一種Ⅰ類胎壓解決方案

江小朕，王淑青

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

由爆胎引起的車禍在惡性交通事故中所占的比例高達(dá)70%，智能胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （TPMS）可以在行駛過(guò)程中對(duì)輪胎的溫度和氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)漏氣、低壓以及高溫進(jìn)行報(bào)警，可以提前預(yù)警輪胎狀態(tài)，從而大幅度提高車輛的行駛安全。美國(guó)在2007年9月起，已經(jīng)要求所有使用車型都必須配置有TMPS，歐洲ECE也有相關(guān)要求。從實(shí)施GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》可見(jiàn)，國(guó)家已經(jīng)把TPMS作為安全預(yù)警系統(tǒng)，符合人們對(duì)車輛行駛安全方面的需求。

1 胎壓類型的介紹

目前市場(chǎng)上使用有間接式和直接式兩種監(jiān)測(cè)類型的TPMS。

1.1 間接式TPMS

間接式TPMS通過(guò)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的質(zhì)量會(huì)使輪胎直徑變小。這種變化即可用于觸發(fā)警報(bào)。該類型的胎壓屬于事后被動(dòng)型，無(wú)法滿足GB 26149-2017中的試驗(yàn)要求，后續(xù)將被淘汰。

1.2 直接式TPMS

直接式TPMS利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，使用無(wú)線發(fā)射器將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到接收器模塊上，然后對(duì)各輪胎氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。當(dāng)監(jiān)測(cè)到輪胎氣壓太低或漏氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。該類型的胎壓屬于事前主動(dòng)防御型，能夠滿足GB 26149-2017中的試驗(yàn)要求。

故，以下將重點(diǎn)討論直接式TPMS。

2 Ⅰ類胎壓和Ⅱ類胎壓

根據(jù)GB 26149-2017中的描述，TPMS可以分為Ⅰ類和Ⅱ類。其中對(duì)Ⅰ類胎壓的要求嚴(yán)格于Ⅱ類。主要對(duì)比差異如表1所示。

表1 Ⅰ類胎壓和Ⅱ類胎壓內(nèi)容解讀

結(jié)論：在對(duì)比表1后看到Ⅰ類胎壓可以更快地提前預(yù)警，在車輛上電時(shí)即可報(bào)警提示。明顯優(yōu)于Ⅱ類胎壓的需要在車輛行駛后才能報(bào)警的狀態(tài)。

3 Ⅰ類胎壓的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 主動(dòng)激活式

目前主要實(shí)現(xiàn)方式為主動(dòng)激活式。通過(guò)額外的激活設(shè)備，在每次上電時(shí)，對(duì)安裝在四輪內(nèi)部的傳感器進(jìn)行主動(dòng)激活，傳感器感知到被激活后開(kāi)始檢測(cè)輪胎內(nèi)部壓力和溫度，檢測(cè)完成后將數(shù)據(jù)通過(guò)規(guī)定的無(wú)線發(fā)射協(xié)議發(fā)射，接收模塊收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行更新和報(bào)警。

該方案通過(guò)額外的激活裝置激活，一般每個(gè)輪胎附近都會(huì)安裝一個(gè)，用于保證激活的成功率，見(jiàn)圖1。故成本較高，不利于市場(chǎng)推廣。

圖1 主動(dòng)激活示意圖

3.2 被動(dòng)接收式

本文主要介紹的是被動(dòng)接收式的Ⅰ類胎壓監(jiān)測(cè)方案。

被動(dòng)式需要接收端模塊一直處于被動(dòng)接收狀態(tài) （即車輛OFF后也需要接收胎壓傳感器數(shù)據(jù)）。

目前大部分車輛都配置有遙控功能，其內(nèi)部芯片通常使用的頻率為433.92 MHz，與常見(jiàn)的胎壓傳感器頻率相同。如果同時(shí)安裝有單獨(dú)的胎壓接收模塊和遙控接收器，則在車輛OFF后在收到相似的信號(hào)時(shí)會(huì)同時(shí)工作，導(dǎo)致靜態(tài)電流較大，容易超標(biāo)。故建議遙控接收與胎壓接收共用，減少額外功耗，降低硬件成本。

