TPMS傳感�是指采用輪胎壓力�(jiān)測系�(tǒng)�TPMS=tire pressure monitoring system)實(shí)�(xiàn)了對輪胎壓力的實(shí)時監(jiān)控的一種傳感器。傳感器中包括感�(yīng)氣壓�電橋式電子氣壓感�(yīng)裝置,它將氣壓信號轉(zhuǎn)換為電信號,通過無線�(fā)射裝置將信號�(fā)射出�,以確保行車安全�
TPMS是汽車輪胎壓力實(shí)時監(jiān)視系�(tǒng)“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫,主要用于在汽車行駛時實(shí)時的對輪胎氣壓�(jìn)行自動監(jiān)測,對輪胎漏氣和低氣壓�(jìn)行報(bào)�,以保障行車安全,是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系�(tǒng)�
TPMS系統(tǒng)主要有二個部分組成:安裝在汽車輪胎上的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊和安裝在汽車駕駛臺上的中央�(jiān)視器(LCD/LED顯示�)。直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度模�,將測量得到的信號調(diào)制后通過高頻無線電波(RF)�(fā)射出去。一輛轎車或面包車TPMS系統(tǒng)�4個或5�(包括備用�)TPMS�(jiān)測模�,一輛卡車有8~36個TPMS�(jiān)測模�。中央監(jiān)視器接收TPMS�(jiān)測模塊發(fā)射的信號,將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)�(jù)顯示在屏幕上,供駕駛者參�。如果輪胎的壓力或溫度出�(xiàn)異常,中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況,發(fā)出報(bào)警信�,提醒駕駛者采取必要的措施�
TPMS傳感器是一個集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理器的SoC模塊。為了強(qiáng)化胎壓檢測功能,有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感�、電壓檢�、內(nèi)部時�、看門�,和�12 bit ADC�4KB Flash�2KB ROM�128 B RAM�128 B EEPROM及其它功能的ASIC�(shù)字信號處理單�。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能�(shí)時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化,而且還能�(shí)�(xiàn)汽車移動即時開機(jī)、自動喚醒、省電等功能。電源管理器確保了系�(tǒng)的低功�,通常一節(jié)鋰電池可以使�3~5��
TPMS的壓力傳感器都是用基于MEMS技�(shù)來設(shè)�(jì)、生�(chǎn)的,主要有硅集成電容式壓力傳感器(如Freescale的MPXY8020、MPXY8040)和硅壓阻式壓力傳感器(如GE NovaSensor的NPX1、NPXC01746,Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30)。硅壓阻式壓力傳感器也是一個SoC模塊,一般采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力/電變換測量電�,其�(nèi)部典型架�(gòu)包括整合了采用硅顯微�(jī)械加工的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度�(jì)、電池電壓檢�、內(nèi)部時鐘和一個包含ADC、取�/保持、SPI�、校�(zhǔn)、數(shù)�(jù)管理以及ID碼的�(shù)字信號處理單�,模塊可以利用客戶專用軟件�(jìn)行配�,其測量精度能達(dá)0.01~0.03%FS。此�,為了便于TPMS接收器的識別,每個壓力傳感器都具�6~8位獨(dú)特的ID��
TPMS 的輪胎壓力監(jiān)測模塊由五個部分組成:
�1)具有壓�、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC 芯片組合的智能傳感器SoC�
�2�4-8 位單片機(jī)(MCU��
�3)RF 射頻�(fā)射芯��
�4)鋰亞電��
�5)天��
見圖1,圖2 是成品的�(shí)物圖。外殼選用高�(qiáng)度ABS 塑料。所有器�、材料都要滿�- 40℃到+125℃的汽車級使用溫度范��
�1 TPMS�(fā)射器由五個部分組�
�2 TPMS的輪胎壓力監(jiān)測模塊成品的�(shí)物圖
智能傳感器是整合了硅顯微�(jī)械加工(MEMS)技�(shù)制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和一個包含溫度傳感器、電池電壓檢�、內(nèi)部時鐘和模數(shù)�(zhuǎn)換器(ADC�、取�/保持(S/H�、SPI �、傳感器�(shù)�(jù)校準(zhǔn)、數(shù)�(jù)管理、ID碼等功能的數(shù)字信號處理ASIC 芯片。具有掩膜可編程性,即可以利用客戶專用軟件�(jìn)行配�。它是由MEMS 傳感器和ASIC 電路幾塊芯片,用集成電路工藝做在一個封裝里的(�3)。在封裝的上方留有一個壓�/溫度�(dǎo)入孔(圖4�,將壓力直接�(dǎo)入在壓力傳感器的�(yīng)力薄膜上(圖 5�,同時這個孔還將�(huán)境溫度直接導(dǎo)入半�(dǎo)體溫度傳感器��
