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　　TPMS的由來(lái)及市場(chǎng)

　　TPMS 是汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) "Tire Pressure Monitoring System"的英文縮寫(xiě)，主要用于在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全，是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。

　　在汽車(chē)的高速行駛過(guò)程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%-80%是由于爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家的分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。而TPMS-汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)將是理想的工具。凡世通(Firestone)輪胎的質(zhì)量問(wèn)題，造成了超過(guò)千人的傷亡，此事引起了業(yè)界和美國(guó)政府的高度關(guān)注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回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，美國(guó)每年有26萬(wàn)交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于每年造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，美國(guó)政府要求汽車(chē)制造商加速發(fā)展TPMS系統(tǒng)，以求減少輪胎事故的發(fā)生。因此，在2000年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美國(guó)銷(xiāo)售的汽車(chē)都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。2000年11月1日美國(guó)總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國(guó)會(huì)關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案，要求2003年后所有的新車(chē)都需把這種系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置。回應(yīng)TREAD法案，美國(guó)公路交通安全局(NTHTSA)要求到2007年，所有在美國(guó)銷(xiāo)售的汽車(chē)都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車(chē)生產(chǎn)商的執(zhí)行時(shí)間表：美國(guó)市場(chǎng)出售的汽車(chē)，2004年占10%，2005年占35%， 2006年占65%，2007年 將達(dá)100%。美國(guó)每年的汽車(chē)銷(xiāo)量約為1500萬(wàn)輛(轎車(chē)/卡車(chē))。全球每年約5000萬(wàn)輛，平均每輛車(chē)需要4.2個(gè)輪胎(不包括備用胎)。

　　中國(guó)正在成為全球最大的新興汽車(chē)市場(chǎng)，中國(guó)汽車(chē)需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，汽車(chē)保有量已突破2600萬(wàn)輛，年銷(xiāo)售汽車(chē)將突破600萬(wàn)輛，未來(lái)5年將成為僅次于美國(guó)的全球第二大汽車(chē)銷(xiāo)售國(guó)。汽車(chē)安全產(chǎn)品將成為中國(guó)生機(jī)勃勃的新興市場(chǎng)熱點(diǎn)，今后每年的增長(zhǎng)速度可達(dá)50%。其中，僅TPMS技術(shù)產(chǎn)品2005年底的市場(chǎng)容量就將達(dá)20萬(wàn)套，近7億元人民幣;2006將達(dá)到50萬(wàn)套，近17億元。根據(jù)2003-2010年汽車(chē)需求預(yù)測(cè)：汽車(chē)年增長(zhǎng)16%-20%;轎車(chē)年增長(zhǎng)19.2%-24%。綜合以上分析，預(yù)計(jì)，2005-2010年，中國(guó)汽車(chē)保有量將以16% 以上的速度增長(zhǎng)。

　　美國(guó)、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)全部安裝TPMS，因此，對(duì)TPMS的需要量與日俱增，美國(guó)的人工每小時(shí)起碼7.5元美金，差不多是中國(guó)工人的日工資，面對(duì)量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國(guó)。今后幾年內(nèi)中國(guó)必將成為T(mén)PMS的生產(chǎn)大國(guó)。

　　人的生命是最可貴的，因此，為與世界先進(jìn)國(guó)家同步，我國(guó)關(guān)于汽車(chē)安裝TPMS這樣的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)法規(guī)遲早也會(huì)出臺(tái)。因此，目前我們國(guó)內(nèi)已有數(shù)百家設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)廠(chǎng)家開(kāi)始開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)TPMS。

