TPMS技術(shù)及輪胎定位原理

　　汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）主要用于在汽車行駛時,適時地對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測,對輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓爆胎進行預(yù)警,行車安全。

　　TPMS中的輪胎定位是指系統(tǒng)接受輪胎發(fā)射模塊發(fā)出的信號,并識別、判定出是哪個輪胎的過程。

輪胎重新定位問題的提出

　　汽車因為前后左右車輪負(fù)荷不均、前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向和前后軸懸掛角度不同等原因,通常各輪胎磨損程度和位置也不同。為了延長輪胎的使用壽命,達到四個輪胎同步均勻磨損的效果,這就需要定期進行輪胎換位。

　　在輪胎換位的過程中,相應(yīng)的發(fā)射檢測模塊也會換位。這就導(dǎo)致了原先存儲在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)識別關(guān)系信息不再適用于換胎后的輪胎位置,即顯示屏上的輪胎壓力和溫度信息和輪胎的對應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生錯誤。

　　如果調(diào)換新的輪胎或者某一輪胎的發(fā)射檢測模塊損壞,用戶需要更換該模塊時。新模塊的ID碼與損壞的發(fā)射檢測模塊不同。原先存儲在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)身份識別關(guān)系信息不再適用于更換模塊后的ID碼,接收顯示模塊會將更換的模塊的信息丟棄,顯示屏上將無法顯示新模塊發(fā)出的壓力和溫度信息。

　　這樣在輪胎換位或調(diào)換輪胎時就存在一個輪胎重新定位的問題。

現(xiàn)有TPMS采用的輪胎定位技術(shù)

　　目前,解決TPMS輪胎換位和調(diào)換輪胎時的重新定位問題常見的有以下四種方式。

1定編碼式

　　定編碼方式中,接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息在出廠時是固化的,在使用中不可更改。這種方式的不足之處是：安裝錯位會導(dǎo)致定位混亂;發(fā)射模塊損壞后,用戶必須向原廠商購買與損壞模塊編碼一致的模塊;輪胎換位時發(fā)射檢測模塊必須按照其標(biāo)記位置重新安裝一次。

2界面輸入式

　　界面輸入式定位技術(shù)是將每個發(fā)射模塊的識別ID碼打印在外包裝或產(chǎn)品上,但當(dāng)輪胎換位或發(fā)射模塊損壞后,就必須將識別ID碼用按鍵輸入到接收端進行重新定位。界面輸入式的識別ID碼長為16或32位,輸入流程復(fù)雜,容易出現(xiàn)碼組輸入錯誤問題。此外,這些按鍵在本來就儀表眾多的車上顯得十分突兀。

3低頻喚醒式

　　低頻喚醒式定位技術(shù)是利用低頻（LF）信號（125kHz）的近場效應(yīng)。在該方案中,在每個輪胎附近有個LF天線;TPMS可以通過對應(yīng)輪胎附近的LF天線發(fā)出LF信號,單獨觸發(fā)對應(yīng)輪胎的發(fā)射檢測模塊,然后由被觸發(fā)的發(fā)射檢測模塊將身份識別碼通過RF發(fā)射出來,接收模塊通過RF信號得到相應(yīng)ID,從而自動確定輪胎位置。該定位方式的不足之處是：需要4個LF天線安裝在對應(yīng)的輪胎附近,安裝及布線工作量大;LF信號可能會誤觸發(fā)相鄰的發(fā)射檢測模塊;汽車上電磁環(huán)境復(fù)雜,存在各種干擾,會對低頻信號造成干擾,導(dǎo)致身份識別失效。

4天線接收近發(fā)射場式

　　該定位技術(shù)接收顯示模塊的接收天線有4個,分別延伸到每個輪胎20～30cm的近場內(nèi),接收天線由數(shù)控微波開關(guān)控制。當(dāng)需接收某個輪胎發(fā)射檢測模塊的信息時,只有靠該輪胎接收天線的微波開關(guān)是導(dǎo)通的,其他都處于關(guān)閉狀態(tài),接收顯示器上顯示該輪胎的氣壓和溫度。該定位技術(shù)的不足之處是：天線布線復(fù)雜,微波開關(guān)成本高,目前技術(shù)水平下RF開關(guān)隔離度不夠,有串碼（即接收到了別的輪胎的信息）的可能;汽車上的電磁干擾可能導(dǎo)致定位失效;射頻開關(guān)的導(dǎo)通時序是按一定規(guī)則的,而４個輪胎發(fā)射檢測模塊的發(fā)射是隨機的,故會存在某個輪胎附近的射頻開關(guān)導(dǎo)通時,該輪胎的發(fā)射檢測模塊正好沒有發(fā)射信號,導(dǎo)致漏幀。

外置編碼存儲器式輪胎定位技術(shù)

　　外置編碼存儲器輪胎定位技術(shù)是一種的TPMS輪胎定位技術(shù)。如圖1所示,采用外置編碼存儲器的TPMS同樣由發(fā)射檢測模塊和接收顯示模塊組成,其特征在于,在接收顯示模塊接插有插入式編碼存儲器,每個發(fā)射檢測模塊均有一個固定的ID碼,與對應(yīng)編碼存儲器的ID碼一致。

　　輪胎換位或者更換時,只需調(diào)換或更換插入式編碼存儲器。外置編碼存儲器式輪胎定位技術(shù)通過調(diào)整顯示模塊編碼存儲器中的ID碼與每個發(fā)射檢測模塊中的ID碼的對應(yīng)關(guān)系,將重新識別身份的問題轉(zhuǎn)換成ID碼的換位設(shè)置問題,是簡單、有效的解決方案。其插頭插入的操作方式簡單可靠。通過I/O讀入插入式編碼存儲器電路中的編碼,避免了用無線方式讀入ID編碼,從根本上解決了干擾的問題。

