汽车轮胎压力监测系统(TPMS) ----通用电气公司智能传感器解决方案

1. TPMS系统概述

TPMS - Tire Pressure Monitoring System，汽车轮胎压力监视系统，主要用于汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。


美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而75%的轮胎故障是由轮胎气压不足或渗漏造成的。爆胎造成的经济损失巨大。有鉴于此，在2000年美国国会通过了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。
回应TREAD法案，美国公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时间表：
· 2005 Sep: 50%美国市场出售的轻型汽车

· 2006 Sep: 90%美国市场出售的轻型汽车

· 2007 Sep: 100%美国市场出售的轻型汽车

注: 以上轻型汽车指重量低于10000磅的轿车, 卡车, 客车等, 但不包括同轴端有2个轮胎的汽车。
目前, 美国每年的汽车销量约为1500万辆（轿车/卡车），全球每年约5000万辆。平均每辆车需要4.2个轮胎（不包括备用胎）。
目前，TPMS主要分为两种类型：一种是间接式TPMS，它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的，其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里／小时的情况进行判断。另一种是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。
NHTSA对这两种TPMS系统进行了评估。共有4个基于车轮转速测量系统和6个基于压力传感测量系统参与了评估。结论是：直接方式提供了更为精确的轮胎压力监视。
目前, 中国政府有关部门也正在考虑相关的法案, 以保障汽车行驶安全。
2. TPMS系统构成

一般TPMS系统由以下几个部分组成：

· RTPM模块－远程轮胎压力监视模块（Remote Tire Pressure Monitoring）
RTPM模块直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度，并将测量得到的信号通过高频无线电波（RF）发射出去。一个TPMS系统有4个或5个（包括备用胎）RTPM模块。
· 中央监视器

中央监视器接收RTPM模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出不同的报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。

3. RTPM模块构成

一个RTPM模块由以下几个部分组成：

· 压力传感器 － 测量轮胎内部压力

· 微处理器 － 管理所有外围设备，进行压力、温度、加速度和电池电压的测量、补偿、校准等工作，以及RF发射控制和电源管理
· 温度传感器 － 测量轮胎内部温度

· 加速度传感器或开关 － 车辆移动检测，触发模块唤醒信号

· RF射频发射电路 － 将检测的进行压力、温度、加速度和电池电压用RF射频信号发射出去

· 电池/电能收集器 － 提供所有电路需要的电能

· LF（低频）天线 － 接收中央监视器发来的LF唤醒信号，并可实现与中央监视器的双向通讯功能



4. GE TPMS解决方案 － NPX系列传感器

从1995年开始，GE NovaSensor就开始为TPMS系统提供压力传感器。至今已有远超过1000万片的压力传感器在汽车轮胎里使用，总失效率仅为百万分之一（1ppm）。在TPMS系统压力传感器领域，GE NovaSensor处于全球领导地位，是世界上最大的TPMS系统压力传感器供应商。
拥有近10年在TPMS领域的成功经验，以及与全球大客户密切的合作，GE不断针对该系统推出新的产品，以满足市场上对灵活、客户定制性能/解决方案和降低总体成本的需要，同时也代表了全球TPMS传感器市场的发展方向。
从2004年初开始，GE的第二代智能型TPMS压力传感器NPX I开始批量供货。NPX I集成了硅压力传感器、电压传感器, 温度传感器, 8位RISC微处理器，大容量存储器以及一个LF输入级, 所有的测量信号都以数字信号输出，便于客户直接调用。同时NPX中固化了压力、温度和电池电压的测量、补偿和校准程序，以及其它如曼彻斯特编码的子程序，可供客户直接调用，大大简化了客户的编程代码，并能得到最好的测量接果。GE可以提供一个可编程版本的传感器, 使用户可以下载应用程序代码到一个可电擦写的EROM中, 客户的大批量生产版本的传感器亦可使用掩膜ROM工艺生产，以进一步降低成本。
2004年下半年开始，NPX II的样品可以向客户提供, 并于2004年底开始批量供货。与NPX I相比，NPX II除了具有NPX的所有功能外，还集成了一个加速度传感器。此加速度传感器同样采用GE先进的并且久经验证的MEMS工艺加工而成，比加速度开关具有更高的可靠性和稳定性(GE独有的多晶硅稳定性专利, 可承受5000g的加速度)，并输出连续的加速度值，供客户灵活选择触发阈值。
2006年，GE将推出NPX III。NPX III具有NPX II的所有功能，同时将RF发射电路也集成在同一个芯片上。随后，GE又将推出具有革命性意义的无需电池的TPMS传感器NPX IV。NPX IV内部集成了一个由GE美国研发中心研发的集电装置(GE专利, 完全区别于目前的无电源概念)，为RTPM模块中所有其它的元件源源不断地提供电能。这将简化RTPM模块的电路设计，软件设计，提高TPMS系统的测量频次，并且将RTPM模块的重量降至最低，最终达到降低系统成本的要求。同时，由于摒弃了电池，必将能满足世界各国对电子设备越来越严厉的环保要求。



5. NPX传感器特性

下图显示了NPX的内部功能框图及典型应用电路。可以看出，只需配备简单的外围电路，就可以组成一个完整的RTPM模块。NPX的主要功能特性如下：
· 久经验证的压力传感器

· 8位RISC（精简指令）微处理器

· 12 位ADC

· 4k字节闪存(E-ROM)

