TPMS技术及轮胎定位原理

汽车轮胎压力监测系统（TPMS）主要用于在汽车行驶时,适时地对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压爆胎进行预警,确保行车安全。

TPMS中的轮胎定位是指系统接受轮胎发射模块发出的信号,并识别、判定出是哪个轮胎的过程。

轮胎重新定位问题的提出

汽车因为前后左右车轮负荷不均、前轮负责转向和前后轴悬挂角度不同等原因,通常各轮胎磨损程度和位置也不同。为了延长轮胎的使用寿命,达到四个轮胎同步均匀磨损的效果,这就需要定期进行轮胎换位。
在轮胎换位的过程中,相应的发射检测模块也会换位。这就导致了原先存储在接收显示模块MCU中的ID码与轮胎对应识别关系信息不再适用于换胎后的轮胎位置,即显示屏上的轮胎压力和温度信息和轮胎的对应关系产生错误。

如果调换新的轮胎或者某一轮胎的发射检测模块损坏,用户需要更换该模块时。新模块的ID码与损坏的发射检测模块不同。原先存储在接收显示模块MCU中的ID码与轮胎对应身份识别关系信息不再适用于更换模块后的ID码,接收显示模块会将更换的模块的信息丢弃,显示屏上将无法显示新模块发出的压力和温度信息。

这样在轮胎换位或调换轮胎时就存在一个轮胎重新定位的问题。

现有TPMS采用的轮胎定位技术

目前,解决TPMS轮胎换位和调换轮胎时的重新定位问题常见的有以下四种方式。

1 定编码式

定编码方式中,接收显示模块MCU中的ID码与轮胎对应定位关系信息在出厂时是固化的,在使用中不可更改。这种方式的不足之处是：安装错位会导致定位混乱;发射模块损坏后,用户必须向原厂商购买与损坏模块编码一致的模块;轮胎换位时发射检测模块必须按照其标记位置重新安装一次。

2 界面输入式

界面输入式定位技术是将每个发射模块的识别ID码打印在外包装或产品上,但当轮胎换位或发射模块损坏后,就必须将识别ID码用按键输入到接收端进行重新定位。界面输入式的识别ID码长为16或32位,输入流程复杂,容易出现码组输入错误问题。此外,这些按键在本来就仪表众多的车上显得十分突兀。

3 低频唤醒式

低频唤醒式定位技术是利用低频（LF）信号（125kHz）的近场效应。在该方案中,在每个轮胎附近有个LF天线;TPMS可以通过对应轮胎附近的LF天线发出LF信号,单独触发对应轮胎的发射检测模块,然后由被触发的发射检测模块将身份识别码通过RF发射出来,接收模块通过RF信号得到相应ID,从而自动确定轮胎位置。该定位方式的不足之处是：需要4个LF天线安装在对应的轮胎附近,安装及布线工作量大;LF信号可能会误触发相邻的发射检测模块;汽车上电磁环境复杂,存在各种干扰,会对低频信号造成干扰,导致身份识别失效。

4 天线接收近发射场式

该定位技术接收显示模块的接收天线有4个,分别延伸到每个轮胎20～30cm的近场内,接收天线由数控微波开关控制。当需接收某个轮胎发射检测模块的信息时,只有靠该轮胎接收天线的微波开关是导通的,其他都处于关闭状态,接收显示器上显示该轮胎的气压和温度。该定位技术的不足之处是：天线布线复杂,微波开关成本高,目前技术水平下RF开关隔离度不够,有串码（即接收到了别的轮胎的信息）的可能;汽车上的电磁干扰可能导致定位失效;射频开关的导通时序是按一定规则的,而４个轮胎发射检测模块的发射是随机的,故会存在某个轮胎附近的射频开关导通时,该轮胎的发射检测模块正好没有发射信号,导致漏帧。

外置编码存储器式轮胎定位技术

外置编码存储器轮胎定位技术是一种新型的TPMS轮胎定位技术。如图1所示,采用外置编码存储器的TPMS同样由发射检测模块和接收显示模块组成,其特征在于,在接收显示模块接插有插入式编码存储器,每个发射检测模块均有一个固定的ID码,与对应编码存储器的ID码一致。

轮胎换位或者更换时,只需调换或更换插入式编码存储器。外置编码存储器式轮胎定位技术通过调整显示模块编码存储器中的ID码与每个发射检测模块中的ID码的对应关系,将重新识别身份的问题转换成ID码的换位设置问题,是简单、有效的解决方案。其插头插入的操作方式简单可靠。通过I/O读入插入式编码存储器电路中的编码,避免了用无线方式读入ID编码,从根本上解决了干扰的问题。

