming

，利li用yong輪lun胎tai氣qi壓ya傳chuan感gan器qi收shou集ji到dao的de信xin息xi，可ke對dui車che輛liang懸xuan掛gua係xi統tong進jin行xing故gu障zhang監jian測ce並bing校xiao正zheng導dao航hang係xi統tong。因yin此ci，未wei來lai的de傳chuan感gan器qi應ying該gai是shi集ji各ge種zhong功gong能neng於yu一yi身shen的de無wu源yuan智zhi能neng型xing傳chuan感gan器qi。

無源TPMS磁場電磁耦合設計方案

1 原理

電dian感gan耦ou合he是shi一yi種zhong變bian壓ya器qi模mo型xing，通tong過guo空kong間jian高gao頻pin交jiao變bian磁ci場chang實shi現xian耦ou合he。依yi據ju的de是shi電dian磁ci感gan應ying定ding律lv，實shi際ji上shang是shi通tong過guo交jiao變bian磁ci場chang在zai輪lun胎tai內nei測ce量liang發fa射she模mo塊kuai的de線xian圈quan中zhong感gan應ying出chu電dian壓ya和he電dian流liu，給gei輪lun胎tai內nei測ce量liang發fa射she模mo塊kuai提ti供gong能neng量liang。電dian感gan耦ou合he方fang式shi一yi般ban適shi合he於yu中zhong
、低頻工作的近距離射頻識別係統。

2 方案設計

該係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(大麵積的線圈)
、專用微型芯片和高頻發射天線組成。低頻耦合天線從交變磁場中獲得工作所需的能量，專用芯片負責測量壓力和將壓力信息轉化為RF信號，高頻發射天線將RF信號發射到空間。

閱讀器包含有接收器、控製器以及低頻驅動電路、低頻天線

、高(gao)頻(pin)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)。控(kong)製(zhi)器(qi)通(tong)過(guo)低(di)頻(pin)天(tian)線(xian)向(xiang)空(kong)間(jian)發(fa)射(she)出(chu)供(gong)胎(tai)內(nei)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)，發(fa)射(she)磁(ci)場(chang)的(de)一(yi)小(xiao)部(bu)分(fen)磁(ci)力(li)線(xian)穿(chuan)過(guo)距(ju)閱(yue)讀(du)器(qi)天(tian)線(xian)線(xian)圈(quan)一(yi)定(ding)距(ju)離(li)的(de)輪(lun)胎(tai)內(nei)測(ce)量(liang)模(mo)塊(kuai)低(di)頻(pin)耦(ou)合(he)天(tian)線(xian)線(xian)圈(quan)
，通(tong)過(guo)感(gan)應(ying)，在(zai)低(di)頻(pin)耦(ou)合(he)天(tian)線(xian)線(xian)圈(quan)上(shang)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)電(dian)壓(ya)Ui
，將其整流後作為胎內測量接收模塊的電源。

將一個電容與閱讀器的天線線圈並聯
，電容器電容的選擇依據是：它ta與yu天tian線xian線xian圈quan的de電dian感gan一yi起qi，形xing成cheng諧xie振zhen頻pin率lv與yu閱yue讀du器qi發fa射she頻pin率lv相xiang符fu的de並bing聯lian振zhen蕩dang回hui路lu。該gai回hui路lu的de諧xie振zhen使shi得de閱yue讀du器qi的de天tian線xian線xian圈quan產chan生sheng非fei常chang大da的de電dian流liu，這zhe種zhong方fang法fa也ye可ke用yong於yu產chan生sheng供gong遠yuan距ju離li應ying答da器qi工gong作zuo所suo需xu要yao的de場chang強qiang。胎tai內nei測ce量liang模mo塊kuai的de低di頻pin耦ou合he天tian線xian線xian圈quan和he電dian容rong器qi構gou成cheng振zhen蕩dang回hui路lu
，調tiao諧xie到dao閱yue讀du器qi的de發fa射she頻pin率lv。

通過該回路的諧振，應答器線圈上的電壓達到最大值。這兩個線圈上的結構也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個線圈之間隻存在很弱的耦合，閱讀器的天線線圈與胎內測量模塊的低頻耦合天線線圈之間的功率傳輸效率與工作頻率f、應答器線圈的匝數n，被應答器線圈包圍的麵積A

