TPMS(Tire Pressure Monitoring System)，即輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于對(duì)輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、胎溫過(guò)高、胎壓過(guò)低或過(guò)高報(bào)警。更為先進(jìn)的TPMS還可自動(dòng)充氣，確保摩托車始終處于標(biāo)準(zhǔn)氣壓下安全行駛，是保障騎乘者生命安全的主動(dòng)安全系統(tǒng)。本文就TPMS的重要作用、組成及關(guān)鍵技術(shù)做一簡(jiǎn)單介紹，供廣大讀者參考。
1 TPMS的重要作用
車輪既要承受車輛和騎乘者的質(zhì)量引起的高速交變壓縮變形；又要承受路面不平產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷與高頻振動(dòng)；轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎的周向和側(cè)向還要承受扭曲變形。反復(fù)變形，必然產(chǎn)生大量的熱。由4~6層橡膠簾布層壓制而成的現(xiàn)代摩托車輪胎都是熱的不良導(dǎo)體，胎體內(nèi)部熱量難以散發(fā)，胎體內(nèi)部溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升，氣壓迅速升高，簾線應(yīng)力急劇增大，如受到障礙物的猛烈沖擊，輪胎必然斷層爆破，導(dǎo)致爆胎的原因大致有3方面：
a)氣壓不足，使輪胎徑向變形增大，接地面積增加，簾線伸張變形大，胎體溫度迅速升高，不僅導(dǎo)致滾動(dòng)阻力迅速加大費(fèi)油，而且易于導(dǎo)致胎肩異常磨損，使輪胎側(cè)壁彎曲折斷發(fā)生爆裂。如果充氣時(shí)，因氣門嘴有磨損或者存有灰塵導(dǎo)致輪胎慢速泄漏，使輪胎氣壓慢慢降低，也容易引發(fā)爆胎。
b)胎壓過(guò)高，使輪胎失去彈性，減振性能差，大幅度降低騎乘舒適性；而且只有胎面中間部分與路面接觸，抓地力隨之減小，極易導(dǎo)致胎冠異常磨損而爆裂。而且，還可使輪胎潛伏的缺陷在天氣炎熱的夏天或長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)暴露出來(lái)，發(fā)生爆裂，這樣的情形較為多見。
c)輪胎自然漏氣。據(jù)報(bào)導(dǎo)，正常情況下，摩托車輪胎平均每月自然流失8kPa左右，雖然不算很多，但對(duì)大多數(shù)沒有檢查輪胎氣壓習(xí)慣的騎乘者而言，3個(gè)月后便損失了24kPa之多，相當(dāng)于絕大多數(shù)摩托車輪胎規(guī)定氣壓的10%左右，可見充氣輪胎氣壓的慢速漏氣，潛伏極大的爆胎危險(xiǎn)。
TPMS可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力和溫度等指標(biāo)，對(duì)輪胎漏氣、胎溫過(guò)高、氣壓過(guò)低或過(guò)高報(bào)警，以便騎乘者及時(shí)采取有效防范措施，將各種爆胎事故消滅在潛伏期，確保摩托車在行駛過(guò)程中始終處于安全狀態(tài)。此外，TPMS還可延長(zhǎng)輪胎的使用壽命和節(jié)省燃料。實(shí)驗(yàn)表明，車輪氣壓比正常值下降10%，將導(dǎo)致胎肩異常磨損，輪胎使用壽命縮短15%，油耗增加3%以上；如果輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值30%，導(dǎo)致胎肩急劇磨損，輪胎使用壽命將大幅度縮短50%，油耗將大幅度上升10%。反之，如果輪胎氣壓過(guò)高，不僅抓地力下降，而且將導(dǎo)致胎冠異常磨損，輪胎壽命將減少，油耗也會(huì)隨之上升。油耗上升不僅增加使用費(fèi)用，而且增大廢氣排放量，對(duì)環(huán)境的污染加大。
2 TPMS的組成及工作原理
目前，摩托車用TPMS主要分為：主動(dòng)直接式（Active TPMS）和被動(dòng)直接式（Passive TPMS）2種類型。主要區(qū)別是主動(dòng)式TPMS中的輪胎發(fā)射模塊需要電池提供能量，而被動(dòng)式無(wú)需電池。
2．1 主動(dòng)直接式TPMS的組成
主動(dòng)直接式TPMS主要由安裝在輪胎內(nèi)的壓力傳感器、溫度傳感器、信號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，以及安裝在儀表盤附近的RF接收器、數(shù)字信號(hào)處理單元、液晶顯示器（LCD）組成的TPMS接收模塊2大部分組成。
2．1．1 TPMS發(fā)射模塊
其主要由4部分組成：具有壓力、溫度、加速度電壓檢測(cè)和后處理芯片組合的智能傳感器；由4-8位單片機(jī)組成的數(shù)字式微處理器；高性能、長(zhǎng)壽命的鋰電池；發(fā)射天線。
