胎压监测系统的要求及最新技术进展

图2. FXTH87 TPMS中的压力传感和加速度单元加速度单元 都采用能实现小尺寸和低功耗的表面微机械加工技术

图3显示了封装级TPMS解决方案的基本方面。

图3. TPMS解决方案的基本方面包括感应、处理、数据传输和电源管理技术

TPMS的功耗为434 MHz @ 5 dBm (dBmW)时7 mA，@ 5dBm时最大7 mA，Stop模式时只有900 nA。多种停止模式使程序员有多种选择，可以实现性能与功耗的最佳平衡。

0.25微米的MCU集成了低频（LF ）和射频（RF ）通信技术。在TPMS中接收短距离通信的低频信号时，LFR的功耗极低。

FXTH87 TPMS的内置315/434 MHz射频发射器包含带晶体振荡电路、压控振荡器（VCO）的射频模块（RFM），fractal-n锁相环（PLL）和用于天线的射频输出放大器（PA）。它还包含一个小型状态机控制器，随机时间发生器和用于自动输出或由MCU直接控制的硬件数据缓冲区。

图4所示的整个系统框图确定了其他系统方面，包括模数转换（ADC），传感器接口，射频放大和各种定时器和存储模块。

图4. FXTH87框图显示了TPMS的各种系统级模块

低功耗表面微机械电容式压力传感器的压力单元提供精确的压力测量，量程最大可到1500 kPa（最高217 psi）。FXTH87 TPMS现在可使用的压力量程为100–450 kPa（最高65 psi）和100-900 kPa（最高130 psi），涵盖从小型乘用车到高性能车和大型运动多功能车（SUV）的要求。

电容式压力传感器每次读取只需要0.14μA的电流（3 V，30 KHz）和0.9 nAs的最低电荷。如表2所示，FXTH87与加速度传感器选项结合，提供相当大的TPMS设计灵活性。

表2. 可订购的TPMS部件，含加速度传感器轴和压力量程

如图5所示，24引脚的1孔7×7 QFN（四方扁平无引线）封装常用于FXTH87 TPMS产品。这种系统级封装解决方案可减少电路板尺寸、灌胶材料和重量。

图5. 标准TPMS封装包括7×7 mm QFN规格

TPMS的持续进步/变化

活跃的行业研究和其他技术进步以及新法规有望改变未来TPMS系统的功能要求。显示有关车辆健康的更多信息，特别是涉及到轮胎时，将要求汽车制造商更频繁地获取和传输数据。能量收集利用、双轴加速度传感器、无气轮胎和法规修改，如扩展频率范围正在被讨论中。

一级系统制造商已经推出了将TPMS与其他车辆系统集成的产品。车辆稳定控制系统能够利用TPMS提供的额外信息。

稳定控制需要传感器融合，从而将TPMS数据与其他车辆传感器的数据结合。飞思卡尔的传感器融合功能能以适当的格式提供原始数据，供其他车辆系统使用。

能量收集技术从轮胎的振动中提取电能，可以不需要更换向每条轮胎的TPMS节点供电的电池，或显著延长电池的使用寿命。能量收集可以支持其他TPMS的进步。

今天，TPMS数据以非常缓慢，长时间间隔进行传输，只用来确定胎压是否降低。将胎压数据集成到稳定控制中需要的数据量更大、传输更频繁，会大大降低现有设计的电池寿命。借助能量收集，将实现更高的数据速率，而无需频繁更换电池。飞思卡尔正在探索TPMS中新兴能量收集技术的实现。

双轴加速度传感器和三轴加速度传感器通常用于消费电子品中进行运动检测。然而，今天大多数胎压监测系统使用单个加速度单元。采用双轴加速度传感器，TPMS制造商可以识别轮胎位置，这一过程称为定位。有些TPMS制造商可能需要三轴功能。

例如，中国的TPMS法规可能要求熄火时轮胎可以被跟踪，以确定轮胎因为调换或某个问题从一个位置换到另一个位置时是否发生了变化。现今，进行特定的轮胎定位时，车辆需要处于驾驶状态，使系统可以调查每个轮胎的数据，然后确定每个轮胎的位置。

双轴加速度传感器的使用几乎可满足了所有定位方案，而单轴加速度传感器则受其应用的限制。

无气轮胎可能会极大地干扰TPMS的安装。轮胎制造商正在努力开发无气轮胎，在接下来的五到十年中，这些轮胎可能开始出现在生产车辆中。然而，在无气轮胎普及前，汽车制造商仍将不得不依靠TPMS技术来保持充气轮胎的正常气压。无气轮胎也需要轮胎监测系统，需要检测施加给轮胎的压力和负荷。

法规正在修改，如现在有人提议在工业、科学和医疗（ISM）中使用比拥挤的434 MHz更高的频率。中国大陆或台湾有可能更改为835-875 MHz。新频率建立时，飞思卡尔会有使用新的频段的发射器。

飞思卡尔一直与汽车市场的领导者合作，共同开发TPMS应用，不断探索更充分地利用系统级封装技术，使TPMS供应商能够有效控制成本，缩短设计时间。

驾驶更安全、更高效

胎压监测系统已证明有助提高汽车的安全性，提高的燃油经济性，从而减少二氧化碳排放量。这些系统还可以减少轮胎磨损，使轮胎寿命更长，稳定的驾驶品质，由于好处众多，政府无需法规为购车者提供价值。然而，法规的存在，并且在全球各地不断增加。法规的出台带来了额外的发展动力，提供了可预见的市场的增长，并促进TPMS供应商之间的激烈竞争。

2003年，飞思卡尔率先开创了最初的TPMS系统级单芯片方案。Xtrinsic FXTH87近来取得了最新成果，使TPMS设计进入了新的阶段。压力范围、加速度传感器轴、封装和其他可选项，使FXTH87 TPMS是个易于设计的方案，甚至可满足当前世界各地最复杂的TPMS要求。

汽车市场是飞思卡尔的一个关键业务领域，TPMS专长已经不仅限于与客户进行系统级专家讨论，而是能够将所有相关技术集成到单一封装中。这不仅充分利用了在多个领域的芯片领域的经验优势，以及我们在其它几个领域（包括传感器融合）的研发和探索获得的软件方面的经验优势。最终结论是，高度集成的Xtrinsic系统解决方案在胎压监测系统中充分得到了验证。

参考资料
1. Frost & Sullivan forecasts rapid growth in tire pressure monitoring systems market; $386.6M by 2018
2. IHS iSuppli/IHS, “Automotive MEMS Market Tracker”
3. Strategy Analytics: TPMS Market Update: Indirect Systems Meet TREAD Act Requirements (2008)(end)