遙控信號(hào)需要進(jìn)行加密處理，而胎壓不需要，相對(duì)邏輯簡(jiǎn)單。目前使用較多的胎壓傳感器芯片是英飛凌的SP370。

SP370集成了壓力傳感器、Z向加速度傳感器、溫度傳感器、RF發(fā)射器、LF接收器、微處理器，有利于傳感器對(duì)于體積和質(zhì)量的控制。

其中RF發(fā)射器兼容ASK和FSK兩種調(diào)制模式，頻率為315 MHz／434 MHz，數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)到20 Kbit／s。國(guó)內(nèi)一般使用的為433.92 MHz，ASK／FSK調(diào)制，9.6 Kbit／s。為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，通常將遙控和胎壓的調(diào)制方式設(shè)置成相同。系統(tǒng)原理如圖2所示。

4 被動(dòng)接收式方案介紹

4.1 接收端介紹

接收端選用Atmel的ATA5781接收器，該接收器支持FSK調(diào)制，在波特率設(shè)置成9.6 Kbit／s時(shí)的靈敏度可以達(dá)到-111 dBm，控制原理如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖3 接收端原理圖

接收端由蓄電池常電供電，在車輛ON擋時(shí)全功能工作，MCU檢測(cè)周期為10ms，通過(guò)spi通信正常接收ATA5781的數(shù)據(jù)。

在車輛OFF后，接收模塊會(huì)進(jìn)入低功耗模式，內(nèi)部檢測(cè)時(shí)間會(huì)拉長(zhǎng)，一般為200 ms，接收器ATA5781周期為4 ms。為保證能夠及時(shí)收到和處理無(wú)線信號(hào)，需要ATA5781使用Transparent接收方式，并且能夠喚醒MCU，使MCU喚醒后處理數(shù)據(jù)。

4.2 發(fā)射端介紹

4.2.1 數(shù)據(jù)格式

本文選用常見(jiàn)的SP370傳感器芯片，該芯片集成度高，利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

正常傳感器使用的數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)幀格式

接收器ATA5781在3通道極限設(shè)置下的polling典型時(shí)間為21 ms，為保證能夠接收到傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)的Wakeup tone時(shí)間為50 ms，在波特率為9.6 Kbit／s的情況下，則需要60 Byte長(zhǎng)度。為保證接收率，選取80 Byte的Wakeup tone，時(shí)間可以達(dá)到67 ms。

考慮到傳感器的工作功耗限制，長(zhǎng)喚醒幀只在靜止時(shí)并且檢測(cè)到壓力變化大于30 kPa才能發(fā)送。

4.2.2 傳感器功能設(shè)置

傳感器通過(guò)低頻激活、加速度傳感器限制、壓力變化來(lái)喚醒，并且在一定條件后發(fā)送射頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送方式可見(jiàn)表3。

表3 數(shù)據(jù)發(fā)送方式

為了降低傳感器功耗，數(shù)據(jù)發(fā)送需要設(shè)定間隔時(shí)間，在最主要的運(yùn)動(dòng)模式下每1 min發(fā)送一次，其他喚醒情況下間隔10 s發(fā)一次。休眠模式下傳感器每30 s檢測(cè)輪胎狀況，正常喚醒后每8 s檢測(cè)一次，運(yùn)動(dòng)模式下每4 s檢測(cè)一次。

4.2.3 功耗估算

電池壽命要求至少5年，每日工作時(shí)間8 h（運(yùn)動(dòng)模式），電池使用鋰電池CR2450，容量500 mAh。

傳感器目標(biāo)平均工作電流限值Imax＜500／（5×365×8）=0.034247 mA。

傳感器休眠電流Is=0.7μA。

射頻發(fā)射電流If=7 mA，短數(shù)據(jù)幀發(fā)射時(shí)間11 ms，每分鐘1次；長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀80 ms，預(yù)估每小時(shí)發(fā)射一次。

測(cè)量電流It=2 mA，檢測(cè)時(shí)間20 ms，每4 s一次，1 min檢測(cè)15次。

傳感器運(yùn)動(dòng)模式下的工作電流 （計(jì)算的為1 min的平均工作電流）為

Iwork=（0.02×15×It+6×0.08×1×If／60+6×0.011×1×If）／60+Is=1.118／60+0.0007=0.0193 mA。小于目標(biāo)電流限值Imax，滿足壽命要求。

5 總結(jié)

本文介紹了使用SP370和ATA5781實(shí)現(xiàn)Ⅰ類胎壓要求的方案，相對(duì)成本較低，有利于推廣Ⅰ類胎壓，滿足人們期望車輛在行駛前對(duì)輪胎壓力進(jìn)行報(bào)警的需求，從而提高行車安全。