整個(gè)發(fā)射模塊通過(guò)封裝處理后固定在高強(qiáng)度ABS塑料外殼內(nèi)，不僅防水、防潮、防振；而且體積�。ㄍ庑纬叽鐬椋�83mm×29mm×25mm）、質(zhì)量小(40g)，使用溫度范圍廣（滿足-40℃~125℃的汽車級(jí)使用溫度范圍），工作濕度100%，發(fā)射頻率為433.92MHz，電池使用壽命為7年。封裝好的發(fā)射模塊通過(guò)外殼可以非常方便地安裝至無(wú)內(nèi)胎輪胎的輪輞上，從外表上看整個(gè)車輪與普通輪胎完全一樣，所不同的是裝有發(fā)射模塊的車輪必須重新做平衡試驗(yàn)（包括動(dòng)平衡和靜平衡），以確保摩托車的行駛平順性。除此之外，這種發(fā)射模塊目前還暫時(shí)無(wú)法安裝到普通型有內(nèi)胎輪胎中。
a)智能傳感器
智能傳感器是一個(gè)集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器、數(shù)字信號(hào)處理單元和電源管理器的片上系統(tǒng)模塊。輪胎壓力與溫度密切相關(guān)，據(jù)專家試驗(yàn)分析：輪胎溫度每升高1℃，磨損增加2%，一般情況下，溫度不能超過(guò)80℃，當(dāng)溫度達(dá)95℃，輪胎情況就非常危險(xiǎn)，這就是智能傳感器通常都把溫度傳感器也包含進(jìn)來(lái)的道理。為了強(qiáng)化輪胎氣壓檢測(cè)功能，智能傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘、看門狗及其它功能的ASIC數(shù)字信號(hào)處理單元。這些功能芯片使得TPMS智能傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)摩托車行駛中的輪胎壓力和溫度的變化，而且還能實(shí)現(xiàn)摩托車一旦行駛，便立即啟動(dòng)、自動(dòng)喚醒、節(jié)省電能等功能。
例如，K-PRESSURE中的發(fā)射模塊智能傳感器是一個(gè)片上系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部架構(gòu)包括整合了硅顯微機(jī)械加工的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘，以及一個(gè)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），取樣/保持（S/H）、SPI口、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號(hào)處理單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置。整個(gè)發(fā)射模塊智能傳感器采用集成電路工藝將壓力傳感器、加速度傳感器和數(shù)字微處理器3個(gè)分別獨(dú)立的裸芯片做在一個(gè)封裝里。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將輪胎的壓力直接輸入壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成高精密惠斯頓測(cè)量電橋，其測(cè)量精度能達(dá)0.01%~0.03%FS。與此同時(shí)，壓力/溫度導(dǎo)入孔，還將輪胎的溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上，以達(dá)到同時(shí)檢測(cè)輪胎壓力和溫度參數(shù)的變化情況。
b)壓力/溫度信號(hào)的處理與發(fā)射
壓力/溫度信號(hào)經(jīng)智能傳感器模塊內(nèi)的電路處理，通過(guò)其SPI口傳輸給安裝在發(fā)射模塊內(nèi)的信號(hào)處理單元，綜合成數(shù)據(jù)流，進(jìn)入同一封裝內(nèi)的RF發(fā)射器。數(shù)據(jù)流經(jīng)放大器調(diào)制在指定頻率，交由天線發(fā)射。天線采用印制在印刷電路板上的環(huán)狀天線，RF發(fā)射頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92MHz，韓國(guó)為448MHz，意大利倍耐力的發(fā)射頻率為433.92MHz。發(fā)射功率要求在9.5mA時(shí)能輸出7~10dBm。
c)鋰亞電池節(jié)電功能的實(shí)現(xiàn)
由于帶有鋰亞電池的TPMS發(fā)射模塊直接安裝于輪胎之內(nèi)，一旦安裝好后，一般情況下電池均不可能更換，因此，必須保證電池與輪胎具有相同的使用壽命，至少能連續(xù)工作5~7年，故低功耗及省電是非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
