GE Infrastructure Sensing
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TPMS Application Notes
DATE RELEASED
Jan. 2005 Aprl. 2005
TPMS汽车轮胎压力监测系统
1. TPMS 系统概述
TPMS - Tire Pressure Monitoring System，汽车轮胎压力监测系统，主要用于汽车行驶过程中实 时监测轮胎气压，并对轮胎低气压或者漏气导致气压不足进行报警，以保障行车安全。一般的，备 用轮胎中也同样安装有压力监测传输装置。 虽然TPMS对轮胎的保养有一定的作用，但是主要功能还是作为安全报警系统。当气压不足时， 很可能导致车辆行驶过程中突然爆胎以至于车辆失控。美国汽车工程师协会的
调查统计表明，美国 每年有26万起交通事故是由汽车轮胎故障引起的，而75％的事故是由轮胎气压不足或者泄漏造成 的。有鉴于爆胎造成的巨大损失，美国国会在2000年11月通过了《有关加强运输设备收回、责任确 定和文件记录法案》 （TREAD Act：Transportation Recall Enhancement Accountability and Documentation Act）。根据该法案，美国国家公路交通安全委员会（NHTSA）随后制定了相应法规 和新的机动车辆安全标准， 要求到2007年， 所有在美国生产销售的汽车必须安装轮胎压力监测系统。 NHTSA的法规执行时间表如下： 到2005.9，50％在美国生产和销售的汽车； 到2006.9，90％在美国生产和销售的汽车； 到2007.9，100％在美国生产和销售的汽车。 气压不足还将引起轮胎磨损增加，使用寿命的降低以及耗油量的增加。 美国每年的汽车销售约为1500万辆（轿车/卡车） ，全球每年约5000万辆，平均每辆车需要4.2 个轮胎（其中不包括备用轮胎） 。 目前，TPMS主要分为两种类型： 一种是间接式TPMS，它通过汽车的ABS轮度传感器来比较轮胎之间的速度差别，以达到监测轮 胎胎压的目的，其缺点是无法对两个以上同时缺气的状况以及速度超过100km/h的情况进行判断。 另外一种是直接式TPMS，它利用安装在轮胎内部的传感器测量/发送模块，直接测量轮胎内部 的气压、温度以及模块供电电压等，通过无线的方式将测量数据发送到中央接收模块。接收模块将 接收到的数据实时地显示给驾驶者，并且在气压过低、温度过高或者传感器测量、发送模块出现故 障时，及时报警提示驾驶者，以避免可能出现的驾车事故。 NHTSA对这两种类型的TPMS进行了测试评估。共有4套间接式和6套直接式的TPMS参与了评估， 结论是：直接式TPMS提供了更为精确的轮胎压力监测。
2. 直接式TPMS系统构成
直接式TPMS一般由两个部分构成：
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1）RTPM模块（Remote Tire Pressure Monitoring Module） 该模块直接安装在每个轮胎内部测量轮胎内部的压力和温度等参数， 安装位置可以在轮毂上 或者气门嘴处， 并将测得的数据通过无线方式发送出去。 一般一辆车上根据轮胎的数量可以 有4～5个 （包括备用胎） RTPM模块。 现有的RTPM模块还可以通过低频接口接收指令或者配置， 根据指令作相应的操作或配置。 2）中央接收模块 中央接收模块通过无线方式接收RTPM模块发送来的数据， 并将这些数据根据相应的通信协议 提取出来，并显示在TPMS或其他相关显示面板上；在接收到的数据表明轮胎气压过低、轮胎 内部温度过高或者RTPM模块出现故障时， 通过各种报警方式通知驾车者， 提醒驾车者采取必 要的措施防止可能的事故发生。 中央接收模块还可以通过发送低频载波信号给RTPM模块发送 指令或者设置参数，实现更加灵活的TPMS系统操作。 3) 目前两个模块双向通信的途径: A. 中央接收模块发送低频载波信号给RTPM模块; B. RTPM接收低频信号后，根据该信号要求发送高频信号给中央接收模块; C. 中央接收模块通过高频接收部分获得相关数据.