· 4k ROM系统程序

· 128 字节RAM

· 128 字节EEPROM

· LF（低频）接口电路

· LF、定时、加速度传感器、外部（运动开关）4种唤醒方式

· 运行、空闲、停机、热保护停机4种工作状态

· 压力、温度和电池电压的测量、补偿和校准

· 兼容轮胎压力介质

· 450, 700, 和1400kPa绝压压力范围，另可以定制量程范围

· 传感器断线检测

· 芯片内置温度传感器

· 电池电压测量

· 电池管理 - 最小化功耗

· 芯片内置高温停机功能

· 看门狗/时间间隔定时器



6. NPX传感器的独特优势

NPX体现了传统压力传感器与微处理器数字电路的完美结合，具有适合TPMS应用的独特优势。

压力的测量、补偿和校准

NPX中固化了压力传感器的的测量、补偿和校准程序。每一个NPX芯片在生产时，由工厂在不同温度点（25℃和75℃）、不同压力点（满量程的0%、50%、100%）和不同电池电压点（2.3V、3.1V）采集12组数据，经过GE NovaSensor专用的校准公式计算，将补偿和校准参数保存在NPX的EEPROM中。在测量时，由固化的压力补偿校准程序自动地对测量的数据进行计算，获得一个准确的测量值。在生产过程中，每一个NPX还将在25℃和125℃下进行验证测试，以保证可靠性。
对温度和电池电压的测量，也进行类似校准和验证过程，以保证每一个测量数据精确可靠。
对于TPMS开发者，只需一个调用指令，即可获得准确的测量数据。一方面，开发者可省去用于建造压力、温度验证设备的昂贵投资，以及用于RTPM模块的校验时间。另一方面，调用包括NPX中固化的如曼彻斯特编码的等其它子程序，可以大大简化RTPM模块的编程，加快TPMS系统的开发，最终为开发者降低成本，以及在大批量生产时提高单位时间的产量。
传感器断线检测

TPMS系统的压力传感器模块是在极端条件的环境下工作的，如高温（100℃以上）、低温（－40℃）、水汽（低温冷凝水结冰，GE NPX传感器具有独特的抗冷凝水结冰功能）、旋转加速度（可达2000g）、振动冲击等情况。GE NPX在每次压力测量后，都会采用一段内置代码对传感器的健康状态进行检测，以保证测量结果的可信度。这样就可以在传感器发生故障时，即时地发出警告信号，最大限度地保证驾驶者的安全。
目前， NTHTSA提案中对TPMS为数不多的的技术标准亦要求TPMS系统具有自动检测功能，并能自动报警， 以确保TPMS能正常工作。而GE早在设计之初就已充分考虑到TPMS系统的安全性和可靠性。
LF唤醒方式

除了具有卓越的性能以外，NPX还给予了客户最大的设计灵活性。例如RTPM模块的唤醒方式，用户可以选择定时唤醒方式、LF唤醒方式、加速度传感器唤醒方式或者外部唤醒方式（如加速度开关），或者以上4种唤醒方式的组合，以满足不同TPMS应用的具体需求。
与市场上其它产品相比，GE NPX传感器具有一个独特的唤醒方式：LF（低频）唤醒方式。通过LF唤醒方式，TPMS系统可以通过LF触发信号，在任何需要的时候主动唤醒RTPM模块发送数据。例如在刚刚发动汽车时，用户即可获得各个轮胎的压力温度数据（甚至包括备用胎的数据），而不必等到汽车开到几十公里时速后才能获得。在不需要的时候，可以让RTPM模块一直处于停机状态，从而最大限度地降低RTPM模块的电量消耗，延长电池的使用寿命。
F方式同样可向RTPM模块传送数据，对RTPM模块进行参数设定，从而实现外部中央监视器与RTPM模块的双向数据通讯。
LF方式还可以实现其它唤醒方式所不具有的功能：自动轮胎定位功能。一般TPMS系统在安装时，需要将标有轮胎位置信息的RTPM模块安装在相应的轮胎里，如”FL”须安装在左前轮里，“FR”安装在右前轮里。不能装错，否则系统显示的轮胎压力与实际位置不符。在进行轮胎的位置置换保养后，需要对TPMS系统的参数重新进行设置，以使系统能够正确反应更改后的轮胎位置。由于LF信号（125kHz）的近场效应，TPMS系统可以通过单独触发各个RTPM模块，收集每个RTPM模块的身份识别码，从而自动确定轮胎位置。
同样TPMS系统通过单独触发各个RTPM模块，可以依次收集各个轮胎的数据，避免定时随机方式可能发生的数据发送“撞车”事件，提高了数据发送成功率。如果由于各种干扰因素，某次数据发送失败，中央监视器可以让RTPM模块再次发送一次，确保数据100％的可靠传输。

7. 综述

做为世界上TPMS传感器领域的领导者， GE具有以下几大特有的优势：
· 10年的TPMS传感器制造经验， 其产品本身及其后续产品就代表了未来TPMS的发展方向。

· 10年的TPMS业内应用， 约1PPM的产品失效率体现了优异的质量及可靠性。

· 众多的世界级的TPMS大客户如： Schrader， Smartire， TRW， Lear等

· 由于众多的大客户带来的大批量生产及供货能力

· 由于大批量生产及采购带来的低廉的成本

· 完整的产品系列(450Kpa， 700Kpa， 1400Kpa 及客户定制量程)， 充分的后续产品设计及规划(从NPX1到NPX4)

GE的TPMS传感器自2004年年初正式进入中国市场以来， GE的NPX1及NPX2以其优良的性能, 完善的功能, 低廉的价格及优异的供货能力，受到了业内广泛的关注，特别是一些有较多经验的TPMS制造商的青睐。