車(chē)輛低成本TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配

史會(huì)英，陳建強(qiáng)

（1. 長(zhǎng)城汽車(chē)銷(xiāo)售有限公司信息技術(shù)中心，河北 保定 071000；2. 長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司天津分公司，天津 300460）

0 引 言

汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一種能對(duì)汽車(chē)輪胎氣壓、溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)輪胎異常情況進(jìn)行報(bào)警的預(yù)警系統(tǒng)。目前，隨著人們對(duì)車(chē)輛行駛安全重視程度的不斷提高，國(guó)內(nèi)部分自主品牌的車(chē)型開(kāi)始將TPMS作為車(chē)輛選裝或標(biāo)準(zhǔn)配置。由于直接式TPMS設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足相關(guān)法規(guī)要求，且該方案集成度更高，體積和功耗更小，使用壽命更長(zhǎng)，逐漸成為 TPMS發(fā)射模塊設(shè)計(jì)的主流。文中以Infineon SP37芯片作為胎壓傳感器和射頻發(fā)射器，借用車(chē)輛原有的車(chē)身控制器（BCM）和組合儀表LCD顯示屏，并充分利用車(chē)輛的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種低成本胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，從整車(chē)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，全面闡述了硬件組成、系統(tǒng)匹配、下線(xiàn)匹配流程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。

1 TPMS的系統(tǒng)組成

TPMS主要由胎壓傳感器、BCM、組合儀表3個(gè)零部件組成，系統(tǒng)組成如圖 1所示。為提高傳感器發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，將氣門(mén)嘴作為胎壓傳感器的天線(xiàn)部分，氣門(mén)嘴與胎壓傳感器外殼組裝在一起形成一個(gè)完整的傳感器，負(fù)責(zé)輪胎氣壓、溫度、電池電壓等信號(hào)的采集、處理和發(fā)射。BCM接收到胎壓傳感器發(fā)射的信號(hào)后，進(jìn)行放大、整形、解碼和邏輯判斷，并將胎壓及報(bào)警信息通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)至組合儀表，組合儀表通過(guò)LCD顯示屏進(jìn)行胎壓顯示，并通過(guò)故障報(bào)警燈和蜂鳴器進(jìn)行異常報(bào)警。

胎壓傳感器以Infineon SP37芯片為核心，與SP30芯片相比，最大特點(diǎn)是集成了RF發(fā)射器，省略了常用的發(fā)射芯片 TDK5110F，使傳感器內(nèi)部PCB板體積縮小，并減少了外圍元器件，SP37硬件框架如圖2所示，原理如圖3所示。用頻譜分析儀對(duì)傳感器發(fā)射功率進(jìn)行測(cè)試，單個(gè)傳感器的發(fā)射功率約為-3.8～-4.2 dBm，安裝在車(chē)輪上測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)約為-15.92～-17.85 dBm。

SP37芯片具有以下特點(diǎn)：

1）在軟件的控制下完成壓力、向心加速度、溫度和電池電壓的測(cè)量，微處理器完成數(shù)據(jù)的編碼和RF傳輸（硬件曼切斯特解碼/雙向編碼RF發(fā)射）；

2）通過(guò)智能喚醒機(jī)制實(shí)現(xiàn)低功耗控制，通過(guò)定時(shí)器控制信號(hào)測(cè)量和發(fā)送的時(shí)間，通過(guò)軟件或外部LF觸發(fā)實(shí)現(xiàn)電路的周期性喚醒，并開(kāi)始接收外部信號(hào)；

3）內(nèi)部控制器指令兼容8051微處理器標(biāo)準(zhǔn)，集成的各種外圍系統(tǒng)可以滿(mǎn)足用戶(hù)的特殊需要。低功耗發(fā)射器可以實(shí)現(xiàn)315 MHz和434 MHz的全積分鎖相環(huán)合成器，包括ASK和FSK調(diào)制器和高效放大器。可通過(guò)調(diào)節(jié)芯片上的印刷電容或外部電容獲得精確的中心頻率；