　　目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型：一種是間接式TPMS，它通過(guò)汽車(chē)ABS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)視胎壓的目的，其缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100公里/小時(shí)的情況進(jìn)行判斷。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀(guān)地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。直接式TPMS 從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。許多歐洲的汽車(chē)廠(chǎng)商已將直接式TPMS 配裝于自己的車(chē)型之中，其中包括：德國(guó)寶馬的 Z8、法國(guó)雪鐵龍的 C5、英國(guó)阿斯頓· 馬汀的超級(jí)跑車(chē) Vanquish、林肯大陸、克萊斯勒與道奇(Dodge)迷你箱型車(chē)以及 Chrysler 300M 與 Concorde Limited 客車(chē)、旁蒂克的旗艦Bonneville SE 等等，梅賽德斯-奔馳S級(jí)轎車(chē)最新的改進(jìn)也將TPMS 作為選裝件。國(guó)內(nèi)多數(shù)汽車(chē)廠(chǎng)家目前已開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究，中國(guó)加入 WTO 以后，隨著國(guó)際化的要求，和國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的出口，相信國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家會(huì)跟上這個(gè)步伐。中國(guó)TPMS的前裝和后裝市場(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng)，預(yù)見(jiàn)前裝市場(chǎng)(汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家原裝)將比后裝市場(chǎng)(汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)后安裝)跑得更快。

　　TPMS產(chǎn)品技術(shù)

　　TPMS系統(tǒng)主要有二個(gè)部分組成：安裝在汽車(chē)輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊(Remote Tire Pressure Monitoring)和安裝在汽車(chē)駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器(LCD顯示器)。直接安裝在每個(gè)輪胎里測(cè)量輪胎壓力和溫度模塊，將測(cè)量得到的信號(hào)調(diào)制后通過(guò)高頻無(wú)線(xiàn)電波(RF)發(fā)射出去。一個(gè)TPMS系統(tǒng)有4個(gè)或5個(gè)(包括備用胎)RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號(hào)，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛者采取必要的措施。

　　由于汽車(chē)輪胎現(xiàn)在大多都是沒(méi)有內(nèi)胎的真空子午胎，因此，將TPMS的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的，但是汽車(chē)在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按軍級(jí)產(chǎn)品的要求來(lái)選用元器件，按工業(yè)產(chǎn)品的要求來(lái)制訂生產(chǎn)工藝，然而它是一個(gè)量大面廣的汽車(chē)通用安全產(chǎn)品，要按消費(fèi)電子產(chǎn)品來(lái)定價(jià)。

　　遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由五個(gè)部分組成：(1)具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測(cè)和后信號(hào)處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC;(2)4-8位單片機(jī)(MCU);(3)RF射頻發(fā)射芯片;(4)鋰亞電池;(5)天線(xiàn)。外殼選用高強(qiáng)度ABS塑料。所有器件、材料都要滿(mǎn)足- 40℃到+125℃的使用溫度范圍。

　　智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI口、校準(zhǔn)(Calibration)、數(shù)據(jù)管理(Data)、ID碼的數(shù)字信號(hào)處理ASIC單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶(hù)專(zhuān)用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC電路二塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測(cè)量電橋;同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有16-32位獨(dú)特的ID碼。

　　適用于TPMS的智能傳感器主要有硅集成電容式壓力傳感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040;和硅壓阻式壓力傳感器，如GE NovaSensor的NPX1、NPX2，Infineon SensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗。

　　NPX和SP12系列的智能傳感器都包含了加速度計(jì)，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車(chē)高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等功能。NPX還將8位MCU封裝在智能傳感器中。

　　隨著TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如GE NPX那樣的將所需測(cè)試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊，在未來(lái)幾年內(nèi)還會(huì)開(kāi)發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線(xiàn)組成，客戶(hù)的二次設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)便。

　　TPMS的工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92 MHz，韓國(guó)為448 MHz，已有人建議新標(biāo)準(zhǔn)為868 MHz。其發(fā)射功率又不能超過(guò)10dBm，否則要接受無(wú)線(xiàn)電管制。工作模式有ASK(振幅變換調(diào)制)、FSK(頻率變換調(diào)制)，F(xiàn)SK抗干擾較好。因此，對(duì)RF芯片選用的要求是：(1)發(fā)射功率盡可能大;(2)芯片外型尺寸盡可能小;(3)具有比較好的性能/價(jià)格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的標(biāo)稱(chēng)發(fā)射功率都達(dá)10dBm。

