中心議題：
- 汽車輪胎壓力監視系統將是預防爆胎的理想工具
- 介紹胎壓監控的基本原理，給出無源TPMS磁場電磁耦合設計方案
- 設計一種新型的輪胎壓力監控系統解決方案
解決方案：
- 采用直接傳感系統更有效
- 傳感器進行無源檢測，提高系統的可靠性
- 控制器采用摩托羅拉的MC6S08QG8芯片
引言
2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質量問題，造成了超過100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車業和美國政府的高度重視，普利斯通/凡世通公司被迫收回650萬只輪胎。據美國汽車工程師學會最近的調查，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據公安部統計，在中國高速公路上發生的交通事故有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。
據國家橡膠輪胎質量監督中心分析，保持標準的車胎氣壓和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵，而汽車輪胎壓力監視系統將是預防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個漸變的過程，即使由于異物刺破輪胎而導致的輪胎泄氣也有一個持續過程，因此通過實時監測輪胎壓力，并在輪胎壓力出現異常后的第一時間報警，能夠為駕駛員正確處理突發情況爭取寶貴時間，從而保證行車的安全。為此，美國運輸部和美國國家高速公路安全管理局制定了相關政策，規定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監視系統。
胎壓監控的基本原理
目前，輪胎壓力監測系統主要有兩種解決方案，直接系統和間接系統。直接式輪胎壓力監測系統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控，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。間接式輪胎壓力監測系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監控胎壓的目的，該類型系統的主要缺點是：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。很明顯，直接傳感系統更有效。
直接式輪胎壓力監控系統又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。
主動式系統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，經過一定的信號處理，顯示出當前的輪胎壓力。主動式技術的優點是，技術比較成熟，開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點同樣比較突出，其感應模塊需要電池供電，因此存在系統使用壽命的問題。
被動式輪胎壓力監控系統的傳感器是采用聲表面波(SAW)來設計的，這種傳感器通過射頻電場產生一個聲表面波，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。雖然此技術不用電池供電，但是它需要將轉發器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標準才有可能實施。
輪胎氣壓實時監測與報警系統目前還沒有統一的標準，各公司都在努力開發具有競爭力的產品，以期在未來的競爭中立于不敗之地。具有分辨率高、無源、體積小三個特征的胎壓監控系統將是未來的發展趨勢。
輪胎氣壓監測系統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。為提高系統的可靠性，傳感器最好能進行無源檢測。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關，還與溫度、車輪轉速及載質量等有關，未來的壓力傳感器在測量輪胎氣壓的同時，還應能測量輪胎內溫度和載質量。許多研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可對車輛懸掛系統進行故障監測并校正導航系統。因此，未來的傳感器應該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。
無源TPMS磁場電磁耦合設計方案
a.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耦合。依據的是電磁感應定律，實際上是通過交變磁場在輪胎內測量發射模塊的線圈中感應出電壓和電流，給輪胎內測量發射模塊提供能量。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。
b.方案設計
該系統至少包含輪胎內測量模塊和閱讀器兩部分。
一般情況下，胎內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，專用芯片負責測量壓力和將壓力信息轉化為RF信號，高頻發射天線將RF信號發射到空間。
閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅動電路、低頻天線、高頻接收天線。控制器通過低頻天線向空間發射出供胎內測量電路使用的電磁波，發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測量模塊低頻耦合天線線圈，通過感應，在低頻耦合天線線圈上產生一個電壓Ui，將其整流后作為胎內測量接收模塊的電源。將一個電容與閱讀器的天線線圈并聯，電容器電容的選擇依據是：它與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發射頻率相符的并聯振蕩回路。該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產生非常大的電流，這種方法也可用于產生供遠距離應答器工作所需要的場強。胎內測量模塊的低頻耦合天線線圈和電容器構成振蕩回路，調諧到閱讀器的發射頻率。通過該回路的諧振，應答器線圈上的電壓達到最大值。這兩個線圈上的結構也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，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、應答器線圈的匝數n，被應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。胎內測量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調制到RF信號發射出來，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。
c.難點和解決思路
電感耦合系統的效率不高，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計就很重要。其關鍵是：①芯片的設計要效率高，能在低電流的情況下完成測量和發射的任務;②微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產生，所以閱讀器的設計要提供足夠的磁場強度。
本系統要求作用距離大約30～40 cm，能提供大約20 mA的大電流，因此設計上具有挑戰性。為實現預期目標，可以從兩方面做出努力：一方面是盡可能提供較大的電流和能量供芯片正常工作;另一方面則應該對測量芯片采用低功耗設計，盡量降低胎內測量模塊正常工作所需的電流。
直接胎壓監控系統設計與分析
本文設計了一種直接式TPMS，其原理如圖1所示。該系統由兩部分組成，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。
該系統的基本工作原理如下，把輪胎模塊裝置在輪胎內，壓力和溫度傳感器檢測輪胎內部當前的應力和溫度信息，獲得的模擬信號經過A/D變換器轉換成數字信號，然后通過射頻發射器發送出去。車載接收模塊裝置在駕駛室內，射頻接收器接收來自輪胎模塊的應力和溫度信息，當輪胎壓力過高或者過低時，通過顯示和報警裝置發出報警信息。
在輪胎模塊，設計了一種新型的壓力溫度集成傳感器作為輪胎壓力監控傳感器。該傳感器集成了壓力和溫度兩種傳感器，具有體積小、成本低、測量精度高等特點。采用低噪聲四通道放大器，可以方便實現對壓力和溫度兩種信號的放大。控制器采用摩托羅拉的MC6S08QG8芯片，該單片機的工作電壓為3 V，與傳感器的工作電壓一致。射頻發射芯片采用摩托羅拉的MC33493芯片，該芯片具有3 V供電以及功耗低等特點。
在車載接收模塊，射頻接收解碼芯片采用摩托羅拉的MC33594芯片，該芯片是和射頻發射芯片MC33493芯片配套的射頻接收芯片，其工作電壓是5 V。控制器采用摩托羅拉的MC9S08AW16單片機，該芯片的內核為S08，可以與輪胎模塊的單片機MC6S08QG8采用同樣的開發環境，另外該芯片為5 V供電，與射頻接收芯片以及LCD顯示芯片電平兼容。
新型的胎壓監控傳感器分析
壓力傳感器和溫度傳感器是輪胎壓力監控系統的關鍵部件，設計并制作了一種新型傳感器，它包含壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器兩部分。
其中，壓阻式壓力傳感器主要是利用半導體的壓阻效應，把一個惠斯通電橋做在一個硅杯上，如圖4所示。當硅杯受到壓力后發生形變，惠斯通電橋的四個橋臂電阻就會發生變化，打破了電橋的電平衡，從而會有一個電信號的輸出。
溫度傳感器采用單電阻結構，在n型硅襯底上制作一個p型電阻。囚為p型注入電阻有一個正的溫度系數，當溫度發生變化時，電阻的阻值就會發生相應的變化。通過給電阻以電流源供電，就可以通過測量電阻上的電壓來檢測溫度的變化。
圖5是本文制作的傳感器芯片的電鏡照片。圖5(a)為器件正面全貌;圖5(b)為薄膜正面;圖5(c)為薄膜背面。其中壓敏元件采用比常規更厚的50μm硅杯薄膜(500 μm×500μm)，增大了體硅上高應力區的面積，在降低工藝要求的同時提高了線性測量范圍和過載壓力。壓敏電阻設計為折線結構，采用優化的幾何尺寸，并將其部分制作在高應力體硅上以獲得更高靈敏度。體硅上的溫敏電阻隨壓敏電阻利用同步注入工藝制作，減小了工藝復雜度。該器件工藝簡單，成品率高，與標準IC工藝兼容。
初步的測試結果表明集成傳感器具有良好的性能。壓力傳感器的滿量程輸出為150 mV，壓力測量范圍為0～500 kPa，靈敏度為0.3 mV/kPa。溫度傳感器的靈敏度為1.24 mV/℃，非線性為1.6%。壓力溫度集成傳感器完全適用于胎壓監控系統的要求。
結 論
在分析了輪胎壓力監摔系統的原理及各種不同解決方案的基礎上，設計了一種新型的輪胎壓力監控系統解決方案。根據TPMS的要求，設計制作了一種壓力溫度集成傳感器，該器件工藝簡單，成品率高，與標準IC工藝兼容。
