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直接胎压监测系统设计的5大挑战
美国新颁布的公路安全法规,使胎压监测系统成为汽车行业发展最为迅猛的领域,其中直接胎压监测系统将成为主导技术。本文将重点放在直接胎压监测系统上,讨论了中国汽车电子工程师们面临的设计挑战,主要包括组件选择、功耗管理、介质兼容性、系统成本以及RF设计。
美国新颁布的公路安全法规,使胎压监测系统(TPMS)一跃而成汽车行业发展最为迅猛的领域。2005年4月,美国国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)发布的最终规定要求,总重在4563公斤或以下的车辆(单轴双轮的车辆除外)都需要安装一套TPMS。到2007年9月1日,所有生产商生产的轻型车辆都必须符合该标准要求。美国每年大约生产1700万辆车,这为TPMS创造了一个飞速增长的市场。据估计,到2008年,TPMS在全球车市的渗透率将超过30%。
图1:TPMS的轮胎模块组件框图。
值得注意的是,这个法规在技术上对直接和间接系统的态度保持中立。但市场研究机构Strategy Analytics的预测表明,直接系统技术将成为主流技术,2008年后所占份额将超过95%。直接TPMS在每个轮胎内都设有胎压传感器,这些传感器通过射频(RF)信号将压力和其他信息传送到中央接收器里。而间接TPMS没有压力传感器,需要依靠ABS系统内的速度传感器来侦测和比较轮胎转速的不同。直接TPMS成本虽然更高,但是该系统有显著的性能优势,例如具有更高灵敏度,并能够实现零速度测量和多轮胎亏气情况探测。
本文把重点放在直接TPMS上,并将讨论工程师们面临的设计挑战,主要包括组件选择、功耗管理、介质兼容性、系统成本以及RF设计。
组件选择
TPMS的轮胎模块包含的组件有MEMS压力传感器、温度传感器、电压传感器、加速计、微控器、RF电路、天线、LF接口、振荡器和电池。汽车制造商要求直接TPMS的电池能维持十年以上。电池的运行温度必须为-40°C到125°C,重量轻、体积小并且电量要大。由于这些限制,电池往往选择的是钮扣式电池而不是大号电池。新型纽扣电池能达到标准的550mAh电力,。
除电池外,要达到十年以上的操作寿命,组件必须在低功耗的同时具有集成功能。英飞凌的SP30就是这类集成产品,它将压力传感器、温度传感器、电压传感器、加速计、LF接口、微控器和振荡器集成为一个部件。完整的轮胎模块系统仅有三大组件——SP30、RF发射器芯片(如英飞凌的TDK510xF)和电池。
功耗管理
当模块上市后,更换电池是不现实的。由于这一限制,功耗管理对设计工程师来说就显得尤为重要了。减少功耗有4种方法。其中之一,就是上述的选择低功耗组件并使用具有集成功能的组件来减少组件数量。
第二个方法就是利用软件。高效算法可调节发射和测量频率。在软件设计的时候,高效算法可能要考虑这些问题:数据发射和测量的频率是多少?发送重复数据是否必要?系统显示模式是什么?RF发射的功耗最大,延长发射间隔、减少计算次数和重复数据发送自然会延长电池的寿命。但是,我们必须在所有这些因素以及数据可靠性和用户及时获取信息之间实现平衡。
第三个降低功耗的方法是利用拥有内置加速计(如SP30)的传感器来侦测车轮的运转。当车辆处于停车状态时,TPMS可以停止运行以节省电量。多数情况下,车辆处于停车状态时间比真正行驶时间要长得多。因