中心議題：

• 汽車輪胎壓力監視係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係統解決方案
  

解決方案：

• 采用直接傳感係統更有效
• 傳感器進行無源檢測，提高係統的可靠性
• 控製器采用摩托羅拉的MC6S08QG8芯片

引言
2002年，由於凡世通(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650萬隻輪胎。據美國汽車工程師學會最近的調查，每年75%的輪胎故障是由於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%是由於爆胎引起的，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。

juguojiaxiangjiaoluntaizhiliangjianduzhongxinfenxi
，baochibiaozhundechetaiqiyahejishifaxianchetailouqishifangzhibaotaideguanjian，erqicheluntaiyalijianshixitongjiangshiyufangbaotaidelixianggongju。youyuluntaiyalibianhuatongchangshiyigejianbiandeguocheng，jishiyouyuyiwucipoluntaierdaozhideluntaixieqiyeyouyigechixuguocheng，yincitongguoshishijianceluntaiyali
，bingzailuntaiyalichuxianyichanghoudediyishijianbaojing，nenggouweijiashiyuanzhengquechulitufaqingkuangzhengqubaoguishijian
，congerbaozhengxingchedeanquan。weici，meiguoyunshubuhemeiguoguojiagaosugongluanquanguanlijuzhidinglexiangguanzhengce
，guidingcong2003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係統。

胎壓監控的基本原理
目(mu)前(qian)，輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)主(zhu)要(yao)有(you)兩(liang)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，直(zhi)接(jie)係(xi)統(tong)和(he)間(jian)接(jie)係(xi)統(tong)。直(zhi)接(jie)式(shi)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)是(shi)利(li)用(yong)安(an)裝(zhuang)在(zai)每(mei)一(yi)個(ge)輪(lun)胎(tai)裏(li)的(de)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)輪(lun)胎(tai)的(de)氣(qi)壓(ya)，並(bing)對(dui)各(ge)輪(lun)胎(tai)氣(qi)壓(ya)進(jin)行(xing)顯(xian)示(shi)及(ji)監(jian)控(kong)，當(dang)輪(lun)胎(tai)氣(qi)壓(ya)太(tai)低(di)或(huo)有(you)滲(shen)漏(lou)時(shi)
，係(xi)統(tong)會(hui)自(zi)動(dong)報(bao)警(jing)。間(jian)接(jie)式(shi)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)是(shi)通(tong)過(guo)汽(qi)車(che)ABS係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
，該類型係統的主要缺點是：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，直接傳感係統更有效。

直接式輪胎壓力監控係統又分為主動式(active)和被動式(passive)兩種。
主動式係統是采用在矽基上利用MEMS工gong藝yi製zhi作zuo電dian容rong式shi或huo者zhe壓ya阻zu式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi，將jiang壓ya力li傳chuan感gan器qi安an裝zhuang在zai每mei個ge輪lun圈quan上shang
，通tong過guo無wu線xian射she頻pin的de方fang式shi將jiang信xin號hao傳chuan送song出chu去qu，安an裝zhuang在zai駕jia駛shi室shi裏li的de無wu線xian接jie收shou裝zhuang置zhi接jie收shou到dao該gai壓ya力li敏min感gan信xin號hao
，經jing過guo一yi定ding的de信xin號hao處chu理li，顯xian示shi出chu當dang前qian的de輪lun胎tai壓ya力li。主zhu動dong式shi技ji術shu的de優you點dian是shi，技ji術shu比bi較jiao成cheng熟shu

，開kai發fa出chu來lai的de模mo塊kuai可ke適shi用yong於yu各ge廠chang牌pai的de輪lun胎tai，但dan缺que點dian同tong樣yang比bi較jiao突tu出chu
，其qi感gan應ying模mo塊kuai需xu要yao電dian池chi供gong電dian，因yin此ci存cun在zai係xi統tong使shi用yong壽shou命ming的de問wen題ti。

