TPMS技術及輪胎定位原理的電路設計

TPMS技術及輪胎定位原理

汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）主要用于在汽車行駛時，適時地對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓爆胎進行預警，確保行車安全。

TPMS中的輪胎定位是指系統(tǒng)接受輪胎發(fā)射模塊發(fā)出的信號，并識別、判定出是哪個輪胎的過程。

輪胎重新定位問題的提出

汽車因為前后左右車輪負荷不均、前輪負責轉(zhuǎn)向和前后軸懸掛角度不同等原因，通常各輪胎磨損程度和位置也不同。為了延長輪胎的使用壽命，達到四個輪胎同步均勻磨損的效果，這就需要定期進行輪胎換位。

在輪胎換位的過程中，相應的發(fā)射檢測模塊也會換位。這就導致了原先存儲在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應識別關系信息不再適用于換胎后的輪胎位置，即顯示屏上的輪胎壓力和溫度信息和輪胎的對應關系產(chǎn)生錯誤。

如果調(diào)換新的輪胎或者某一輪胎的發(fā)射檢測模塊損壞，用戶需要更換該模塊時。新模塊的ID碼與損壞的發(fā)射檢測模塊不同。原先存儲在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應身份識別關系信息不再適用于更換模塊后的ID碼，接收顯示模塊會將更換的模塊的信息丟棄，顯示屏上將無法顯示新模塊發(fā)出的壓力和溫度信息。

這樣在輪胎換位或調(diào)換輪胎時就存在一個輪胎重新定位的問題。

現(xiàn)有TPMS采用的輪胎定位技術

目前，解決TPMS輪胎換位和調(diào)換輪胎時的重新定位問題常見的有以下四種方式。

1 定編碼式

定編碼方式中，接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應定位關系信息在出廠時是固化的，在使用中不可更改。這種方式的不足之處是：安裝錯位會導致定位混亂；發(fā)射模塊損壞后，用戶必須向原廠商購買與損壞模塊編碼一致的模塊；輪胎換位時發(fā)射檢測模塊必須按照其標記位置重新安裝一次。

2 界面輸入式

界面輸入式定位技術是將每個發(fā)射模塊的識別ID碼打印在外包裝或產(chǎn)品上，但當輪胎換位或發(fā)射模塊損壞后，就必須將識別ID碼用按鍵輸入到接收端進行重新定位。界面輸入式的識別ID碼長為16或32位，輸入流程復雜，容易出現(xiàn)碼組輸入錯誤問題。此外，這些按鍵在本來就儀表眾多的車上顯得十分突兀。

3 低頻喚醒式

低頻喚醒式定位技術是利用低頻（LF）信號（125kHz）的近場效應。在該方案中，在每個輪胎附近有個LF天線；TPMS可以通過對應輪胎附近的LF天線發(fā)出LF信號，單獨觸發(fā)對應輪胎的發(fā)射檢測模塊，然后由被觸發(fā)的發(fā)射檢測模塊將身份識別碼通過RF發(fā)射出來，接收模塊通過RF信號得到相應ID，從而自動確定輪胎位置。該定位方式的不足之處是：需要4個LF天線安裝在對應的輪胎附近，安裝及布線工作量大；LF信號可能會誤觸發(fā)相鄰的發(fā)射檢測模塊；汽車上電磁環(huán)境復雜，存在各種干擾，會對低頻信號造成干擾，導致身份識別失效。



圖1 外圍編碼存儲器式定位技術原理圖

4 天線接收近發(fā)射場式

該定位技術接收顯示模塊的接收天線有4個，分別延伸到每個輪胎20～30cm的近場內(nèi)，接收天線由數(shù)控微波開關控制。當需接收某個輪胎發(fā)射檢測模塊的信息時，只有靠該輪胎接收天線的微波開關是導通的，其他都處于關閉狀態(tài)，接收顯示器上顯示該輪胎的氣壓和溫度。該定位技術的不足之處是：天線布線復雜，微波開關成本高，目前技術水平下RF開關隔離度不夠，有串碼（即接收到了別的輪胎的信息）的可能；汽車上的電磁干擾可能導致定位失效；射頻開關的導通時序是按一定規(guī)則的，而４個輪胎發(fā)射檢測模塊的發(fā)射是隨機的，故會存在某個輪胎附近的射頻開關導通時，該輪胎的發(fā)射檢測模塊正好沒有發(fā)射信號，導致漏幀。

外置編碼存儲器式輪胎定位技術

外置編碼存儲器輪胎定位技術是一種新型的TPMS輪胎定位技術。如圖1所示，采用外置編碼存儲器的TPMS同樣由發(fā)射檢測模塊和接收顯示模塊組成，其特征在于，在接收顯示模塊接插有插入式編碼存儲器，每個發(fā)射檢測模塊均有一個固定的ID碼，與對應編碼存儲器的ID碼一致。

輪胎換位或者更換時，只需調(diào)換或更換插入式編碼存儲器。外置編碼存儲器式輪胎定位技術通過調(diào)整顯示模塊編碼存儲器中的ID碼與每個發(fā)射檢測模塊中的ID碼的對應關系，將重新識別身份的問題轉(zhuǎn)換成ID碼的換位設置問題，是簡單、有效的解決方案。其插頭插入的操作方式簡單可靠。通過I/O讀入插入式編碼存儲器電路中的編碼，避免了用無線方式讀入ID編碼，從根本上解決了干擾的問題。

