TPMS压力传感器信号调节解决方案

介绍

轮胎压力监测系统(TPMS)能够向汽车驾驶员提供实际的轮胎压力信息，在低于指定压力范围时发出预警，并帮助汽车驾驶员轻松便利地保持轮胎压力，以加强行车安全。
根据美国TREAD法案，TPMS应能够根据冷膨胀压力推荐值，准确检测出压力低于20％的车辆轮胎。

间接式TPMS依靠防抱死煞车系统（ABS）来检测车轮旋转速度的变化。因为轮胎直径随轮胎压力降低略有缩小，因此，车轮速度和轮胎压力有关。尽管在现有ABS系统上，增加间接式TPMS只带来较低的额外成本，但却无法满足TREAD法案规定的准确性要求。

另一方面，直接式TPMS虽比间接式TPMS的成本高，但可以满足TREAD法案要求的准确性，即可以检测出压力低于20％的轮胎。
除了轮胎压力监测以外，直接式TPMS还可以测量和显示轮胎空气温度，对快速和慢速的漏气发出预警，警告车胎被扎并提醒保持适当的轮胎压力等。不管车辆是处于行驶当中还是停靠状态，均可随时监测轮胎压力。在发动引擎时向驾驶员提供相关启动信息。还有一点很重要，与监测正在使用的轮胎一样，还可以测量备用轮胎的压力。

TPMS市场前景

2005年全球客车、SUV和轻型卡车产量为6300万辆，预计2010年将增加到7200万辆，增长率为2.5%，与预期TPMS41%的复合平均增长率相比较为平缓。

TPMS具有如此强劲增长率的主要推动因素就是美国TREAT法案的颁布。到2008年，美国的所有小型客车都必须配备TPMS。仅在美国，2008年大约有7000万个车轮（1600万辆车乘以4个车轮）奔驰在路面上。从全球来看，将有约1亿2000万个车轮需配备直接式TPMS。
由于法律要求强制使用轮胎压力监测系统，由此所产生的额外成本，美国汽车消费者并不愿意承担。为此，汽车制造商一方面给大多数汽车配备相当简单的TPMS系统，即只通过仪表板的指示灯来警示轮胎问题。另一方面，他们也在促使整个产业链将成本降下来，以便尽可能降低TPMS带来的额外汽车生产成本。

美国境外的TPMS市场也已形成。在欧洲，TPMS不再是仅面向高端汽车的可选功能，而在日益演变成标准功能。例如，雷诺公司在其大多数车型中都配备了TPMS。在中国，一家大型电子元件经销商透露，大约有200家公司都在开发TPMS解决方案。

在其它应用领域（如防爆轮胎），TPMS也是必需的。防爆轮胎在低压情况下仍能够保持良好的运行状态，因此更需要轮胎压力监测系统向驾驶员警示压力问题，否则驾驶员很难发现。

最初，TREAD法案计划在2003年颁布法律，逐步采用TPMS的过渡期也更短。该法案要求国家公路交通安全管理局（NHTSA）规定，从2005年开始，在美国销售的所有轿车、小型卡车和多功能客车中，轮胎压力监测系统要作为标准配置。由于当时很难满足TPMS生产的材料和元件要求，其游说团成功地将该法案延迟到2005年。

TPMS参与者及产业链

尽管P2SC IC处于TPMS产业价值链的第三层（见图1），但因飞利浦在RKE/PKE（遥控开锁和无源遥控开锁）系统领域的市场领导地位，与第一层（即OEM，原始设备制造商）和汽车制造商拥有良好的客户和合作伙伴关系。

图3 TPMS产业链

P2SC与压力和加速度传感器相结合，由制造商将此组合封装为智能传感器提供给第一层供应商。

常用的封装是非标准小外形（SO）封装，有14或16根引线。由于P2SC作为裸片包含在类似于多芯片模块的封装中，因此从外面看不到。
可以提供安装在汽车防护盖（automotive-proof housing）中压力传感器的MEMS传感器制造商不多，但在稳步增长。