被動式輪胎壓力監控係統的傳感器是采用聲表麵波(SAW)來lai設she計ji的de
，這zhe種zhong傳chuan感gan器qi通tong過guo射she頻pin電dian場chang產chan生sheng一yi個ge聲sheng表biao麵mian波bo
，當dang這zhe個ge聲sheng表biao麵mian波bo通tong過guo壓ya電dian襯chen底di材cai料liao的de表biao麵mian時shi，就jiu會hui產chan生sheng變bian化hua，通tong過guo檢jian測ce聲sheng表biao麵mian波bo的de這zhe種zhong變bian化hua，就jiu可ke以yi知zhi道dao輪lun胎tai壓ya力li的de情qing況kuang。雖sui然ran此ci技ji術shu不bu用yong電dian池chi供gong電dian，但dan是shi它ta需xu要yao將jiang轉zhuan發fa器qi整zheng合he到dao輪lun胎tai中zhong，需xu各ge輪lun胎tai製zhi造zao商shang建jian立li共gong通tong的de標biao準zhun才cai有you可ke能neng實shi施shi。

luntaiqiyashishijianceyubaojingxitongmuqianhaimeiyoutongyidebiaozhun，gegongsidouzainulikaifajuyoujingzhenglidechanpin，yiqizaiweilaidejingzhengzhongliyububaizhidi。juyoufenbianlvgao
、無源、體積小三個特征的胎壓監控係統將是未來的發展趨勢。

輪lun胎tai氣qi壓ya監jian測ce係xi統tong要yao檢jian測ce出chu輪lun胎tai氣qi壓ya的de異yi常chang狀zhuang況kuang，隻zhi有you具ju有you高gao分fen辨bian率lv才cai能neng有you高gao的de精jing度du。電dian池chi壽shou命ming是shi有you限xian的de
，且qie容rong量liang也ye受shou溫wen度du影ying響xiang。為wei提ti高gao係xi統tong的de可ke靠kao性xing，傳chuan感gan器qi最zui好hao能neng進jin行xing無wu源yuan檢jian測ce。輪lun胎tai能neng否fou正zheng常chang工gong作zuo不bu僅jin與yu氣qi壓ya有you關guan，還hai與yu溫wen度du、車che輪lun轉zhuan速su及ji載zai質zhi量liang等deng有you關guan，未wei來lai的de壓ya力li傳chuan感gan器qi在zai測ce量liang輪lun胎tai氣qi壓ya的de同tong時shi，還hai應ying能neng測ce量liang輪lun胎tai內nei溫wen度du和he載zai質zhi量liang。許xu多duo研yan究jiu表biao明ming，利li用yong輪lun胎tai氣qi壓ya傳chuan感gan器qi收shou集ji到dao的de信xin息xi
，可ke對dui車che輛liang懸xuan掛gua係xi統tong進jin行xing故gu障zhang監jian測ce並bing校xiao正zheng導dao航hang係xi統tong。因yin此ci，未wei來lai的de傳chuan感gan器qi應ying該gai是shi集ji各ge種zhong功gong能neng於yu一yi身shen的de無wu源yuan智zhi能neng型xing傳chuan感gan器qi。

無源TPMS磁場電磁耦合設計方案
a.原理
dianganouheshiyizhongbianyaqimoxing，tongguokongjiangaopinjiaobiancichangshixianouhe。yijudeshidianciganyingdinglv，shijishangshitongguojiaobiancichangzailuntaineiceliangfashemokuaidexianquanzhongganyingchudianyahedianliu，geiluntaineiceliangfashemokuaitigongnengliang。dianganouhefangshiyibanshiheyuzhong、低頻工作的近距離射頻識別係統。

b.方案設計
該係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(大麵積的線圈)、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
、控製器以及低頻驅動電路、低頻天線、gaopinjieshoutianxian。kongzhiqitongguodipintianxianxiangkongjianfashechugongtaineiceliangdianlushiyongdediancibo，fashecichangdeyixiaobufencilixianchuanguojuyueduqitianxianxianquanyidingjulideluntaineiceliangmokuaidipinouhetianxianxianquan
，tongguoganying，zaidipinouhetianxianxianquanshangchanshengyigedianyaUi，將其整流後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並聯，電容器電容的選擇依據是：tayutianxianxianquandedianganyiqi，xingchengxiezhenpinlvyuyueduqifashepinlvxiangfudebinglianzhendanghuilu。gaihuiludexiezhenshideyueduqidetianxianxianquanchanshengfeichangdadedianliu，zhezhongfangfayekeyongyuchanshenggongyuanjuliyingdaqigongzuosuoxuyaodechangqiang。taineiceliangmokuaidedipinouhetianxianxianquanhedianrongqigouchengzhendanghuilu，tiaoxiedaoyueduqidefashepinlv。tongguogaihuiludexiezhen
，yingdaqixianquanshangdedianyadadaozuidazhi。zhelianggexianquanshangdejiegouyekeyijieshizuobianyaqi(變壓器的耦合)，變壓器的兩個線圈之間隻存在很弱的耦合
，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麵積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後，將壓力信息調製到RF信號發射出來，閱讀器的高頻接收天線接收到RF信號後，接收器將RF信號解調後將壓力信號傳給控製器，控製器將壓力信號通過人機界麵告知車主。

