基于集成壓力傳感器的無源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖] - 全文

據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)最近的調(diào)查，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達(dá)80％。如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。通常把壓力測(cè)量?jī)x表中的電測(cè)式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。有時(shí)把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。

2 胎壓監(jiān)控的基本原理

目前，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有兩種解決方案，直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)控，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。間接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)控胎壓的目的，該類型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：①不能顯示出各條輪胎準(zhǔn)確的瞬時(shí)氣壓值；②同一車軸或者同一側(cè)車輪或者所有輪胎氣壓同時(shí)下降時(shí)不能報(bào)警；③不能同時(shí)兼顧車速、檢測(cè)精度等因素。

直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)又分為主動(dòng)式(active)和被動(dòng)式(passive)兩種。

主動(dòng)式系統(tǒng)是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器，將壓力傳感器安裝在每個(gè)輪圈上，通過無線射頻的方式將信號(hào)傳送出去，安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力敏感信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)處理，顯示出當(dāng)前的輪胎壓力。主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)比較成熟，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但缺點(diǎn)同樣比較突出，其感應(yīng)模塊需要電池供電，因此存在系統(tǒng)使用壽命的問題。

被動(dòng)式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波來設(shè)計(jì)的，這種傳感器通過射頻電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)聲表面波，當(dāng)這個(gè)聲表面波通過壓電襯底材料的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變化，通過檢測(cè)聲表面波的這種變化，就可以知道輪胎壓力的情況。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器整合到輪胎中，需各輪胎制造商建立共通的標(biāo)準(zhǔn)才有可能實(shí)施。

輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要檢測(cè)出輪胎氣壓的異常狀況，只有具有高分辨率才能有高的精度。電池壽命是有限的，且容量也受溫度影響。為提高系統(tǒng)的可靠性，傳感器最好能進(jìn)行無源檢測(cè)。研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可以對(duì)車輛懸掛系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)并校正導(dǎo)航系統(tǒng)。所以，未來的傳感器應(yīng)該是集各種功能于一身的無源智能型傳感器。

3 無源TPMS磁場(chǎng)電磁耦合設(shè)計(jì)方案

3.1 原理

電感耦合是一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合。依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，實(shí)際上是通過交變磁場(chǎng)在輪胎內(nèi)測(cè)量發(fā)射模塊的線圈中感應(yīng)出電壓和電流，給輪胎內(nèi)測(cè)量發(fā)射模塊提供能量。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。

3.2 方案設(shè)計(jì)

一般情況下，胎內(nèi)測(cè)量模塊由低頻耦合天線(大面積的線圈)、專用微型芯片和高頻發(fā)射天線組成。低頻耦合天線從交變磁場(chǎng)中獲得工作所需的能量，專用芯片負(fù)責(zé)測(cè)量壓力和將壓力信息轉(zhuǎn)化為RF信號(hào)，高頻發(fā)射天線將RF信號(hào)發(fā)射到空間。

閱讀器包含有接收器、控制器以及低頻驅(qū)動(dòng)電路、低頻天線、高頻接收天線?？刂破魍ㄟ^低頻天線向空間發(fā)射出供胎內(nèi)測(cè)量電路使用的電磁波，發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的輪胎內(nèi)測(cè)量模塊低頻耦合天線線圈，通過感應(yīng)，在低頻耦合天線線圈上產(chǎn)生一個(gè)電壓Ui，將其整流后作為胎內(nèi)測(cè)量接收模塊的電源。變壓器的兩個(gè)線圈之間只存在很弱的耦合，閱讀器的天線線圈與胎內(nèi)測(cè)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(yīng)答器線圈的匝數(shù)n，被應(yīng)答器線圈包圍的面積A、兩個(gè)線圈的相對(duì)角度以及它們之間的距離成比例。胎內(nèi)測(cè)量模塊獲得能量工作后，將壓力信息調(diào)制到RF信號(hào)發(fā)射出來，閱讀器的高頻接收天線接收到RF 信號(hào)后，接收器將RF信號(hào)解調(diào)后將壓力信號(hào)傳給控制器，控制器將壓力信號(hào)通過人機(jī)界面告知車主。

　　3.3 難點(diǎn)和解決思路

電感耦合系統(tǒng)的效率不高，所以一般適用于低電流電路，作用距離短，一般只有幾十厘米。提供能量有限，所以模塊中的傳感器電路的設(shè)計(jì)就很重要。其關(guān)鍵是：① 芯片的設(shè)計(jì)要效率高，能在低電流的情況下完成測(cè)量和發(fā)射的任務(wù)；②微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應(yīng)。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，所以閱讀器的設(shè)計(jì)要提供足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4 直接胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)了一種直接式TPMS，其原理如圖1所示。該系統(tǒng)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、控制器及射頻發(fā)射器等，如圖2所示。車載接收模塊包括了射頻接收器、控制器以及顯示報(bào)警裝置等，如圖3所示。

該系統(tǒng)的基本工作原理如下，把輪胎模塊裝置在輪胎內(nèi)，壓力和溫度傳感器檢測(cè)輪胎內(nèi)部當(dāng)前的應(yīng)力和溫度信息，獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過射頻發(fā)射器發(fā)送出去。車載接收模塊裝置在駕駛室內(nèi)，射頻接收器接收來自輪胎模塊的應(yīng)力和溫度信息，當(dāng)輪胎壓力過高或者過低時(shí)，通過顯示和報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信息。

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(fā)射芯片MC33493芯片配套的射頻接收芯片，其工作電壓是5 V?？刂破鞑捎媚ν辛_拉的MC9S08AW16單片機(jī)，該芯片的內(nèi)核為S08，可以與輪胎模塊的單片機(jī)MC6S08QG8采用同樣的開發(fā)環(huán)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。

5 新型的胎壓監(jiān)控傳感器分析

壓力傳感器和溫度傳感器是輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)并制作了一種新型傳感器，它包含壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器兩部分。

其中，壓阻式壓力傳感器主要是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，把一個(gè)惠斯通電橋做在一個(gè)硅杯上，如圖4所示。當(dāng)硅杯受到壓力后發(fā)生形變，惠斯通電橋的四個(gè)橋臂電阻就會(huì)發(fā)生變化，打破了電橋的電平衡，從而會(huì)有一個(gè)電信號(hào)的輸出。

溫度傳感器采用單電阻結(jié)構(gòu)，在n型硅襯底上制作一個(gè)p型電阻。囚為p型注入電阻有一個(gè)正的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，電阻的阻值就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過給電阻以電流源供電，就可以通過測(cè)量電阻上的電壓來檢測(cè)溫度的變化。

圖5是本文制作的傳感器芯片的電鏡照片。圖5(a)為器件正面全貌；圖5(b)為薄膜正面；圖5(c)為薄膜背面。其中壓敏元件采用比常規(guī)更厚的50μm 硅杯薄膜(500 μm×500μm)，增大了體硅上高應(yīng)力區(qū)的面積，在降低工藝要求的同時(shí)提高了線性測(cè)量范圍和過載壓力。

初步的測(cè)試結(jié)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(cè)量范圍為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于胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

6 結(jié) 語

在分析了輪胎壓力監(jiān)摔系統(tǒng)的原 理及各種不同解決方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。根據(jù)TPMS的要求，設(shè)計(jì)制作了一種壓力溫度集成傳感器，該器件工藝簡(jiǎn)單，成品率高，與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容。