為了達(dá)到省電與延長(zhǎng)電池壽命的目的，設(shè)計(jì)師們采取了技術(shù)措施讓系統(tǒng)在大多數(shù)時(shí)間進(jìn)入休眠模式，當(dāng)摩托車行駛或需要激活系統(tǒng)時(shí)，喚醒TPMS系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。目前，采用喚醒功能的主要技術(shù)措施有2種：一種是利用軟件設(shè)定定時(shí)檢測(cè)。在發(fā)射模塊上安置開始工作（Wake-up）芯片，由接收器發(fā)出開始工作訊號(hào)；另一種是在智能傳感器模塊中增加慣性傳感器（Inertial sensor），利用輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)自檢，并可依照行駛速度自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)周期。
2．1．2 TPMS接收模塊
TPMS接收模塊結(jié)構(gòu)主要由RF接收器、信號(hào)微處理器、LCD顯示器3部分組成。RF接收天線接收IC無(wú)線調(diào)制信號(hào)后，經(jīng)RF模擬前端的LAN放大、LPF濾波、ASK/FSK解調(diào)，取出的數(shù)據(jù)流交安裝在同一個(gè)盒子里的信號(hào)微處理器，經(jīng)軟件處理后還原出前后車輪的胎壓、溫度等數(shù)據(jù)供LCD液晶顯示器顯示，并智能辨別系統(tǒng)是否安全，以及提供聲光報(bào)警等。
2．1．3 主動(dòng)直接式TPMS的優(yōu)缺點(diǎn)
主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)已經(jīng)成熟，開發(fā)出來(lái)的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但主動(dòng)式TPMS發(fā)射器模塊需要電池提供動(dòng)力，因此不可避免帶來(lái)一些弊端。如電池壽命有限；當(dāng)氣溫嚴(yán)重降低時(shí)，電池容量受到影響而減少；這使得電池可靠性不夠穩(wěn)定。此外，電池的化學(xué)物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)由于電池的存在很難降低發(fā)射模塊質(zhì)量，安裝了發(fā)射模塊的車輪必須重新配重，重新做平衡試驗(yàn)。
2．2 被動(dòng)直接式TPMS組成
被動(dòng)直接式TPMS與主動(dòng)直接式TPMS的組成結(jié)構(gòu)幾乎相同，所不同的是發(fā)射模塊內(nèi)無(wú)需電池，故此也叫無(wú)電池TPMS。它是用一個(gè)中央收發(fā)器（central transceiver）代替了一般主動(dòng)直接式TPMS中的RF發(fā)射器。這個(gè)收發(fā)器不但能接收信號(hào)，而且可以發(fā)射信號(hào)。其顯著特點(diǎn)是發(fā)射信號(hào)是依靠接收信號(hào)的能量來(lái)發(fā)射的。這就使得安裝在輪胎內(nèi)部的TPMS發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)不需要電池，從而解決了上述因電池所帶來(lái)的種種問(wèn)題。雖然此技術(shù)不用電池供電，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器（Transponder）整合至輪胎中，這牽涉到各輪胎制造商需建立共同的標(biāo)準(zhǔn)才有可能。因此，無(wú)電池TPMS短期內(nèi)還難以流行。
另一種被動(dòng)直接式TPMS是意大利倍耐力集團(tuán)和歐洲許多公司正在努力研制的最新技術(shù)，系統(tǒng)中采用了一種極為先進(jìn)的表面聲波(Surface Acoustic Wave，簡(jiǎn)稱SAW)組件。據(jù)報(bào)導(dǎo)，SAW是由英國(guó)物理學(xué)家瑞利在1885年發(fā)現(xiàn)的，即在彈性晶體表面能發(fā)出某種頻率的表面聲波，也稱為瑞利波（用發(fā)現(xiàn)者的名字命名）。
近年來(lái)，科學(xué)家們利用SAW研制出各種不同的SAW組件，可產(chǎn)生不同的頻率響應(yīng)，廣泛地運(yùn)用于各類通訊領(lǐng)域的振蕩器、諧振器及濾波器等電路中。SAW組件敏感度高，當(dāng)晶體受到擾動(dòng)影響時(shí)，產(chǎn)生的頻率漂移均在數(shù)百kHz，利用目前的檢測(cè)儀器，可精確檢測(cè)到1Hz的微小變化量，正是利用了SAW的這些特性，研究者們?cè)诿總�(gè)輪胎內(nèi)放置3個(gè)SAW組件，然后，以發(fā)射機(jī)發(fā)射RF信號(hào)給SAW。當(dāng)輪胎內(nèi)的壓力或者溫度變化時(shí)，于是SAW發(fā)射回來(lái)的高頻信號(hào)也相應(yīng)變化，天線接收到這些變化了的RF信號(hào)后，再送到DSP進(jìn)行處理，根據(jù)特定的算法就可以知道輪胎內(nèi)的壓力、溫度情況。由于SAW是無(wú)源器件，所以無(wú)需電池。