c.難點和解決思路
電(dian)感(gan)耦(ou)合(he)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)不(bu)高(gao)，所(suo)以(yi)一(yi)般(ban)適(shi)用(yong)於(yu)低(di)電(dian)流(liu)電(dian)路(lu)，作(zuo)用(yong)距(ju)離(li)短(duan)，一(yi)般(ban)隻(zhi)有(you)幾(ji)十(shi)厘(li)米(mi)。提(ti)供(gong)能(neng)量(liang)有(you)限(xian)，所(suo)以(yi)模(mo)塊(kuai)中(zhong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)就(jiu)很(hen)重(zhong)要(yao)。其(qi)關(guan)鍵(jian)是(shi)：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wei型xing芯xin片pian工gong作zuo所suo需xu要yao的de全quan部bu能neng量liang必bi須xu由you閱yue讀du器qi供gong應ying。高gao頻pin的de強qiang電dian磁ci場chang由you閱yue讀du器qi的de天tian線xian線xian圈quan產chan生sheng
，所suo以yi閱yue讀du器qi的de設she計ji要yao提ti供gong足zu夠gou的de磁ci場chang強qiang度du。

本係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
，可以從兩方麵做出努力：一方麵是盡可能提供較大的電流和能量供芯片正常工作;另一方麵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。

直接胎壓監控係統設計與分析
本文設計了一種直接式TPMS
，其原理如圖1所示。該係統由兩部分組成，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
、控製器及射頻發射器等，如圖2所示。車載接收模塊包括了射頻接收器、控製器以及顯示報警裝置等，如圖3所示。
 

 
該係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bian換huan器qi轉zhuan換huan成cheng數shu字zi信xin號hao，然ran後hou通tong過guo射she頻pin發fa射she器qi發fa送song出chu去qu。車che載zai接jie收shou模mo塊kuai裝zhuang置zhi在zai駕jia駛shi室shi內nei，射she頻pin接jie收shou器qi接jie收shou來lai自zi輪lun胎tai模mo塊kuai的de應ying力li和he溫wen度du信xin息xi
，當dang輪lun胎tai壓ya力li過guo高gao或huo者zhe過guo低di時shi
，通tong過guo顯xian示shi和he報bao警jing裝zhuang置zhi發fa出chu報bao警jing信xin息xi。

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。控製器采用摩托羅拉的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。控製器采用摩托羅拉的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(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)輪(lun)胎(tai)壓(ya)力(li)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)
，設(she)計(ji)並(bing)製(zhi)作(zuo)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)，它(ta)包(bao)含(han)壓(ya)阻(zu)式(shi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)兩(liang)部(bu)分(fen)。

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矽杯上，如圖4所示。當矽杯受到壓力後發生形變，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型矽襯底上製作一個p型電阻。囚為pxingzhurudianzuyouyigezhengdewenduxishu，dangwendufashengbianhuashi，dianzudezuzhijiuhuifashengxiangyingdebianhua。tongguogeidianzuyidianliuyuangongdian，jiukeyitongguoceliangdianzushangdedianyalaijiancewendudebianhua。

圖5是本文製作的傳感器芯片的電鏡照片。圖5(a)為器件正麵全貌;圖5(b)為薄膜正麵;圖5(c)為薄膜背麵。其中壓敏元件采用比常規更厚的50μm矽杯薄膜(500 μm×500μm)，增zeng大da了le體ti矽gui上shang高gao應ying力li區qu的de麵mian積ji
，在zai降jiang低di工gong藝yi要yao求qiu的de同tong時shi提ti高gao了le線xian性xing測ce量liang範fan圍wei和he過guo載zai壓ya力li。壓ya敏min電dian阻zu設she計ji為wei折zhe線xian結jie構gou，采cai用yong優you化hua的de幾ji何he尺chi寸cun，並bing將jiang其qi部bu分fen製zhi作zuo在zai高gao應ying力li體ti矽gui上shang以yi獲huo得de更geng高gao靈ling敏min度du。體ti矽gui上shang的de溫wen敏min電dian阻zu隨sui壓ya敏min電dian阻zu利li用yong同tong步bu注zhu入ru工gong藝yi製zhi作zuo，減jian小xiao了le工gong藝yi複fu雜za度du。該gai器qi件jian工gong藝yi簡jian單dan


，成cheng品pin率lv高gao
，與yu標biao準zhunIC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，壓力測量範圍為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於胎壓監控係統的要求。

結 論
在分析了輪胎壓力監摔係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係統解決方案。根據TPMS的要求，設計製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。