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美国新颁布的公路安全法规,使TPMS一跃而成汽车行业发展最为迅猛的领域。目前的TPMS系统可分为两类:直接TPMS和间接TPMS。直接TPMS在每个轮胎内都设有胎压传感器,这些传感器通过射频(RF)信号将压力和其他信息传送到中央接收器里;而间接TPMS没有压力传感器,需要依靠ABS系统内的速度传感器来侦测和比较轮胎转速的不同。间接TPMS无法满足美国TREAD法案对精确度的要求,该法案规定即使轮胎充气率达80%以上,TPMS系统也必须可以监测得到。直接TPMS成本虽然更高,但精确度也更高,此外,它还可以监测并显示轮胎的温度,无论轮胎漏气严重与否都会发出警报。并且能够实现零速度测量和多轮胎亏气情况探测。
飞思卡尔半导体中国区汽车电子业务拓展经理康晓敦表示:胎压监测需通过无线传输来完成,因此无线传输的可靠性及其抗干扰性是TPMS设计时的一大挑战。另外,大多数汽车生产商现在都要求直接TPMS的电池使用寿命能维持7到10年。要达到这个要求,每个组件必须提供电流极低的备用或闲置模式,以及高效的测量和传输硬件等。除了能耗问题以外,体积过大的笨重电池肯定不是合适之选。为了安装方便,轮胎端模块须保证尺寸足够小。
基于上述要求,对半导体芯片提出的新要求是:高度集成化(单芯片方案)、无线发射和接收准确(双向),可以识别汽车是在运动还是静止(加速度传感器),当然对轮胎压力和温度的测量也是必不可少的。将以上所有功能集成于一个封装内是TPMS的未来发展方向。
飞思卡尔推出的MPXY8020轮胎压力监控传感器由电容压力传感元件、温度传感元件、具有唤醒功能的接口电路组成,所有这些元件都在一个芯片上。该芯片封装在薄型小尺寸封装中。凭借SSOP的小巧尺寸和增强的介质保护功能,MPXY8020成为阀杆、轮胎安装式TPMS远程传感器模块的最佳打包解决方案。
不过,汽车电子产品有其独特性,这些设备必须能在严格的行驶条件下达到100%的可靠性,同时又要保证它的低成本。NXP半导体的张焕麟提出,除了可靠性,成本也是TPMS设计须考虑的重要因素之一。有市场趋势显示,车主和购车者并不愿意为TPMS支付额外的成本,因此,在美国已有汽车制造商开始部署非常简单的TPMS系统来响应这一市场需求。
NXP的P2SC芯片是TPMS系统后集成模块的重要元件,通常包含一个UHF接收器模块,及4到5个后集成模块(视是否使用备胎而定)。芯片本身包含一个8位RISC控制器、一个承载设备固件的ROM或闪存模块、一个存储客户应用的ROM模块、一个存储设备刻度数据和不同客户特殊数据的EEPROM、一个片上温度传感器、一个连接胎压传感器和加速传感器等外部传感器的接口、一个对外部传感器测量内容进行数字化的模数转换器、一个唤醒系统的LF接口等其它必要的元件。NXP正在开发的第二代P2SC芯片将直接集成UHF传输器,可调节传输的波特率、承载信号频率和输出信号功率,而不需要改变任何硬件。这样,TPMS系统的功耗和生产成本都将大大降低。
作为被动安全的另一个重要组成:传统安全气囊的设计已经比较成熟。实际上,设计难点已经转向加速度信号的采集,处理和碰撞时安全气囊打开的算法等。这些在系统设计方面基本已无难度,难的方面在于如何根据不同车辆进行匹配与标定。当然占位检测问题也需要解决。据康晓敦介绍,飞思卡尔半导体基于高性能Flash技术的MCU配以多轴的加速度传感器,可以帮助用户更快地进行信号的采集、处理、分析。并可记录行车时的实际信息,缩短用户的设计周期。另外,该公司基于电磁场感应的占位检测传感器,可以大大提升整个安全气囊的性能。
汽车防盗系统主要包括被动无钥门禁(PKE)、遥控门禁系统(RKE)和发动机防盗锁止系统。目前应用得比较广泛的是RKE系统:只要按下电子钥匙上的按钮,该系统就可以关闭或打开车门,它还集成了防盗锁止系统。而被动无钥门禁更为方便,只需拥有一个有效的应答器就可方便地进出车辆。
以往,由防盗器提供授权码来启动引擎与遥控车门的功能是分开独立运作的。NXP半导体率先推出将以上两种功能集成在一颗单芯片上的应答器,其拥有的HITAG2+车用遥控门锁应答器(PCF7946),结合了现有HITAG器件(PCF7936)经过验证的防盗安全功能以及遥控门锁的便利性。另外,该公司最新开发出的双向智能钥匙还能够提供更高的防盗性能。藉由双向身份验证或相互交叉验证技术,汽车遥控门锁可以轻易地加入汽车防盗系统中,提高客户使用汽车的便利性。
张焕麟对双向智能钥匙的优势进行了总结:其一是更易于使用。双向钥匙可通过LED或LCD显示屏在钥匙上显示汽车的状态,从而确认汽车是否已经上锁,引擎是否仍在运转。与传统RKE系统相反的是,用户可以按下按钮锁死钥匙,这样,有关汽车的信息会通过喇叭或者闪光灯传递给用户。另一个优势就是安全性大大增强。传统的单向钥匙向汽车传输信号时,面临着被截获或攻击的危险。而使用双向解决方案时,用户可以利用“攻击—反应”等加密安全运算法则对钥匙和汽车间的传输数据进行加密。
Atmel公司的汽车RF高级市场经理Marcel Hennrich对此亦有认同,他认为遥控门禁系统既可以是一个单向解决方案,也可以是一个双向解决方案,现在Atmel已经在现有汽车平台上实现了这两种解决方案,到底采用哪种解决方案取决于汽车制造商的选择。即将推出的双向RF链路解决方案具有一个反馈通道,用来接收密钥卡(key fob)上的反馈信息,例如闪烁的LED或显示器上的开关指示。但双向解决方案的劣势在于其成本更高。
Microchip公司汽车产品部门经理Willie Fitzgerald则指出,考虑到持续的成本压力,TPMS和被动无钥门禁系统之间的相似性使它们可以共享一些通用组件。例如,它们可以共享RF接收器来实现面向密钥的传输,共享轮胎中传感器/发送器单元的胎压监测。用来产生磁场激活压力传感器的天线线圈还可以用来激活PKE密钥。Microchip推出了适用于智能化125kHz低频无线识别应用的独立模拟前端(AFE)器件MCP2030。这一新款模拟前端器件配备三通道的应答器,具有可编程天线调节功能,调制深度低至8%。该器件适用于被动无钥门禁、胎压监测系统、数据采集及其它无线识别应用。
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