外置编码存储器的电路设计

图2是TPMS系统的电路实现框图,本文主要对外置插入式编码存储器电路进行阐述,不涉及发射机和显示器本身的电路。外置编码存储器电路的设计包括两部分,一是和主机的连接部分,即连接电路的设计,二是存储器的设计。

1 连接电路的设计

连接电路即将编码存储器电路和主控制器电路连接在一起的接口。由于是在汽车上应用,要考虑接口的可靠性,有如下的几种设计。

（1）插头和插座

通过插头和插座的连接接口电路,这种设计的好处是可以使用市场上通用的插座;缺点是尺寸比较大。

（2）卡座

在PCB上做出镀金接头,即金手指。将PCB通过金手指直接插在插座上,通过金手指和插座连接。这种设计简单,成本低,但是对于振动的抵抗力差,可靠性较低。

（3）SIM卡或IC形式

将存储电路做在SIM卡中,通过SIM卡或IC卡接口读出存储器中的编码;接口也做在SIM卡中,采用SIM卡通用的接口设计。优点是可靠性高、体积小,缺点是成本也高。

在方案实施的过程中,在连接器电路上选择了一种带卡扣锁紧的插头以保证了可靠性。

2 编码存储器的设计

存储器的形式很多,可分为移位存储器和矩阵存储器两种。目前可以采用分离元件做,也可以采用市面上的成熟电路来制作。汽车电子应用的电路对电磁兼容的要求很高,以下列举几个具体电路。

（1）移位存储器

如图3所示,写入数据时,每次时钟信号到来,将D1数据移入寄存器,同时所有数据右移一位。读出数据时,每次时钟信号到来,所有数据左移一位,读出D1端口上的值,优点是占用I/O端口少,缺点是读取速度较慢,而且需要时钟的同步,实际上是串行口。

（2）矩阵存储器

可以用开关、二极管、MOS管、三极管或PLA实现,优点是读取速度快,缺点是占用I/O口多,实际上是并行口。

● 二极管存储矩阵

如图4所示,二极管存储矩阵实际上是一个二极管编码器,当PTB0～PTB3上的某一根线上是低电平,其余的线是高电平时;可以读出PTB0～PTB3上的值;PTB0～PTB3上有上拉电阻,接点上连接有二极管的为逻辑“0”;没接的为逻辑“1”。当PTB0～PTB3上的4根线依次为低电平时,PTB0～PTB3就可以读出4个4位编码,一起构成一个16位的编码。

● MOS管和三极管存储矩阵

如图5所示,MOS管和三极管存储矩阵原理上和二极管存储矩阵是一致的,只是将二极管换成了MOS管和三极管。

在存储器电路的选择上,为了避免在汽车的电磁环境下对时钟的影响,放弃了移位存储器,而选择了矩阵存储器,虽然占用的I/O口的数目较多,但是可靠性高而且读取的速度快。选用的方案有两种,一是耐高低温的并行口数据存储芯片,二是采用二极管的矩阵存储器电路,优点是电路简单可靠且成本低。

外置编码存储器轮胎定位技术的实现

每一个发射检测模块对应一个插入式外置编码存储器（ID编码插头）,编码插头中的编码电路存储的ID码和对应的发射检测模块中固化在存储器中的ID码相同。

显示模块上每个轮胎数据显示区域旁有ID识别码编码插座,当有插入式编码存储器插入ID识别码编码插座时,接收机通过定位ID码插座读出插入式编码存储器中的ID码,并将该ID码和对应轮胎数据显示区域建立对应定位关系。

在每次开机时,接收显示模块读取插在各插座上的插入式外置编码存储器（ID编码插头）中的ID码,然后重新设置存储在接收显示模块MCU中的ID码与轮胎对应定位关系信息,并保存起来。发射模块发射来的对应信息后,接收模块读取其中的ID码后,根据在接收显示模块MCU中的ID码与轮胎对应定位关系信息来判断是哪一个轮胎发出的信号,并将压力和温度信息显示在对应区域。

用户在使用时,如需轮胎换位,将对应的插入式编码存储器换位便可。当下一次开机后,接收显示模块重新设置存储在其MCU中的ID码与轮胎对应定位关系信息,保证将信息显示在正确的位置。

若用户发现某一发射机损坏,只需到市场上购买一只发射检测模块套件（插入式外置编码存储器作为附件）。因为发射机中随附一只插入式外置编码存储器,只需将损坏的发射模块的插入式外置编码存储器拔下,重新插上随机新的插入式编码存储器即可。当下一次开机后,接收显示模块重新设置存储在其MCU中的ID码与轮胎对应定位关系信息,保证将新发射检测模块发出的信号显示在正确的位置。