3. RTPM模块的构成
一个RTPM模块有以下几个部分组成： 1）压力传感器 测量轮胎内部的气压，并将之转换为成一定比例关系的电信号； 2）微处理器 负责处理微处理器外部和内部资源， 主要的是将压力传感器信号转化为数字信号， 并进行适 当的处理后，通过RF方式传送给相应的接收模块；同时还主要担负RTPM模块的能源管理； 必要时可以接收外部指令进行相应的操作； 3）RF射频发射器件和电路 通过微处理器的控制，将当前监测到的轮胎内部的压力等状态值利用RF射频的方式发送给 相应的接收模块； 4）电池/电能收集器 提供RTPM模块整个电路的用电； 5）其他重要组成部分 A. 温度传感器：可以监测当前轮胎中的温度环境，除了对必要的高温报警有用外，对于特 定型号的压力传感器的校准和补偿运算有非常大的作用；对于温度过高导致器件失效起 到了一定的保护作用； B. 电压传感器：在TPMS模块中，所有器件工作需要在一定的电压范围之类。当供电电压低 于额定的正常工作电压时，整个RTPM模块可以退出工作状态。同时，供电电压对于温度 的监测、补偿和校准运算也是一个非常重要的参数。 C. 加速度传感器： 通过监测车辆的运动来比较设定的阈值， 从而触发RTPM模块进入相应的 工作状态。该传感器对于RTPM模块的能源智能化控制提供了非常灵活的方法。 D. LF（Low Frequency）低频信号接口：通过该低频信号接口，中央接收模块可以主动发送 指令或者参数给RTPM模块；RTPM模块根据接收到的低频信号指令完成一定的任务；当
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RTPM接收到LF低频信号后再通过RF射频电路进行应答，即可完成RTPM模块和中央接 收模块之间的双向通信的功能。利用LF，可以对轮胎进行非常直接而且正确的定位。
4. GE 解决方案——NPX系列TPMS智能传感器
从1995年开始，GE NovaSensor 就开始为TPMS提供压力传感器（NPP301）。至今以及有超 过1500万片的压力传感器在汽车轮胎中使用，其失效率仅为1ppm（百万分子一）。 在TPMS领域拥有10年成功经验的GE， 不断针对TPMS推出新的产品， 以满足市场上对灵活、 客户定制/解决方案和降低成本的需要，同时也代表了全球TPMS传感器市场的发展方向。GE还 和全球大客户广泛合作，在TPMS传感器领域，GE NovaSensor处于全球领先的地位，是世界上 最大的TPMS传感器供应商。 从2004年初开始，GE的第二代TPMS传感器NPXI开始批量供货。 NPXI集成了硅压力传感器、温度、电压以及一个8位RISC微处理器4k字节的用户可编程空 间，4k字节的定制ROM，以及一个2D的LF输入级。各类传感器的信号经12位ADC转换后，提 供给用户和系统进行进一步的处理。在4k字节的定制ROM中，固化了GE特有的压力、温度和电 压测量、补偿和校准程序，以及其他实用的子程序，用户可省去繁复的运算编程而只需简单调 用，即可获得需要的状态值。在开发阶段，GE可以提供可编程版本的传感器，用户
可以通过仿 真器/编程器将程序下载到器件的4k用户可编程空间中。下载程序之后的传感器可以直接运行使 用，或者通过仿真器进行实时仿真单步调试。调试环境与一般的单片机非常相似。 客户大批量生产版本的传感器可以通过掩膜ROM工艺生产，以进一步降低成本。 在2005年4月， GE在中国和全球同步推出最新一代TPMS智能传感器NPXII， 从而在中国的TPMS 研发公司与国外的顶尖TPMS设计制造公司站在了同一个起跑线上。 NPXII代表了世界上最新一代的远程轮胎压力监测(RTPM)传感器。 NPXII传感器集成了一个硅 压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC处理器，以及一个2D的 LF输入级，最新优化后固化在ROM中的系统程序（ROM3版本） ，运行速度更快，能耗更低；同时 提供给用户功能更完善、更加灵便的系统子程序。 同样采用了GE先进的经久验证的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术工艺加工 而成， 比加速度开关具有更高的可靠性和稳定性 （GE独有的多晶硅稳定性专利， 可连续承受5000g 的加速度冲击而无损伤） ，可输出连续的加速度值，用户可根据实际需要在程序中灵活设置速度 比较阈值。 2006年，GE将推出NPXIII。NPXIII具有NPXII的所有功能，同时将RF发射控制电路集成到同 一个芯片中去。随后，GE将推出无需电池自供电方式的TPMS传感器NPXIV，该传感器内部将集成 GE美国研发中心开发的集电装置（GE专利，完全区别于目前的无电概念） ，可为RTPM模块中传感 器自身和周边器件提供源源不断的电能。这将简化RTPM模块的电路设计，软件设计，提高TPMS 系统的测量频次，并且将RTPM模块的重量降至最低，最终达到降低系统成本的要求。同时，由 于摒弃了电池，必将能满足世界各国对电子设备越来越严厉的环保要求。
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Tire SERVICES & Health CALIBRATION WAI SYSTEMS
NPP-301 未校准压力 1.5千万只销出量 1ppm失效率
NPX-I 校准压力、 温度、 电池电压 MCU LF
NPX-III 校准压力、 NPX-II 加速度、 校准压力、 温度、 加速度、 电池电压 温度、 集成RF发射器 电池电压 MCU LF
NPX-IV 校准压力、 加速度、 温度、 电池电压 集成RF发射器 自供电汽车爆胎
过去
2004
2005.4
Qt4, 2006
2008
2010?