外置編碼存儲器的電路設計

圖2是TPMS系統(tǒng)的電路實現(xiàn)框圖，本文主要對外置插入式編碼存儲器電路進行闡述，不涉及發(fā)射機和顯示器本身的電路。外置編碼存儲器電路的設計包括兩部分，一是和主機的連接部分，即連接電路的設計，二是存儲器的設計。



圖2 TPMS系統(tǒng)電路框圖

1 連接電路的設計

連接電路即將編碼存儲器電路和主控制器電路連接在一起的接口。由于是在汽車上應用，要考慮接口的可靠性，有如下的幾種設計。

（1）插頭和插座



圖3 移位存儲電路



圖4 二極管存儲矩陣

通過插頭和插座的連接接口電路，這種設計的好處是可以使用市場上通用的插座；缺點是尺寸比較大。

（2）卡座

在PCB上做出鍍金接頭，即金手指。將PCB通過金手指直接插在插座上，通過金手指和插座連接。這種設計簡單，成本低，但是對于振動的抵抗力差，可靠性較低。

（3）SIM卡或IC形式

將存儲電路做在SIM卡中，通過SIM卡或IC卡接口讀出存儲器中的編碼；接口也做在SIM卡中，采用SIM卡通用的接口設計。優(yōu)點是可靠性高、體積小，缺點是成本也高。

在方案實施的過程中，在連接器電路上選擇了一種帶卡扣鎖緊的插頭以保證了可靠性。

2 編碼存儲器的設計

存儲器的形式很多，可分為移位存儲器和矩陣存儲器兩種。目前可以采用分離元件做，也可以采用市面上的成熟電路來制作。汽車電子應用的電路對電磁兼容的要求很高，以下列舉幾個具體電路。

（1）移位存儲器

如圖3所示，寫入數(shù)據(jù)時，每次時鐘信號到來，將D1數(shù)據(jù)移入寄存器，同時所有數(shù)據(jù)右移一位。讀出數(shù)據(jù)時，每次時鐘信號到來，所有數(shù)據(jù)左移一位，讀出D1端口上的值，優(yōu)點是占用I/O端口少，缺點是讀取速度較慢，而且需要時鐘的同步，實際上是串行口。

（2）矩陣存儲器

可以用開關、二極管、MOS管、三極管或PLA實現(xiàn)，優(yōu)點是讀取速度快，缺點是占用I/O口多，實際上是并行口。

● 二極管存儲矩陣

如圖4所示，二極管存儲矩陣實際上是一個二極管編碼器，當PTB0～PTB3上的某一根線上是低電平，其余的線是高電平時；可以讀出PTB0～PTB3上的值；PTB0～PTB3上有上拉電阻，接點上連接有二極管的為邏輯“0”；沒接的為邏輯“1”。當PTB0～PTB3上的4根線依次為低電平時，PTB0～PTB3就可以讀出4個4位編碼，一起構成一個16位的編碼。

● MOS管和三極管存儲矩陣



圖5 管存儲矩陣

如圖5所示，MOS管和三極管存儲矩陣原理上和二極管存儲矩陣是一致的，只是將二極管換成了MOS管和三極管。

在存儲器電路的選擇上，為了避免在汽車的電磁環(huán)境下對時鐘的影響，放棄了移位存儲器，而選擇了矩陣存儲器，雖然占用的I/O口的數(shù)目較多，但是可靠性高而且讀取的速度快。選用的方案有兩種，一是耐高低溫的并行口數(shù)據(jù)存儲芯片，二是采用二極管的矩陣存儲器電路，優(yōu)點是電路簡單可靠且成本低。

外置編碼存儲器輪胎定位技術的實現(xiàn)

每一個發(fā)射檢測模塊對應一個插入式外置編碼存儲器（ID編碼插頭），編碼插頭中的編碼電路存儲的ID碼和對應的發(fā)射檢測模塊中固化在存儲器中的ID碼相同。

顯示模塊上每個輪胎數(shù)據(jù)顯示區(qū)域旁有ID識別碼編碼插座，當有插入式編碼存儲器插入ID識別碼編碼插座時，接收機通過定位ID碼插座讀出插入式編碼存儲器中的ID碼，并將該ID碼和對應輪胎數(shù)據(jù)顯示區(qū)域建立對應定位關系。

在每次開機時，接收顯示模塊讀取插在各插座上的插入式外置編碼存儲器（ID編碼插頭）中的ID碼，然后重新設置存儲在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應定位關系信息，并保存起來。發(fā)射模塊發(fā)射來的對應信息后，接收模塊讀取其中的ID碼后，根據(jù)在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應定位關系信息來判斷是哪一個輪胎發(fā)出的信號，并將壓力和溫度信息顯示在對應區(qū)域。

用戶在使用時，如需輪胎換位，將對應的插入式編碼存儲器換位便可。當下一次開機后，接收顯示模塊重新設置存儲在其MCU中的ID碼與輪胎對應定位關系信息，保證將信息顯示在正確的位置。

若用戶發(fā)現(xiàn)某一發(fā)射機損壞，只需到市場上購買一只發(fā)射檢測模塊套件（插入式外置編碼存儲器作為附件）。因為發(fā)射機中隨附一只插入式外置編碼存儲器，只需將損壞的發(fā)射模塊的插入式外置編碼存儲器拔下，重新插上隨機新的插入式編碼存儲器即可。當下一次開機后，接收顯示模塊重新設置存儲在其MCU中的ID碼與輪胎對應定位關系信息，保證將新發(fā)射檢測模塊發(fā)出的信號顯示在正確的位置。