4）EPPROM 可以存貯程序代碼、傳感器 ID及傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；

5）抗靜電能力強(qiáng)。按照人體ESD模型，SP37的抗靜電能力與TDK5110F相比由2500 V提高至5000 V，傳感器總成氣門(mén)嘴（天線(xiàn)）處的接觸和空氣放電可達(dá)±25 kV，（參照ISO10605-2001，按照人體模型和機(jī)械模型分別進(jìn)行接觸放電和空氣放電，接觸放電和空氣放電等級(jí)為±25kV，每個(gè)樣品放電次數(shù)為正負(fù)各 5次，放電部位氣門(mén)嘴 1/2處，試驗(yàn)樣品數(shù)量＞30個(gè)，所有樣品均進(jìn)行接觸，正負(fù)放電次數(shù)各 5次，試驗(yàn)結(jié)束后樣品功能能夠達(dá)到狀態(tài)A[1]）。如果采用SP30+TDK5110F方案，必須采用內(nèi)置天線(xiàn)，否則 TDK5110F存在被靜電損壞的問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)方案遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)調(diào)制中心頻率為433.92 MHz，調(diào)制方式為ASK，數(shù)據(jù)波特率為4.2 kbps ±42 bps。為降低成本，由BCM的RF接收電路同時(shí)完成 TPMS和中央門(mén)鎖遙控器（RKE）信號(hào)的接收。由于BCM安裝在駕駛室內(nèi)，考慮到金屬車(chē)身的屏蔽效應(yīng)，高靈敏度是選擇射頻接收芯片時(shí)的重要因素。而與 FSK(頻移鍵控)制式的接收芯片相比，ASK制式的接收芯片具有更高的靈敏度，成本也較低，因此選擇 MAXIM公司的超外差芯片 MAX7036來(lái)完成胎壓傳感器射頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)的可靠接收，原理如圖 4所示。為提高RF接收電路的靈敏度，在MAX7036前端增加一級(jí)放大電路，原理如圖 5所示。在完成天線(xiàn)布置后，實(shí)車(chē)測(cè)試 BCM RF的接收靈敏度可達(dá)-105dBm。

控制放大電路和芯片 MAX7036工作電源的信號(hào)RF_ON由BCM MCU進(jìn)行控制，以達(dá)到休眠模式時(shí)降低整車(chē)靜態(tài)電流的目的。BCM MCU控制RF_ON為高電平時(shí)，前級(jí)放大電路和 MAX7036開(kāi)始工作，前級(jí)放大電路將接收到的TPMS信號(hào)（RF_IN）輸送給MAX7036, MAX7036將信號(hào)混頻、檢波、低通濾波、放大整形后，通過(guò)Dataout輸送給BCM MCU進(jìn)行解碼。當(dāng)BCM進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，會(huì)周期性地開(kāi)啟RF_ON信號(hào)，一旦檢測(cè)到胎壓信號(hào)，會(huì)將其作為喚醒源，MCU會(huì)立即延長(zhǎng)RF_ON信號(hào)的時(shí)間，直至本次解碼完全結(jié)束為止，如果解碼成功，BCM喚醒并更新胎壓數(shù)據(jù)。

2 TPMS工作原理及系統(tǒng)匹配

胎壓傳感器的工作模式分為休眠、停車(chē)和運(yùn)行3種狀體，傳感器出廠(chǎng)時(shí)為休眠狀態(tài)，此時(shí)傳感器外部氣壓不發(fā)生較大的變化，傳感器僅周期性進(jìn)行壓力、向心加速度及LF喚醒的檢測(cè)。停車(chē)模式與休眠模式的主要區(qū)別在于周期性發(fā)送RF信號(hào)，為了盡量延長(zhǎng)電池的使用壽命，一般定義停車(chē)模式下RF發(fā)送周期為1h。在停車(chē)模式下，一旦檢測(cè)到輪胎的氣壓變化量超過(guò)設(shè)定的閾值，傳感器會(huì)立即發(fā)出一次 RF信號(hào)，BCM 接收后立即更新輪胎參數(shù)，這樣車(chē)主一旦啟動(dòng)車(chē)輛，BCM立即將最新胎壓數(shù)據(jù)通過(guò)CAN線(xiàn)發(fā)送給儀表進(jìn)行顯示。運(yùn)行模式主要用于車(chē)輛行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)胎壓預(yù)警功能，此時(shí)傳感器的壓力檢測(cè)和RF發(fā)送的頻率要足夠高，一般定義運(yùn)行模式下RF發(fā)送周期為1～2 min。其模式切換流程如圖6所示。

由于傳感器有3種工作模式，BCM內(nèi)部集成的TPMS軟件模塊需要有停車(chē)和運(yùn)行兩種工作模式與之對(duì)應(yīng)，為了保證兩者模式切換的準(zhǔn)確性，BCM停車(chē)和運(yùn)行模式的切換與傳感器有一定的區(qū)別。該方案采用的輪胎型號(hào)為235/65R17，查詢(xún)GB/T 2978—200865系列轎車(chē)子午線(xiàn)輪胎參數(shù)，輪胎的靜負(fù)荷半徑和滾動(dòng)半徑約為335 mm和358 mm，計(jì)算車(chē)速時(shí)采用兩者較小的數(shù)值。傳感器向心加速度為 8 g時(shí)開(kāi)始進(jìn)行停車(chē)、運(yùn)行狀態(tài)的切換，考慮傳感器測(cè)量精度具有±20%的偏差，則對(duì)應(yīng)的車(chē)速為：