图1 NPX性能及推出时间表
5. NPX传感器特性
1）久经验证的压力传感器 2）8 位 RISC（精简指令）微处理器 3）12 位 ADC 4）4k 字节用户可编程 ROM（E－ROM），4k 字节系统定制 ROM 5）128 字节 RAM 6）128 字节 EEPROM 7）2D 的 LF 输入接口 8）多种唤醒方式：LF、内置定时、外部信号（运动开关）触发 9）运行、空闲、停机和热保护停机 4 种工作状态，便于灵活的能源管理，更有加速度检测传感 器提供当前车辆的运行状态，给能源管理进一步带来了便捷. 10） 11） 12） 压力、加速度、温度和电池电压的测量、补偿和校准，传感器断线检测 兼容轮胎压力介质, 450, 700, 和 1400kPa 绝压压力范围，可以定制量程范围 看门狗/时间间隔定时器
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P15 P11 Downloader & Monitor Interface P17 P14
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XCLK LOCK MODE FN
UHF
MSCL
MSDA
ASIC
4K EROM 8Bit RISC 2D LF Interface 4K ROM 128Byte EEPROM 128Byte RAM Timer Modulator Interrupt Control RC Oscillotor ADC MUX LNA I/O
IN+ INOUT+ OUT-
Pressure Sensor
Power Managemant & Watchdog/Interval Timer
RD IN+ INOUT+ OUT-
Accelerator Sensor
NPX-II
NPX-I
P10
Motion Switch Optional Redundant For NPX-II
图2 NPXI & II的系统功能框图
6. NPX传感器的独特优势
将经过实效验证的压力传感器，通过进一步改进，和一个高效、多功能、低功耗的数字微处 理器封装到了一个14管脚的扁小器件中，对于TPMS中的RTPM模块的设计和应用都有其特有的 优势。 NPXII中，更是将一个经过特殊设计、严格检测的加速度传感器和压力传感器、MCU一起封 装到了一个14管脚的芯片中，使得RTPM模块的设计和应用更加灵活，尤其适合于TPMS中对于 能源管理上的苛刻、严格要求。
6.1 压力、加速度、温度和电压的测量、校准和校验
NPX 中固化了压力、加速度传感器的的测量、补偿和校准程序。每一个 NPX 芯片在生产时， 由工厂在不同温度点（25℃和 75℃） 、不同压力点（满量程的 0%、50%、100%）和不同电池电压 点（2.3V、3.1V）采集 12 组数据，经过 GE NovaSensor 专用的校准公式计算，将补偿和校准参 数保存在 NPX 的 EEPROM 中。在测量时，由固化的压力补偿校准程序自动地对测量的数据进行计 算，获得一个准确的测量值。在生产过程中，每一个 NPX 还将在 25℃和 125℃下进行验证测试， 以保证可靠性。 对温度和电池电压的测量， 也进行类似校准和验证过程， 以保证每一个测量数据精确可靠。 对于 TPMS 开发者， 只需一个调用指令， 即可获得准确的测量数据。 开发者可省去用于建造压力、 温度验证设备的昂贵投资，以及用于 RTPM 模块的校验时间，可以大大简化 RTPM 模块的编程， 加快 TPMS 系统的开发，最终为开发者降低成本，以及在大批量生产时提高单位时间的产量。
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