基于集成壓力傳感器的無(wú)源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)研究

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基于集成壓力傳感器的無(wú)源胎壓監(jiān)控系統(tǒng)研究

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2010/10/08

　　　2002年，由于凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問(wèn)題，造成了超過(guò)100人死亡和400人受傷的事件，引起了汽車(chē)業(yè)和美國(guó)政府的高度重視，普利斯通/凡世通公司被迫收回650萬(wàn)只輪胎。據(jù)美國(guó)汽車(chē)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(guó)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(guó)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。
　　據(jù)國(guó)家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)將是預(yù)防爆胎的理想工具。由于輪胎壓力變化通常是一個(gè)漸變的過(guò)程，即使由于異物刺破輪胎而導(dǎo)致的輪胎泄氣也有一個(gè)持續(xù)過(guò)程，因此通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力，并在輪胎壓力出現(xiàn)異常后的第一時(shí)間報(bào)警，能夠?yàn)轳{駛員正確處理突發(fā)情況爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，從而保證行車(chē)的安全。為此，美國(guó)運(yùn)輸部和美國(guó)國(guó)家高速公路安全管理局制定了相關(guān)政策，規(guī)定從2003年11月到2006年10月31日期間新出廠的輕型汽車(chē)將逐步引入輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。
　　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(guò)汽車(chē)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)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(lèi)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(chē)軸或者同一側(cè)車(chē)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(chē)速、檢測(cè)精度等因素。很明顯，直接傳感系統(tǒng)更有效。
　　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(guò)無(wú)線射頻的方式將信號(hào)傳送出去，安裝在駕駛室里的無(wú)線接收裝置接收到該壓力敏感信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(wèn)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(SAW)來(lái)設(shè)計(jì)的，這種傳感器通過(guò)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(guò)壓電襯底材料的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變化，通過(guò)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。
　　輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各公司都在努力開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，以期在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。具有分辨率高、無(wú)源、體積小三個(gè)特征的胎壓監(jiān)控系統(tǒng)將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

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　　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(wú)源檢測(cè)。輪胎能否正常工作不僅與氣壓有關(guān)，還與溫度、車(chē)輪轉(zhuǎn)速及載質(zhì)量等有關(guān)，未來(lái)的壓力傳感器在測(cè)量輪胎氣壓的同時(shí)，還應(yīng)能測(cè)量輪胎內(nèi)溫度和載質(zhì)量。許多研究表明，利用輪胎氣壓傳感器收集到的信息，可對(duì)車(chē)輛懸掛系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)并校正導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，未來(lái)的傳感器應(yīng)該是集各種功能于一身的無(wú)源智能型傳感器。
　　無(wú)源TPMS磁場(chǎng)電磁耦合設(shè)計(jì)方案
　　a.原理
　　電感耦合是一種變壓器模型，通過(guò)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(guò)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)。
　　b.方案設(shè)計(jì)
　　該系統(tǒng)至少包含輪胎內(nèi)測(cè)量模塊和閱讀器兩部分。
　　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(zhuān)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(zhuān)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。控制器通過(guò)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(guò)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(guò)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。將一個(gè)電容與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，電容器電容的選擇依據(jù)是：它與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)振蕩回路。該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生非常大的電流，這種方法也可用于產(chǎn)生供遠(yuǎn)距離應(yīng)答器工作所需要的場(chǎng)強(qiáng)。胎內(nèi)測(cè)量模塊的低頻耦合天線線圈和電容器構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓達(dá)到最大值。這兩個(gè)線圈上的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，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(lái)，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(guò)人機(jī)界面告知車(chē)主。
　　c.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。
　　本系統(tǒng)要求作用距離大約30～40cm，能提供大約20mA的大電流，因此設(shè)計(jì)上具有挑戰(zhàn)性。為實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，可以從兩方面做出努力：一方面是盡可能提供較大的電流和能量供芯片正常工作;另一方面則應(yīng)該對(duì)測(cè)量芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，盡量降低胎內(nèi)測(cè)量模塊正常工作所需的電流。

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　　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(chē)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(chē)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(guò)A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)射頻發(fā)射器發(fā)送出去。車(chē)載接收模塊裝置在駕駛室內(nèi)，射頻接收器接收來(lái)自輪胎模塊的應(yīng)力和溫度信息，當(dāng)輪胎壓力過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，通過(guò)顯示和報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信息。
　　在輪胎模塊，設(shè)計(jì)了一種新型的壓力溫度集成傳感器作為輪胎壓力監(jiān)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(cè)量精度高等特點(diǎn)。采用低噪聲四通道放大器，可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和溫度兩種信號(hào)的放大。控制器采用摩托羅拉的MC6S08QG8芯片，該單片機(jī)的工作電壓為3V，與傳感器的工作電壓一致。射頻發(fā)射芯片采用摩托羅拉的MC33493芯片，該芯片具有3V供電以及功耗低等特點(diǎn)。
　　在車(chē)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5V。控制器采用摩托羅拉的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(kāi)發(fā)環(huán)境，另外該芯片為5V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(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(guò)給電阻以電流源供電，就可以通過(guò)測(cè)量電阻上的電壓來(lái)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(500μm×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(guò)載壓力。壓敏電阻設(shè)計(jì)為折線結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化的幾何尺寸，并將其部分制作在高應(yīng)力體硅上以獲得更高靈敏度。體硅上的溫敏電阻隨壓敏電阻利用同步注入工藝制作，減小了工藝復(fù)雜度。該器件工藝簡(jiǎn)單，成品率高，與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容。
　　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150mV，壓力測(cè)量范圍為0～500kPa，靈敏度為0.3mV/kPa。溫度傳感器的靈敏度為1.24mV/℃，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。
　　結(jié)論
　　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。

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