　　電池選用鋰亞電池，以保證遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊在高低溫環(huán)境中都能正常工作。傳統(tǒng)的鋰電池在- 40℃低溫時(shí)喪失電能，在+100℃高溫時(shí)會(huì)自動(dòng)放電。TADIRAN LTH2450鋰亞電池能滿(mǎn)足TPMS寬溫度范圍的要求。

　　天線(xiàn)是遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊發(fā)射功率提升的關(guān)鍵，天線(xiàn)技術(shù)涉及天線(xiàn)的幾何形狀、材料、介質(zhì)等諸多因素。

　　遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊的整體電源管理是十分重要的，一個(gè)鋰亞電池要向這個(gè)模塊提供3-5年的工作能源，做好電源管理和如何省電是關(guān)鍵所在。

　　發(fā)射模塊在汽車(chē)輪胎內(nèi)的安裝有二種方式，一是利用氣門(mén)咀安裝，這是目前使用最多的;二是利用緊箍扣安裝在輪轂上，這是最早的辦法，但振動(dòng)后會(huì)移位。無(wú)論采用哪種方式，安裝完TPMS發(fā)射模塊都必須對(duì)輪胎重新做動(dòng)平衡檢驗(yàn)。

　　中央監(jiān)視器即TPMS接收器主要由UHF ASK/FSK RF接收IC和信號(hào)處理MCU、鍵盤(pán)、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號(hào)處理MCU安裝在一個(gè)盒子里，可安裝在汽車(chē)儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤(pán)的LCD顯示器可安裝在駕駛臺(tái)上，LCD顯示器能實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎的壓力

　　、溫度，和每一個(gè)輪胎的ID識(shí)別碼，以及聲光報(bào)警。由于接收系統(tǒng)是工作在汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)，其環(huán)境溫度是常溫而且變化不大，電源可以使用汽車(chē)的12V或24V電源，因此對(duì)器件選用只要是工業(yè)級(jí)即可，省電的要求也不高。

　　RF接收IC選用時(shí)一般考慮需要較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，ATMEL的T5743、Infineon的TDK5210的標(biāo)稱(chēng)靈敏度都達(dá)-100dBm以上。

　　TPMS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，將是一個(gè)永恒的主題，因此，TPMS將成為汽車(chē)安全保障系統(tǒng)之一。TPMS發(fā)射模塊將向高度集成化、單一化、無(wú)線(xiàn)無(wú)源化方向發(fā)展。

　　米其林集團(tuán)公司、固特異輪胎橡膠公司已開(kāi)發(fā)出在輪胎制造時(shí)的成形工序中，將壓力、溫度監(jiān)測(cè)和信號(hào)發(fā)射裝置被埋入輪胎胎壁內(nèi)，它在輪胎的整個(gè)壽命期間(一般為1～7年)發(fā)揮作用;作為信號(hào)接收裝置做成如手機(jī)的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車(chē)時(shí)插裝在車(chē)上，下車(chē)後隨身攜帶。

　　以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國(guó)固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該公司和西門(mén)子VDO汽車(chē)配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號(hào)外，還具有標(biāo)識(shí)輪胎的功能，也就是說(shuō)，它既可用於輪胎氣壓監(jiān)測(cè)，還可以用於輪胎歷程可追溯性記錄。上海交通大學(xué)也開(kāi)始基于聲表波技術(shù)的TPMS開(kāi)發(fā)研究，這種能同時(shí)測(cè)量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)的SAW傳感器，不僅可實(shí)現(xiàn)智能輪胎信息的無(wú)源測(cè)量和無(wú)線(xiàn)發(fā)送，并且將擁有中國(guó)人自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。