因?yàn)閭鞲衅鞯碾x心加速度檢測(cè)周期T2為20 s，檢測(cè)窗口開(kāi)啟的時(shí)間為5 ms，所以BCM檢測(cè)到車(chē)速信號(hào)≥25 km/h且持續(xù)時(shí)間＞20s時(shí)，BCM才會(huì)進(jìn)入到運(yùn)行模式。相反，當(dāng)車(chē)速＜25 km/h時(shí)，BCM立即退出運(yùn)行模式，但傳感器需要延遲一段時(shí)間才能從運(yùn)行模式切換至停車(chē)模式，這樣可以確保BCM工作在停車(chē)、運(yùn)行兩種不同的模式下，根據(jù)不同的條件判斷傳感器是否存在異常，BCM故障診斷流程如圖7、圖8所示。

胎壓傳感器和 BCM 之間的通訊協(xié)議是通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)幀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，傳感器向BCM發(fā)送的數(shù)據(jù)幀采用固定的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度進(jìn)行，具體的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示[2]。BCM接收到傳感器的信息后，先進(jìn)行解碼，識(shí)別傳感器的ID，如確定為已匹配的傳感器ID，則立即將解析出的胎壓、輪胎狀態(tài)等信息填入應(yīng)用幀，通過(guò)CAN通訊發(fā)至組合儀表，如表2所示。如BCM此時(shí)為休眠狀態(tài)，則將接收到的傳感器信息存儲(chǔ)在EPPROM中，一旦點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打開(kāi)，立即發(fā)送給儀表進(jìn)行顯示。

表1 胎壓信號(hào)數(shù)據(jù)幀格式

表2 BCM發(fā)送給儀表的數(shù)據(jù)幀格式

一般情況下，傳感器發(fā)出1次信號(hào)稱(chēng)為1包數(shù)據(jù)，1包含3幀相同的數(shù)據(jù)，不同模式切換每次發(fā)出3包數(shù)據(jù)，高壓報(bào)警、快速漏氣時(shí)每次發(fā)送5包數(shù)據(jù)，以確保報(bào)警的可靠性。實(shí)際試車(chē)場(chǎng)進(jìn)行高速路試時(shí)，胎壓傳感器處于運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出的數(shù)據(jù)為1包/2 min。車(chē)速在35～170 km/h時(shí)，測(cè)試BCM四輪胎壓信號(hào)的接收率均在99%以上，完全滿(mǎn)足使用要求。

3 胎壓傳感器匹配流程的設(shè)計(jì)

由于車(chē)輛在并線(xiàn)生產(chǎn)或不合格車(chē)輛返工時(shí)，傳感器出現(xiàn)交叉學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，為解決以上問(wèn)題，低頻觸發(fā)指令MLF1、MLF2用于區(qū)分并線(xiàn)生產(chǎn)時(shí)不同生產(chǎn)線(xiàn)上的下線(xiàn)設(shè)備，設(shè)備在激活傳感器時(shí)發(fā)出的觸發(fā)指令不同，只接收觸發(fā)類(lèi)型相同的傳感器發(fā)出的信號(hào)，并解析傳感器的ID，按照車(chē)輪的裝配位置寫(xiě)入到BCM 的EPPROM中。這種方法同樣用在下線(xiàn)返修及售后診斷設(shè)備上，當(dāng)下線(xiàn)匹配設(shè)備通過(guò)OBD診斷插座與車(chē)輛連接后，掃描車(chē)輛底盤(pán)號(hào)條形碼后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到EOL匹配模式，EOL流程如圖9所示。

為降低成本，該系統(tǒng)沒(méi)有安裝低頻觸發(fā)器裝置，所以當(dāng)車(chē)輛更換傳感器或輪胎換位時(shí)，需要對(duì)傳感器重新進(jìn)行匹配（4S店學(xué)習(xí)模式），否則BCM無(wú)法識(shí)別傳感器的信號(hào)，或不能識(shí)別傳感器的安裝位置。在進(jìn)行4S店學(xué)習(xí)模式時(shí)，首先用診斷儀向BCM發(fā)出學(xué)習(xí)某個(gè)車(chē)輪傳感器的指令，隨后用低頻觸發(fā)器對(duì)傳感器進(jìn)行低頻（125 kHz）觸發(fā)，傳感器根據(jù)觸發(fā)信號(hào)的指令，發(fā)出固定幀數(shù)的信號(hào)。BCM將接收到的觸發(fā)模式為MLF3的胎壓信號(hào)進(jìn)行解碼，并將其ID寫(xiě)入到EPPROM中，完成操作后自動(dòng)退出4S店學(xué)習(xí)模式，具體匹配流程與EOL過(guò)程基本相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以Infineon SP37芯片為核心的直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全面闡述了胎壓系統(tǒng)的硬件組成、電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)匹配及下線(xiàn)匹配流程的設(shè)計(jì)，依靠車(chē)輛原有的電氣系統(tǒng)，用較低的成本實(shí)現(xiàn)了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

[1] GB/T 26149—2010，基于胎壓監(jiān)測(cè)模塊的汽車(chē)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

[2]冷毅，趙根寶，李青俠，等. 基于無(wú)線(xiàn)傳感器和 CAN總線(xiàn)的自動(dòng)識(shí)別的轎車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2007，(6)：65-66。