MEMS 硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力硅薄膜�(nèi)�,采用MEMS 技�(shù)直接將四個高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面�(yīng)力處,組成惠斯頓測量電橋,作為力電變換測量電路的,將壓力這個物理量直接變換成電�,其測量精度能�(dá)0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器�(jié)�(gòu)如圖5 所�,上下二層是玻璃�,中間是硅片,其�(yīng)力硅薄膜上部有一真空�,使之成為一個典型的絕壓壓力傳感��
為了便于TPMS 接收器的識別,每個壓力傳感器都具�32 位獨(dú)特的ID�,它可產(chǎn)�4 億個不重復(fù)的號��
�3 壓力、加速度與ASIC/MCU組合封裝在一個包裝內(nèi)
�4 壓力/溫度�(dǎo)入孔
�5 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)�(gòu)
�6 加速度傳感器平面結(jié)�(gòu)�
�7 加速度傳感器切面結(jié)�(gòu)� 同樣,加速度傳感器也是用MEMS 技�(shù)制作�,圖6 是MEMS 加速度傳感器平面結(jié)�(gòu)圖,�7 是加速度傳感器切面結(jié)�(gòu)�,圖中間是一塊用MEMS技�(shù)制作�、可隨運(yùn)動力而上下可自由擺動的硅島質(zhì)量塊,在其與周邊固置硅連接的硅梁上刻制有一�(yīng)變片,與另外三個刻制在固置硅上的應(yīng)變片組成一個惠斯頓測量電橋,只要質(zhì)量塊隨加速度力擺�,惠斯頓測量電橋的平衡即被破�,惠斯頓測量電橋就輸出一個與力大小成線性的變化電壓△V�
壓力傳感�、加速度傳感�、ASIC/MCU 是三個分別獨(dú)立的裸芯片,它們通過芯片的集成廠商整合在一個封裝的單元�,如�8 美國GE 公司NPX2,圖9 是去掉封裝材料后能清晰地看到這三個裸芯片,三個芯片之間的�(lián)接、匹配也都做在其中了�
�8 美國GE 公司
�9 是去掉封裝材料后
加速度傳感器可使發(fā)射模塊具有自動喚醒功能,SP12/30 和NPX2 系列的智能傳感器都包含了加速度傳感�,加速度傳感器利用其�(zhì)量塊對運(yùn)動的敏感�,實(shí)�(xiàn)汽車移動即時開機(jī),�(jìn)入系�(tǒng)自檢、自動喚�,汽車高速行駛時按運(yùn)動速度
自動智能確定檢測時間周期,用軟件�(shè)定安全期、敏感期和危�(xiǎn)�,以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能�、節(jié)省電能等功能??梢岳眉铀俣葌鞲衅?MCU+軟件�(shè)�(jì)完成喚醒的功能設(shè)�,不再需要用其它芯片,以免增加成��
� 10 SP30 整合使用PHILPS �
� 11 NPX2 整合使用PHILPS �
智能傳感器模塊還整合了ASIC/MCU,NPX2 和SP30 都是使用PHILPS 的P2SC 的傳感器信號�(diào)理的ASIC 芯片(圖10、圖11�,在NPX2 的電原理圖中能清晰地看到這個單�,它包括一個作�(yùn)算處理控制的8 位RISC 單片�(jī)、用于安置系�(tǒng)固化程序�4K EROM或FLASH、用于存放客戶應(yīng)用程序的4K ROM、用于存儲傳感器校準(zhǔn)參數(shù)和用戶自定義�(shù)�(jù)�128Byte EEPROM、RAM、定時調(diào)制器、中斷控制器、RC 振蕩�,以及將來自傳感器信號�(jìn)行放大的低噪音放大器LNA、繼而將傳感器信號轉(zhuǎn)化為�(shù)字信號的ADC、與外界�(lián)系的I/O 口、電源管理和看門�、斷�(xù)定時��1-3 維的LF 接口�
�12 TPMS傳感器模塊技�(shù)�(fā)展趨�
TPMS 傳感器模塊技�(shù)�(fā)展趨勢是將發(fā)射模塊向高度集成�、單一化、無線無源化方向�(fā)展(�12�。隨著TPMS �(chǎn)品市場對IC 高整合度和高可靠性的要求,目前已�(jīng)有了如Infineon SP12/SP30、GE NPX 那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU 合二為一的智能傳感器模塊,在未來幾年�(nèi)還會開發(fā)出包含RF�(fā)射芯片三合一的模塊,包含利用�(yùn)動的�(jī)械能自供電的四合一的模�,屆時胎壓力�(jiān)測發(fā)�(shè)器只有一個模塊和一個天線組�,客戶的二次�(shè)�(jì)變得十分簡便�
TPMS傳感器的安裝步驟如下所示:
1、用星形螺絲刀拆下TPMS�(fā)射器上的固定螺釘,將傳感器與專用氣嘴分離;并從專用氣嘴拆下專用氣嘴螺�,待安裝�
2、將輪胎拆下并將外胎分離出輪�,拆下輪轂上原來的氣��
3、將專用氣嘴安裝在輪轂上,上緊專用氣嘴螺�,保證氣嘴與輪轂接觸緊密�
4、用固定螺釘將傳感器安裝在已裝好的專用氣嘴上,要求傳感器位置與輪轂弧面基本平行、傳感器固定可靠�
5、將輪胎安裝到輪轂上,對輪胎充氣和充氣檢查后擰上氣嘴蓋帽,做輪胎動平衡調(diào)��
6、以同樣方法安裝其他輪胎上傳感器,安裝過程應(yīng)小心、不要損壞傳感器�
TPMS有機(jī)電式和電子式兩種形式之分。電子式TPMS成本�,技�(shù)含量高,服務(wù)對象主要�6輪和7輪汽�;機(jī)電式TPMS成本低,技�(shù)含量�,制造簡單,服務(wù)對象主要是載貨汽�、客�,車輪數(shù)目不��
因使用環(huán)境較�,要求TPMS傳感器導(dǎo)通性能良好、工作穩(wěn)�,尤其是�(nèi)部彈簧在使用�(huán)境溫度為80℃時,不能出�(xiàn)疲勞失效等現(xiàn)�。TPMS傳感器的性能參數(shù)見下圖