基于集成壓力傳感器的無源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

據(jù)美國汽車工程師學(xué)會最近的調(diào)查，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據(jù)公安部統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，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。

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器。通常把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

2 胎壓監(jiān)控的基本原理

目前，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種解決方案，直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。間接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)控胎壓的目的，該類型系統(tǒng)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(cè)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。

直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。

主動式系統(tǒng)是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個輪圈上，通過無線射頻的方式將信號傳送出去，安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號，經(jīng)過一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動式技術(shù)的優(yōu)點是，技術(shù)比較成熟，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點同樣比較突出，其感應(yīng)模塊需要電池供電，因此存在系統(tǒng)使用壽命的問題。

被動式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波來設(shè)計的，這種傳感器通過射頻電場產(chǎn)生一個聲表面波，當這個聲表面波通過壓電襯底材料的表面時，就會產(chǎn)生變化，通過檢測聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標準才有可能實施。

輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)要檢測出輪胎氣壓的異常狀況，只有具有高分辨率才能有高的精度。電池壽命是有限的，且容量也受溫度影響。為提高系統(tǒng)的可靠性，傳感器最好能進行無源檢測。研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可以對車輛懸掛系統(tǒng)進行故障監(jiān)測并校正導(dǎo)航系統(tǒng)。所以，未來的傳感器應(yīng)該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。

3 無源TPMS磁場電磁耦合設(shè)計方案

3.1 原理

電感耦合是一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合。依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，實際上是通過交變磁場在輪胎內(nèi)測量發(fā)射模塊的線圈中感應(yīng)出電壓和電流，給輪胎內(nèi)測量發(fā)射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。

3.2 方案設(shè)計

一般情況下，胎內(nèi)測量模塊由低頻耦合天線(大面積的線圈)、專用微型芯片和高頻發(fā)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(zé)測量壓力和將壓力信息轉(zhuǎn)化為RF信號，高頻發(fā)射天線將RF信號發(fā)射到空間。

閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅(qū)動電路、低頻天線、高頻接收天線。控制器通過低頻天線向空間發(fā)射出供胎內(nèi)測量電路使用的電磁波，發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的輪胎內(nèi)測量模塊低頻耦合天線線圈，通過感應(yīng)，在低頻耦合天線線圈上產(chǎn)生一個電壓Ui，將其整流后作為胎內(nèi)測量接收模塊的電源。變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合，閱讀器的天線線圈與胎內(nèi)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(yīng)答器線圈的匝數(shù)n，被應(yīng)答器線圈包圍的面積A、兩個線圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。胎內(nèi)測量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調(diào)制到RF信號發(fā)射出來，閱讀器的高頻接收天線接收到RF 信號后，接收器將RF信號解調(diào)后將壓力信號傳給控制器，控制器將壓力信號通過人機界面告知車主。

3.3 難點和解決思路

電感耦合系統(tǒng)的效率不高，所以一般適用于低電流電路，作用距離短，一般只有幾十厘米。提供能量有限，所以模塊中的傳感器電路的設(shè)計就很重要。其關(guān)鍵是：① 芯片的設(shè)計要效率高，能在低電流的情況下完成測量和發(fā)射的任務(wù)；②微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應(yīng)。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，所以閱讀器的設(shè)計要提供足夠的磁場強度。

4 直接胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與分析

本文設(shè)計了一種直接式TPMS，其原理如圖1所示。該系統(tǒng)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、控制器及射頻發(fā)射器等，如圖2所示。車載接收模塊包括了射頻接收器、控制器以及顯示報警裝置等，如圖3所示。