摩托車TPMS系統(tǒng)簡介

TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，即輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于對輪胎氣壓和溫度進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣、胎溫過高、胎壓過低或過高報警。更為先進的TPMS還可自動充氣，確保摩托車始終處于標準氣壓下安全行駛，是保障騎乘者生命安全的主動安全系統(tǒng)。本文就TPMS的重要作用、組成及關(guān)鍵技術(shù)做一簡單介紹，供廣大讀者參考。

1 TPMS的重要作用

車輪既要承受車輛和騎乘者的質(zhì)量引起的高速交變壓縮變形；又要承受路面不平產(chǎn)生的沖擊負荷與高頻振動；轉(zhuǎn)向時輪胎的周向和側(cè)向還要承受扭曲變形。反復變形，必然產(chǎn)生大量的熱。由4~6層橡膠簾布層壓制而成的現(xiàn)代摩托車輪胎都是熱的不良導體，胎體內(nèi)部熱量難以散發(fā)，胎體內(nèi)部溫度短時間內(nèi)急劇上升，氣壓迅速升高，簾線應力急劇增大，如受到障礙物的猛烈沖擊，輪胎必然斷層爆破，導致爆胎的原因大致有3方面：

a)氣壓不足，使輪胎徑向變形增大，接地面積增加，簾線伸張變形大，胎體溫度迅速升高，不僅導致滾動阻力迅速加大費油，而且易于導致胎肩異常磨損，使輪胎側(cè)壁彎曲折斷發(fā)生爆裂。如果充氣時，因氣門嘴有磨損或者存有灰塵導致輪胎慢速泄漏，使輪胎氣壓慢慢降低，也容易引發(fā)爆胎。

b)胎壓過高，使輪胎失去彈性，減振性能差，大幅度降低騎乘舒適性；而且只有胎面中間部分與路面接觸，抓地力隨之減小，極易導致胎冠異常磨損而爆裂。而且，還可使輪胎潛伏的缺陷在天氣炎熱的夏天或長時間行駛時暴露出來，發(fā)生爆裂，這樣的情形較為多見。

c)輪胎自然漏氣。據(jù)報導，正常情況下，摩托車輪胎平均每月自然流失8kPa左右，雖然不算很多，但對大多數(shù)沒有檢查輪胎氣壓習慣的騎乘者而言，3個月后便損失了24kPa之多，相當于絕大多數(shù)摩托車輪胎規(guī)定氣壓的10%左右，可見充氣輪胎氣壓的慢速漏氣，潛伏極大的爆胎危險。

TPMS可以實時監(jiān)測輪胎壓力和溫度等指標，對輪胎漏氣、胎溫過高、氣壓過低或過高報警，以便騎乘者及時采取有效防范措施，將各種爆胎事故消滅在潛伏期，確保摩托車在行駛過程中始終處于安全狀態(tài)。此外，TPMS還可延長輪胎的使用壽命和節(jié)省燃料。實驗表明，車輪氣壓比正常值下降10%，將導致胎肩異常磨損，輪胎使用壽命縮短15%，油耗增加3%以上；如果輪胎氣壓低于標準氣壓值30%，導致胎肩急劇磨損，輪胎使用壽命將大幅度縮短50%，油耗將大幅度上升10%。反之，如果輪胎氣壓過高，不僅抓地力下降，而且將導致胎冠異常磨損，輪胎壽命將減少，油耗也會隨之上升。油耗上升不僅增加使用費用，而且增大廢氣排放量，對環(huán)境的污染加大。

2 TPMS的組成及工作原理

目前，摩托車用TPMS主要分為：主動直接式（Active TPMS）和被動直接式（Passive TPMS）2種類型。主要區(qū)別是主動式TPMS中的輪胎發(fā)射模塊需要電池提供能量，而被動式無需電池。