2．3 TPMS的工作原理
了解了TPMS的組成結(jié)構(gòu)后，其工作原理便顯得較簡(jiǎn)單。當(dāng)摩托車開始行駛時(shí)，安裝在前后車輪內(nèi)的發(fā)射模塊，自動(dòng)喚醒。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)自檢，確定無(wú)故障后，同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)。發(fā)射模塊內(nèi)的智能傳感器按照預(yù)先設(shè)定的程序，自動(dòng)檢測(cè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，傳送至數(shù)字式微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再送入RF發(fā)射器進(jìn)行無(wú)線調(diào)制，最后經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到安裝在摩托車儀表盤附近的接收模塊上。接收模塊天線按照預(yù)先設(shè)定的程序同時(shí)接收前后車輪發(fā)射過(guò)來(lái)的IC無(wú)線調(diào)制信號(hào)，取出數(shù)據(jù)處理還原出前后車輪的胎壓、溫度值，直接顯示在LCD液晶顯示屏上，并智能辨別系統(tǒng)是否安全，以及提供聲光報(bào)警等。
3 TPMS的關(guān)鍵技術(shù)
TPMS涉及惡劣環(huán)境下工作的傳感器、無(wú)線通信、電池壽命、數(shù)據(jù)接收及顯示等多方面的高新技術(shù)，其中最為重要的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)：
a)電池。對(duì)于主動(dòng)直接式TPMS而言，高性能長(zhǎng)壽命電池是極其關(guān)鍵的技術(shù)之一，電池一旦失效，整個(gè)TPMS系統(tǒng)便處于癱瘓狀態(tài)，而失去應(yīng)有的功能。
由于電池放置在輪胎內(nèi)部，在非常惡劣的環(huán)境下工作，通常處于-40℃~+125℃溫度范圍，而傳統(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，因此，首先必須解決電池的耐候性能，確保電池能在-40℃~+125℃溫度范圍內(nèi)正常工作。此外，電池一般情況下不可更換，因而既不能使用體積和重量過(guò)大的電池，又必須具有高可靠性和7~10年的長(zhǎng)使用壽命。
b)智能傳感器。包括壓力傳感器、溫度傳感器和數(shù)字式微型控制器在內(nèi)的智能傳感器是TPMS的核心，工作在劇烈振動(dòng)，環(huán)境溫差、壓力、濕度變化特別大和不便于即時(shí)檢修的條件下，不僅要求體積要小、質(zhì)量小，而且必須具備高可靠性、高穩(wěn)定性、高測(cè)量精度和低功耗。模塊的設(shè)計(jì)要按軍品要求選用元器件，按高檔電子產(chǎn)品要求制訂嚴(yán)格生產(chǎn)工藝規(guī)程，并100%驗(yàn)收。
c)RF發(fā)射器。目前TPMS的工作模式有ASK（振幅變換調(diào)制）和FSK（頻率變換調(diào)制）2種。據(jù)報(bào)導(dǎo)，目前的主要問(wèn)題集中在RF射頻上，由于輪胎對(duì)射頻的屏蔽作用，再加上輪胎的高速旋轉(zhuǎn)，TPMS產(chǎn)品RF的設(shè)計(jì)將面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)檫^(guò)去的RF產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本都是處于平面的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，因而，不僅要解決RF旋轉(zhuǎn)發(fā)射的問(wèn)題，而且要提升發(fā)射功率，使發(fā)射功率盡可能大，這是確保TPMS高性能的關(guān)鍵之一。但發(fā)射功率又不能超過(guò)10dBm，否則要接受無(wú)線電管制。除此之外，抗干擾性能要好，外型尺寸要盡可能小。
d)天線。RF發(fā)射天線是提升發(fā)射功率的關(guān)鍵，RF接收天線是提高接受靈敏度的關(guān)鍵，標(biāo)稱靈敏度要達(dá)到-100dBm以上。天線技術(shù)涉及天線的幾何形狀、材料、介質(zhì)等諸多因素。e)成本。努力降低成本，提高性能/價(jià)格比是用戶接受與否的關(guān)鍵。汽車用TPMS只占汽車總成本的很小一部分，如果按照現(xiàn)有汽車用TPMS的價(jià)格來(lái)制訂摩托車用TPMS的價(jià)格，顯然，摩托車用戶是無(wú)法接受的，摩托車TPMS技術(shù)將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法發(fā)展起來(lái)的。