第一层供应商可基于智能传感器构建整个TPMS或部分系统，如轮圈模块（rim module），并向汽车制造商提供产品。

飞利浦TPMS解决方案

系统概述

飞利浦半导体公司基于其压力传感器信号调节芯片（P2SC），提供高度集成、低成本和高可靠性的直接式TPMS解决方案。

直接式TPMS包括一个UHF接收器模块和一些轮圈模块（见图2）。

图 2 直接式轮胎压力监测系统概述

安装在车胎的边缘。TPMS通常包括4个（如果有备用轮胎则是5个）轮圈模块。UHF接收器模块从轮圈模块接收数据，如测量的轮胎压力信息，然后转发该数据进一步处理，并向汽车驾驶员说明结果。

轮圈模块

每个TPMS轮圈模块都包含一个小PCB，智能压力传感器和P2SC芯片以及一些分立元件和基于SAW或PLL的RF振荡器都安装在该PCB上。该PCB采用锂电池供电。所有元件都放在一个硬塑料封装中。可以在封装上附加充气阀，并将其用作UHF天线 。

飞利浦传感器信号调节芯片

P2SC是TPMS的核心，主要管理、协调和控制TPMS轮圈模块的各个元件。尽管客户往往称其为“ASIC”，但实际上并不是。而是具有嵌入式Flash或掩膜ROM存储器的标准调节IC。

P2SC可对压力和加速度传感器绝对输出信号、模块电池电压和芯片温度传感器测量信号执行高精度A/D转换。此外，该芯片还管理计时器溢出、外部和LF唤醒事件、模拟信号放大、射频振荡和温度过热保护，以防设备在超过指定范围的极端温度下运行。

对于压力测量，市场上有两种基本的传感器类型：一种需要恒定电流供电，另一种需要稳定的电源电压。 P2SC设备需要第二种类型的传感器。它基本上是桥式电阻器，在每个引线上都有一个压变电阻器。因此，传感器输出信号是差动电压，是传感器电源电压的1/2。

设备功能由嵌入式系统库（即固件）提供支持，可以从中调用帮助程序例程。这些帮助程序例程包括飞利浦提供的曲线线性化和设备校准的数学算法和其它函数，客户可以根据单个应用程序的需求对其进行修正。所有例程随调试硬件和演示内容及软件和应用程序注释一起提供并演示。
在逐步采用TPMS产品的阶段，因为在产品成熟之前经常需要修正第一层固件，因此，通常使用带Flash的P2SC芯片。在大批量生产时，芯片上的Flash可以用微小的掩膜 ROM替换，以实现更低的生产成本。

掩膜ROM与Flash完全兼容。该设备的可编程性能相对于ASIC的优势在于，固件或客户应用程序代码中的更改较少要求重新确定，而且不需要对硬件进行任何更改。第一代P2SC芯片的典型应用如图3所示。

图 3 第一代P2SC芯片的典型应用

该芯片配备有一个8位RISC控制器、ROM或Flash存储模块（用于安置固件）、ROM模块（用于放置客户应用程序）、EEPROM（用于存储数据，如传感器校准参数和用户定义的数据）、RAM模块、传感器接口（用于连接外部传感器）、ADC（用于将传入的传感器测量信号转化为数字信号）、UHF接口（连接外部UHF发射器）、3维LF接口、电源管理单元以及其它一些必需的元件。

传感器

P2SC芯片中集成了温度传感器。除了芯片上的温度传感器以外，压阻式压力传感器也始终通过芯片的传感器接口连到芯片上。其它外部压阻式传感器也可连到传感器接口。例如，有时连接加速度传感器来检测车辆状态，即汽车是处于停靠状态还是行驶状态。加速度传感器甚至可以用于轮胎定位 。

任何传感器测量信号首先都通过芯片上的低噪声放大器（LNA）进行放大，放大的信号通过ADC转化为数字信号。最后，对数字信号进行补偿，以便去除测量中不需要的关联性。

几乎所有传感器都表现出非线性行为，而且都与外部因素有关。压阻式温度传感器的测量结果与电源电压有关，但是，压阻式压力传感器的测量结果与温度和电源电压都有关系。为了获得精确度可接受的测量结果，必须对温度和压力传感器进行校准。由于压力传感器的制造流程各不相同，不同的压力传感器表现出不同的物理特性。为此，必须单个校准所有轮圈模块封装。校准信息则存储在芯片上的EEPROM中。