2．1 主動直接式TPMS的組成

主動直接式TPMS主要由安裝在輪胎內(nèi)的壓力傳感器、溫度傳感器、信號處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，以及安裝在儀表盤附近的RF接收器、數(shù)字信號處理單元、液晶顯示器（LCD）組成的TPMS接收模塊2大部分組成。

2．1．1 TPMS發(fā)射模塊

其主要由4部分組成：具有壓力、溫度、加速度電壓檢測和后處理芯片組合的智能傳感器；由4-8位單片機組成的數(shù)字式微處理器；高性能、長壽命的鋰電池；發(fā)射天線。

整個發(fā)射模塊通過封裝處理后固定在高強度ABS塑料外殼內(nèi)，不僅防水、防潮、防振；而且體積?。ㄍ庑纬叽鐬椋?3mm×29mm×25mm）、質(zhì)量小(40g)，使用溫度范圍廣（滿足-40℃~125℃的汽車級使用溫度范圍），工作濕度100%，發(fā)射頻率為433.92MHz，電池使用壽命為7年。封裝好的發(fā)射模塊通過外殼可以非常方便地安裝至無內(nèi)胎輪胎的輪輞上，從外表上看整個車輪與普通輪胎完全一樣，所不同的是裝有發(fā)射模塊的車輪必須重新做平衡試驗（包括動平衡和靜平衡），以確保摩托車的行駛平順性。除此之外，這種發(fā)射模塊目前還暫時無法安裝到普通型有內(nèi)胎輪胎中。

a)智能傳感器

智能傳感器是一個集成了半導體壓力傳感器、半導體溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理器的片上系統(tǒng)模塊。輪胎壓力與溫度密切相關(guān)，據(jù)專家試驗分析：輪胎溫度每升高1℃，磨損增加2%，一般情況下，溫度不能超過80℃，當溫度達95℃，輪胎情況就非常危險，這就是智能傳感器通常都把溫度傳感器也包含進來的道理。為了強化輪胎氣壓檢測功能，智能傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內(nèi)部時鐘、看門狗及其它功能的ASIC數(shù)字信號處理單元。這些功能芯片使得TPMS智能傳感器不僅能實時檢測摩托車行駛中的輪胎壓力和溫度的變化，而且還能實現(xiàn)摩托車一旦行駛，便立即啟動、自動喚醒、節(jié)省電能等功能。

例如，K-PRESSURE中的發(fā)射模塊智能傳感器是一個片上系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部架構(gòu)包括整合了硅顯微機械加工的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘，以及一個包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），取樣/保持（S/H）、SPI口、校準、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號處理單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進行配置。整個發(fā)射模塊智能傳感器采用集成電路工藝將壓力傳感器、加速度傳感器和數(shù)字微處理器3個分別獨立的裸芯片做在一個封裝里。在封裝的上方留有一個壓力/溫度導入孔，將輪胎的壓力直接輸入壓力傳感器的應力薄膜上，周邊固定的圓形應力薄膜由半導體應變片組成高精密惠斯頓測量電橋，其測量精度能達0.01%~0.03%FS。與此同時，壓力/溫度導入孔，還將輪胎的溫度直接導入半導體溫度傳感器上，以達到同時檢測輪胎壓力和溫度參數(shù)的變化情況。

b)壓力/溫度信號的處理與發(fā)射

壓力/溫度信號經(jīng)智能傳感器模塊內(nèi)的電路處理，通過其SPI口傳輸給安裝在發(fā)射模塊內(nèi)的信號處理單元，綜合成數(shù)據(jù)流，進入同一封裝內(nèi)的RF發(fā)射器。數(shù)據(jù)流經(jīng)放大器調(diào)制在指定頻率，交由天線發(fā)射。天線采用印制在印刷電路板上的環(huán)狀天線，RF發(fā)射頻率北美標準為315MHz，歐洲標準為433.92MHz，韓國為448MHz，意大利倍耐力的發(fā)射頻率為433.92MHz。發(fā)射功率要求在9.5mA時能輸出7~10dBm。