GE TPMS汽车轮胎压力监测系统
TPMS(Tire Pressure Monitoring System)即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)，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)。  
1、TPMS系统分类
目前，TPMS主要分为两种类型：间接式TPMS、直接式TPMS。

其中，间接式TPMS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。
  
直 接式TPMS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：RTPM模块(Remote Tire Pressure Monitoring Module)和中央接收模块。 

(1)RTPM模块

RTPM 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)模块双向通信途径 

目前两个模块双向通信的途径包括：中央接收模块发送低频载波信号给RTPM模块；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；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) 低频信号接口：通过该低频(LF)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公司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。

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/ 编程器将程序到器件的4k用户可编程空间中。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。

在 2005年4月，GE在中国和同步推出一代TPMS智能传感器NPXII。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，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，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，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。


5、NPX传感器的特点

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。

(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。 

(2)系统固化程序

系统固化程序，放置在4K字节的ROM空间中。该空间除执行传感器芯片自动初始化设置过程外，还提供给用户压力、温度、加速度及电压等补偿检验运算函数之外，还有其他诸如低频唤醒信号的接收、EEPROM的操作等许多有用的程序。

离开系统固化程序，用户需要进行诸多复杂的测试以及编程才可能解决补充运算等步骤。为了能够提供给用户更加可靠高效的编程环境，GE对系统固化程序作了大量的优化和测试验证。现在，只要简单的调用即可得到非常理想的结果，简化了用户的程序，提高的系统编程的效率。

系统固化程序列表在GE提供给用户的说明手册中，另外还有详细的对照表等可以参考使用。

(3)传感器断线检测/过热保护

TPMS 系统的压力传感器和加速度模块是在极端条件的环境下工作的，如高温(100℃以上)、低温(-40℃)、水汽(低温冷凝水结冰，GE NPX传感器具有独特的抗冷凝水结冰功能)、旋转加速度(可达2000g)、振动冲击等情况。GE NPX在设计时就从硬件和软件上考虑到了这点。在每次压力和加速度测量后，系统程序都会采用一段内置代码对传感器的健康状态进行检测，以保证测量结果的可 信度。这样就可以在传感器发生故障时，及时地发出警告信号，限度地保证驾驶者的安全，同时对TPMS产品的设计和制造方提供了一种安全保证。

NPX 的正常工作温度范围为-40℃～125℃。过热保护功能，一方面提高了器件工作过程中数据的正确性，另一方面对于RTPM模块的器件起到了保护作用。作为 宽温器件的NPX传感器，如果在极端高温的工作条件下，RTPM的工作能耗就会相应增加。NPX检测到温度过高时，就可以在将温度等状态通过RF发射给接 收端以后，再及时将关键的部件关闭，进入到超温保护模式下。

在超温情况下，除了温度比较电路部分外，NPX可以将所有的片上资源都关闭，这样即使在极端的情况下，NPX也尽可能地节省能量。

当温度恢复到正常范围之内后，NPX传感器将再次进入正常工作模式。NPX可以通过检测相应的寄存器标志位来检测是否是从超温保护模式下恢复的，并且将该状态通过RF发射给接收端。

(4)加速度传感器/内部时钟唤醒/外部管脚输入唤醒/LF唤醒

NPXII中集成了除压力传感器、MCU外，还有一个经过了严格测试校验的加速度传感器。一般而言，RF信号的发送，占据了RTPM模块能耗的90%以上，因此在不是必要的情况下，需要控制RF信号的发送次数，以达到节能的目的，提高RTPM模块的使用寿命。

NPX 智能传感器提供给了用户更多的能源管理资源。在没有加速度传感器的情况下，基本的模式是可以通过内部自动唤醒时钟的设置来控制RTPM传感器工作模式的切 换(停机状态、工作状态、空闲模式以及超温保护模式)；另外，在软件上，通过比较温度、压力，根据压力或温度的不同范围设定传感器进行ADC转换以及RF 发射信号的间隔时间。NPXI & II有两个IO管脚可以作为外部唤醒信号输入端口，这样给专门的运动开关提供了必要的接口。

当 使用运动开关时，车轮转动产生的离心加速度对应一定的行驶速度，当形式到一定速度以上时，即可触发运动开关产生ON或者OFF信号。将该信号通过唤醒信号 管脚中的一个或者两个输入，一方面是在电平变化时作为唤醒之用，另一方面是作为车辆运行状态检测之用(对于NPXII而言，外部唤醒信号是作为一个冗余的 附加功能选用的)。这部分功能可以和压力、温度控制过程配合使用。但是这种运动开关只输出ON/OFF两个信号，一旦开关型号确定，所安装之后的车辆运行 速度，也会根据RTPM模块的安装位置而随之确定。

