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。

图1 外围编码存储器式定位技术原理图

      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。

图2 TPMS系统电路框图

      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

图3 移位存储电路

图4 二极管存储矩阵

      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

图5 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。