外置編碼存儲器的電路設(shè)計

　　圖2是TPMS系統(tǒng)的電路實現(xiàn)框圖,本文主要對外置插入式編碼存儲器電路進行闡述,不涉及發(fā)射機和顯示器本身的電路。外置編碼存儲器電路的設(shè)計包括兩部分,一是和主機的連接部分,即連接電路的設(shè)計,二是存儲器的設(shè)計。

1連接電路的設(shè)計

　　連接電路即將編碼存儲器電路和主控制器電路連接在一起的接口。由于是在汽車上應(yīng)用,要考慮接口的可靠性,有如下的幾種設(shè)計。

（1）插頭和插座

　通過插頭和插座的連接接口電路,這種設(shè)計的好處是可以使用市場上通用的插座;缺點是尺寸比較大。

（2）卡座

　　在PCB上做出鍍金接頭,即金手指。將PCB通過金手指直接插在插座上,通過金手指和插座連接。這種設(shè)計簡單,成本低,但是對于振動的抵抗力差,可靠性較低。

（3）SIM卡或IC形式

　　將存儲電路做在SIM卡中,通過SIM卡或IC卡接口讀出存儲器中的編碼;接口也做在SIM卡中,采用SIM卡通用的接口設(shè)計。優(yōu)點是可靠性高、體積小,缺點是成本也高。

　　在方案實施的過程中,在連接器電路上選擇了一種帶卡扣鎖緊的插頭以保證了可靠性。

2編碼存儲器的設(shè)計

　　存儲器的形式很多,可分為移位存儲器和矩陣存儲器兩種。目前可以采用分離元件做,也可以采用市面上的成熟電路來制作。汽車電子應(yīng)用的電路對電磁兼容的要求很高,以下列舉幾個具體電路。

（1）移位存儲器

　　如圖3所示,寫入數(shù)據(jù)時,每次時鐘信號到來,將D1數(shù)據(jù)移入寄存器,同時數(shù)據(jù)右移一位。讀出數(shù)據(jù)時,每次時鐘信號到來,數(shù)據(jù)左移一位,讀出D1端口上的值,優(yōu)點是占用I/O端口少,缺點是讀取速度較慢,而且需要時鐘的同步,實際上是串行口。

（2）矩陣存儲器

　　可以用開關(guān)、二管、MOS管、三管或PLA實現(xiàn),優(yōu)點是讀取速度快,缺點是占用I/O口多,實際上是并行口。

●二管存儲矩陣

　　如圖4所示,二管存儲矩陣實際上是一個二管編碼器,當(dāng)PTB0～PTB3上的某一根線上是低電平,其余的線是高電平時;可以讀出PTB0～PTB3上的值;PTB0～PTB3上有上拉電阻,接點上連接有二管的為邏輯“0”;沒接的為邏輯“1”。當(dāng)PTB0～PTB3上的4根線依次為低電平時,PTB0～PTB3就可以讀出4個4位編碼,一起構(gòu)成一個16位的編碼。

●MOS管和三管存儲矩陣

　如圖5所示,MOS管和三管存儲矩陣原理上和二管存儲矩陣是一致的,只是將二管換成了MOS管和三管。

　　在存儲器電路的選擇上,為了避免在汽車的電磁環(huán)境下對時鐘的影響,放棄了移位存儲器,而選擇了矩陣存儲器,雖然占用的I/O口的數(shù)目較多,但是可靠性高而且讀取的速度快。選用的方案有兩種,一是耐高低溫的并行口數(shù)據(jù)存儲芯片,二是采用二管的矩陣存儲器電路,優(yōu)點是電路簡單可靠且成本低。

外置編碼存儲器輪胎定位技術(shù)的實現(xiàn)

　　每一個發(fā)射檢測模塊對應(yīng)一個插入式外置編碼存儲器（ID編碼插頭）,編碼插頭中的編碼電路存儲的ID碼和對應(yīng)的發(fā)射檢測模塊中固化在存儲器中的ID碼相同。

　　顯示模塊上每個輪胎數(shù)據(jù)顯示區(qū)域旁有ID識別碼編碼插座,當(dāng)有插入式編碼存儲器插入ID識別碼編碼插座時,接收機通過定位ID碼插座讀出插入式編碼存儲器中的ID碼,并將該ID碼和對應(yīng)輪胎數(shù)據(jù)顯示區(qū)域建立對應(yīng)定位關(guān)系。

　　在每次開機時,接收顯示模塊讀取插在各插座上的插入式外置編碼存儲器（ID編碼插頭）中的ID碼,然后重新設(shè)置存儲在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息,并保存起來。發(fā)射模塊發(fā)射來的對應(yīng)信息后,接收模塊讀取其中的ID碼后,根據(jù)在接收顯示模塊MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息來判斷是哪一個輪胎發(fā)出的信號,并將壓力和溫度信息顯示在對應(yīng)區(qū)域。

　　用戶在使用時,如需輪胎換位,將對應(yīng)的插入式編碼存儲器換位便可。當(dāng)下一次開機后,接收顯示模塊重新設(shè)置存儲在其MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息,保證將信息顯示在正確的位置。

　　若用戶發(fā)現(xiàn)某一發(fā)射機損壞,只需到市場上購買一只發(fā)射檢測模塊套件（插入式外置編碼存儲器作為附件）。因為發(fā)射機中隨附一只插入式外置編碼存儲器,只需將損壞的發(fā)射模塊的插入式外置編碼存儲器拔下,重新插上隨機新的插入式編碼存儲器即可。當(dāng)下一次開機后,接收顯示模塊重新設(shè)置存儲在其MCU中的ID碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息,保證將新發(fā)射檢測模塊發(fā)出的信號顯示在正確的位置。