NPXI & II还有一个2D的低频(LF)信号接收端口。利用该端口，NPX不仅可以从停机状态或者空闲状态中被唤醒进入工作状态，而且还可以利用LF端口接收LF发送端传输的数据或指令。

通 过LF唤醒方式，TPMS系统可以通过发送低频的载波信号及指令，在任何需要的时候主动唤醒RTPM模块或发送数据给RTPM模块，RTPM模块根据指令 来发送相应的数据或者根据接收到的数据进行相应的设置。例如在刚刚发动汽车时，用户即可利用LF信号将RTPM模块唤醒，返回各个轮胎的压力温度数据(甚 至包括备用胎的数据)，而不必等到汽车开到几十公里时速后才能获得(有运动检测开关或者加速度传感器)。在不需要的时候，可以让RTPM模块一直处于不发 射RF信号或者尽快进入低功耗状态，从而限度地降低RTPM模块的电量消耗，延长电池的使用寿命。

利用LF接口，可向RTPM模块传送数据，对RTPM模块进行参数设定；同时RTPM模块通过高频RF信号进行应答，从而实现外部中央监视器与RTPM模块的双向数据通讯。

LF 方式还可以实现其它唤醒方式所不具有的功能：自动轮胎定位功能。一般TPMS系统在安装时，需要将标有轮胎位置信息的RTPM模块安装在相应的轮胎里，如 “FL”须安装在左前轮里，“FR”安装在右前轮里。不能装错，否则系统显示的轮胎压力与实际位置不符。在进行轮胎的位置置换保养后，需要对TPMS系统 的参数重新进行设置，以使系统能够正确反应更改后的轮胎位置。由于LF信号(125kHz)的近场效应，设计时可以控制低频信号的发送接收范围，因此 TPMS系统可以通过单独触发各个RTPM模块，收集每个RTPM模块的身份识别码(每个NPX传感器有一个的32位ID标识码)，从而非常方便地确 定RTPM模块的所在轮胎位置。

同样TPMS系统通过单独触发各个RTPM模块，可以依次收集各个轮胎的数据，避免定时随机方式可能发生的数据发送“撞车”事件，提高了数据发送成功率。如果由于各种干扰因素，某次数据发送失败，中央监视器可以让RTPM模块再次发送，确保数据100%的可靠传输。

由 于LF信号的使用所增加的成本，以及为发送LF低频信号所需的相应的设计、布线等带来的一系列问题，很多设计者把运动检测作为RTPM模块的一个重要附加 功能。NPX集成了加速度传感器后，由于检测到的加速度值是连续值，设计者可以根据当前的实际应用情况来判断车辆的运行情况，并根据该判断来决定RF发射 的规律。在以后的设计中，不需要更改其他器件，而只要根据实际情况修改需要的阈值，就可以将源代码使用到新的场合中。

在GE以后的RTPM传感器中，将使用无源方式自供电的形式，那么对于能源的使用就不会象现在这样必须处处考虑了。


6、TPMS演示系统

为了能更好地帮助客户理解和开发TPMS系统，并展示NPX的各项性能，GE开发了一套TPMS演示系统。演示系统分为硬件和软件两大部分。硬件主要由4～5个NPX-RTPM模块、RF接收/LF发送模块以及PC机组成。

相应的软件也存在于各个硬件模块和PC机中。RTPM模块中的软件部分主要完成压力、温度和电压的检测，并通过RF高频部分将数据以及模块的ID号传送回RF接收/LF发送模块；RF接收/LF发送模块通过串口和PC机相连，PC机接收其传回的数据并显示。


7、NPX开发工具

NPX 在初期开发时，提供了用户可编程的传感器，类似于Flash的E-ROM可编程空间可以承受无损擦写1万次以上，完全满足了用户对器件开发和升级的需要。 用户在对NPX进行开发的时候，需要有一套开发设备套件，该套件可以进行软件的编辑、编译、、单步调试以及全速运行等一系列操作。

开发套件的硬件部分为U-DDB(OM6713)。为方便用户批量使用E-ROM版本的NPX传感器，GE将提供快速便捷的并行工具。在发送给用户的资料中将包括一个文件列表以及文档内容的简要说明，并将和产品研发中心同步更新。