UHF发射器

为了将测量的轮胎压力和温度值发送到仪表板，将UHF发射器连接到P2SC芯片。因为第二代P2SC芯片上集成了FraNTIC发射器模块，所以不再需要此项连接。当P2SC芯片处于断电状态时，外部的UHF发射器仍会消耗一些电量，而集成的FraNTIC发射器则完全切断电源，根本不会消耗任何电量。因此，芯片上UHF发射器可降低下一代TPMS的能耗。

FraNTIC发射器模块使用分数N型锁相回路。此模块专为P2SC芯片设计，以实现高度灵活性。借助芯片上FraNTIC发射器，通过软件进行一些简单的硬件配置，客户便可轻松达到各种发送波特率，应用不同的载波信号频率和输出信号功率，不需要对硬件进行任何修改。

由于不需要两个单独的芯片进行传感器信号调节和VHF发送，下一代单芯片解决方案使客户应用P2SC芯片更简单，同时客户的生产成本也可降低。

从2006年第二季度开始，FraNTIC还可作为一个独立设备应用，可以使用演示板评估其功能 。

LF接口

芯片有一个1维到3维LF接口，可以按需测量压力或温度以降低能耗。与其它几个功能一样，是否要实现此功能完全取决于各汽车制造商。作为芯片制造商，飞利浦半导体公司旨在提供高度灵活的芯片产品，并尽可能使客户自由实施系统。

每次更换轮胎时，还可用LF接口手动进行轮胎定位初始化。

UHF接收器模块

UHF接收器模块接收由轮圈模块发送的压力和温度测量值。然后转发该信息进行进一步解释、处理和显示。

TPMS需要的UHF接收器模块，原则上与遥控开锁（RKE）系统的模块完全相同。这使车内的RKE和TPMS可以共用一个VHF接收器，从而降低汽车制造商的生产成本。

车轮定位

在某些中、高端汽车应用中，所有轮胎的温度和压力信息都需要分别向驾驶员显示。为此，必须确定温度和压力信息来自哪个车轮。 即使进行维护保养，将这些轮胎调换之后也应做到这一点。

常见的车轮定位解决方案有两种。

第一种方案使用LF唤醒信号。在每个轮圈模块中都集成一个LF接收器。每个轮圈模块旁边都安装一个LF发射器。每个LF发射器负责唤醒其旁边的轮圈模块。中心控制单元依次唤醒所有4个轮胎，从而准确知道测量值来自哪个轮胎。此解决方案在技术上非常可靠，但因为要安装4个LF发射器，而且要为LF发射器额外布线，生产成本相对较高。

第二种方案使用加速度传感器和测量VHF信号功率来确定轮胎位置。除了在每个轮圈模块中将压力传感器连接到飞利浦P2SC芯片以外，还需要连接加速度传感器。加速度传感器检测汽车是否正在行驶。

下一代P2SC芯片中，可以连接第二个加速度传感器。如果汽车正在行驶，此加速度传感器就可以检测车轮是按顺时针方向还是逆时针方向旋转。顺时针方向旋转的车轮一定位于汽车的左侧，而逆时针方向旋转的车轮一定位于右侧。

在UHF接收器端，可以测量所接收的VHF信号强度。然后可以通过到达VHF接收器的信号强度差异来区分信号来自前轮还是后轮。

当汽车处于停靠状态时，可能存在系统无法区分左轮和右轮的问题。利用唯一的轮胎ID便可轻松解决这个问题。在成功确定所有4个轮胎的位置之后，轮胎ID与其各自的位置有关。当汽车处于停靠状态，系统可以通过所存储的轮胎ID与位置的相关性来确定轮胎位置。

结语

基于多年积累的遥控开锁系统设计、开发技术和经验，飞利浦半导体公司已成功设计出压力传感器信号调节芯片（P2SC），为实现高度集成、低成本和高可靠性的直接式TPMS解决方案奠定了基础。遥控开锁系统和TPMS采用相同的数据传送原理，遥控开锁系统中使用的无线接收器或收发器等元件，都可由汽车制造商重新用于TPMS。这两种系统都需要外部电池供电，而且能耗非常低。

目前，飞利浦半导体公司正在开发第二代P2SC芯片，该芯片的能耗将更低，系统集成也更简单，生产成本更低，而且更加可靠。