、兩個線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後
，將壓力信息調製到RF信號發射出來
，閱讀器的高頻接收天線接收到RF 信號後
，接收器將RF信號解調後將壓力信號傳給控製器，控製器將壓力信號通過人機界麵告知車主。
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3 難點和解決思路
　
電(dian)感(gan)耦(ou)合(he)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)不(bu)高(gao)，所(suo)以(yi)一(yi)般(ban)適(shi)用(yong)於(yu)低(di)電(dian)流(liu)電(dian)路(lu)，作(zuo)用(yong)距(ju)離(li)短(duan)，一(yi)般(ban)隻(zhi)有(you)幾(ji)十(shi)厘(li)米(mi)。提(ti)供(gong)能(neng)量(liang)有(you)限(xian)，所(suo)以(yi)模(mo)塊(kuai)中(zhong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)就(jiu)很(hen)重(zhong)要(yao)。其(qi)關(guan)鍵(jian)是(shi)：
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射的任務
；
②weixingxinpiangongzuosuoxuyaodequanbunengliangbixuyouyueduqigongying。gaopindeqiangdiancichangyouyueduqidetianxianxianquanchansheng，suoyiyueduqideshejiyaotigongzugoudecichangqiangdu。

本係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。為實現預期目標

，可以從兩方麵做出努力：一方麵是盡可能提供較大的電流和能量供芯片正常工作
；另一方麵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。

直接胎壓監控係統設計與分析

本文設計了一種直接式TPMS
，其原理如圖1所示。該係統由兩部分組成
，輪胎模塊和車載接收模塊。其中
，輪胎模塊包括壓力和溫度傳感器、A／D變換器、控製器及射頻發射器等
，如圖2所示。車載接收模塊包括了射頻接收器、控製器以及顯示報警裝置等，如圖3所示。
                                                             
                                                             
該係統的工作原理如下
，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
，獲得的模擬信號經過A／Dbianhuanqizhuanhuanchengshuzixinhao，ranhoutongguoshepinfasheqifasongchuqu。chezaijieshoumokuaizhuangzhizaijiashishinei，shepinjieshouqijieshoulaiziluntaimokuaideyinglihewenduxinxi，dangluntaiyaliguogaohuozheguodishi，tongguoxianshihebaojingzhuangzhifachubaojingxinxi。

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。采用低噪聲四通道放大器，可以方便實現對壓力和溫度兩種信號的放大。控製器采用摩托羅拉的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。

在車載接收模塊
，射頻接收解碼芯片采用摩托羅拉的MC33594芯片，該芯片是和射頻發射芯片MC33493芯片配套的射頻接收芯片，其工作電壓是5 V。控製器采用摩托羅拉的MC9S08AW16，該芯片的內核為S08
，可以與輪胎模塊的單片機MC6S08QG8采用同樣的開發環境，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ya力li傳chuan感gan器qi和he溫wen度du傳chuan感gan器qi是shi輪lun胎tai壓ya力li監jian控kong係xi統tong的de關guan鍵jian部bu件jian
，設she計ji並bing製zhi作zuo了le一yi種zhong新xin型xing傳chuan感gan器qi，它ta包bao含han壓ya阻zu式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi和he溫wen度du傳chuan感gan器qi兩liang部bu分fen。

其中，壓阻式壓力傳感器主要是利用半導體的壓阻效應，把一個惠斯通電橋做在一個矽杯上，如圖4所示。當矽杯受到壓力後發生形變，惠斯通電橋的四個橋臂電阻就會發生變化，打破了電平衡，從而會有一個電信號的輸出。
                                                              
溫度傳感器采用單電阻結構
，在n型矽襯底上製作一個p型電阻。囚為pxingzhurudianzuyouyigezhengdewenduxishu

，dangwendufashengbianhuashi，dianzudezuzhijiuhuifashengxiangyingdebianhua。tongguogeidianzuyidianliuyuangongdian，jiukeyitongguoceliangdianzushangdedianyalaijiancewendudebianhua。

圖5是本文製作的傳感器芯片的電鏡照片。圖5(a)為器件正麵全貌；圖5(b)為薄膜正麵；圖5(c)為薄膜背麵。其中壓敏元件采用比常規更厚的50μm 矽杯薄膜(500 μm×500μm)，zengdaletiguishanggaoyingliqudemianji
，zaijiangdigongyiyaoqiudetongshitigaolexianxingceliangfanweiheguozaiyali。yamindianzushejiweizhexianjiegou，caiyongyouhuadejihechicun，bingjiangqibufenzhizuozaigaoyinglitiguishangyihuodegenggaolingmindu。tiguishangdewenmindianzusuiyamindianzuliyongtongbuzhurugongyizhizuo
，jianxiaolegongyifuzadu。gaiqijiangongyijiandan，chengpinlvgao
，yubiaozhun 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。壓力傳感器的滿量程輸出為150 mV，壓力測量範圍為0～500 kPa，靈敏度為0.3 mV／kPa。溫度傳感器的靈敏度為1.24 mV／℃，非線性為1.6％。壓力溫度集成傳感器完全適用於胎壓監控係統的要求。

在分析了輪胎壓力監摔係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係統解決方案。根據TPMS的要求，設計製作了一種壓力溫度集成傳感器，該器件工藝簡單

，成品率高，與標準IC工藝兼容