1 TPMS的重要作用

車輪既要承受車輛和騎乘者的質量引起的高速交變壓縮變形；又要承受路面不平產生的沖擊負荷與高頻振動；轉向時輪胎的周向和側向還要承受扭曲變形。反復變形，必然產生大量的熱。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體，胎體內部熱量難以散發(fā)，胎體內部溫度短時間內急劇上升，氣壓迅速升高，簾線應力急劇增大，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，不僅導致滾動阻力迅速加大費油，而且易于導致胎肩異常磨損，使輪胎側壁彎曲折斷發(fā)生爆裂。如果充氣時，因氣門嘴有磨損或者存有灰塵導致輪胎慢速泄漏，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時間行駛時暴露出來，發(fā)生爆裂，這樣的情形較為多見。

c)輪胎自然漏氣。據(jù)報導，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，但對大多數(shù)沒有檢查輪胎氣壓習慣的騎乘者而言，3個月后便損失了24kPa之多，相當于絕大多數(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。

TPMS可以實時監(jiān)測輪胎壓力和溫度等指標，對輪胎漏氣、胎溫過高、氣壓過低或過高報警，以便騎乘者及時采取有效防范措施，將各種爆胎事故消滅在潛伏期，確保摩托車在行駛過程中始終處于安全狀態(tài)。此外，TPMS還可延長輪胎的使用壽命和節(jié)省燃料。實驗表明，車輪氣壓比正常值下降10%，將導致胎肩異常磨損，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準氣壓值30%，導致胎肩急劇磨損，輪胎使用壽命將大幅度縮短50%，油耗將大幅度上升10%。反之，如果輪胎氣壓過高，不僅抓地力下降，而且將導致胎冠異常磨損，輪胎壽命將減少，油耗也會隨之上升。油耗上升不僅增加使用費用，而且增大廢氣排放量，對環(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：主動直接式（Active TPMS）和被動直接式（Passive TPMS）2種類型。主要區(qū)別是主動式TPMS中的輪胎發(fā)射模塊需要電池提供能量，而被動式無需電池。

2．1 主動直接式TPMS的組成

主動直接式TPMS主要由安裝在輪胎內的壓力傳感器、溫度傳感器、信號處理單元、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、加速度電壓檢測和后處理芯片組合的智能傳感器；由4-8位單片機組成的數(shù)字式微處理器；高性能、長壽命的鋰電池；發(fā)射天線。

整個發(fā)射模塊通過封裝處理后固定在高強度ABS塑料外殼內，不僅防水、防潮、防振；而且體積�。ㄍ庑纬叽鐬椋�83mm×29mm×25mm）、質量小(40g)，使用溫度范圍廣（滿足-40℃~125℃的汽車級使用溫度范圍），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)射模塊通過外殼可以非常方便地安裝至無內胎輪胎的輪輞上，從外表上看整個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（包括動平衡和靜平衡），以確保摩托車的行駛平順性。除此之外，這種發(fā)射模塊目前還暫時無法安裝到普通型有內胎輪胎中。

a)智能傳感器

智能傳感器是一個集成了半導體壓力傳感器、半導體溫度傳感器、數(shù)字信號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，據(jù)專家試驗分析：輪胎溫度每升高1℃，磨損增加2%，一般情況下，溫度不能超過80℃，當溫度達95℃，輪胎情況就非常危險，這就是智能傳感器通常都把溫度傳感器也包含進來的道理。為了強化輪胎氣壓檢測功能，智能傳感器模塊內還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內部時鐘、看門狗及其它功能的ASIC數(shù)字信號處理單元。這些功能芯片使得TPMS智能傳感器不僅能實時檢測摩托車行駛中的輪胎壓力和溫度的變化，而且還能實現(xiàn)摩托車一旦行駛，便立即啟動、自動喚醒、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片上系統(tǒng)模塊，其內部架構包括整合了硅顯微機械加工的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計、電池電壓檢測、內部時鐘，以及一個包含模數(shù)轉換器（ADC），取樣/保持（S/H）、SPI口、校準、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號處理單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進行配置。整個發(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個分別獨立的裸芯片做在一個封裝里。在封裝的上方留有一個壓力/溫度導入孔，將輪胎的壓力直接輸入壓力傳感器的應力薄膜上，周邊固定的圓形應力薄膜由半導體應變片組成高精密惠斯頓測量電橋，其測量精度能達0.01%~0.03%FS。與此同時，壓力/溫度導入孔，還將輪胎的溫度直接導入半導體溫度傳感器上，以達到同時檢測輪胎壓力和溫度參數(shù)的變化情況。

b)壓力/溫度信號的處理與發(fā)射

壓力/溫度信號經智能傳感器模塊內的電路處理，通過其SPI口傳輸給安裝在發(fā)射模塊內的信號處理單元，綜合成數(shù)據(jù)流，進入同一封裝內的RF發(fā)射器。數(shù)據(jù)流經放大器調制在指定頻率，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)射頻率北美標準為315MHz，歐洲標準為433.92MHz，韓國為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時能輸出7~10dBm。

c)鋰亞電池節(jié)電功能的實現(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，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計指標。

為了達到省電與延長電池壽命的目的，設計師們采取了技術措施讓系統(tǒng)在大多數(shù)時間進入休眠模式，當摩托車行駛或需要激活系統(tǒng)時，喚醒TPMS系統(tǒng)自動進入工作狀態(tài)。目前，采用喚醒功能的主要技術措施有2種：一種是利用軟件設定定時檢測。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；另一種是在智能傳感器模塊中增加慣性傳感器（Inertial sensor），利用輪胎運轉時的轉動慣量自動進入系統(tǒng)自檢，并可依照行駛速度自動調整檢測周期。

2．1．2 TPMS接收模塊

TPMS接收模塊結構主要由RF接收器、信號微處理器、LCD顯示器3部分組成。RF接收天線接收IC無線調制信號后，經RF模擬前端的LAN放大、LPF濾波、ASK/FSK解調，取出的數(shù)據(jù)流交安裝在同一個盒子里的信號微處理器，經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，以及提供聲光報警等。

2．1．3 主動直接式TPMS的優(yōu)缺點

主動式技術的優(yōu)點是，技術已經成熟，開發(fā)出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎，但主動式TPMS發(fā)射器模塊需要電池提供動力，因此不可避免帶來一些弊端。如電池壽命有限；當氣溫嚴重降低時，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，電池的化學物質也會導致環(huán)境問題，同時由于電池的存在很難降低發(fā)射模塊質量，安裝了發(fā)射模塊的車輪必須重新配重，重新做平衡試驗。

2．2 被動直接式TPMS組成

被動直接式TPMS與主動直接式TPMS的組成結構幾乎相同，所不同的是發(fā)射模塊內無需電池，故此也叫無電池TPMS。它是用一個中央收發(fā)器（central transceiver）代替了一般主動直接式TPMS中的RF發(fā)射器。這個收發(fā)器不但能接收信號，而且可以發(fā)射信號。其顯著特點是發(fā)射信號是依靠接收信號的能量來發(fā)射的。這就使得安裝在輪胎內部的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的種種問題。雖然此技術不用電池供電，但是它需要將轉發(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準才有可能。因此，無電池TPMS短期內還難以流行。

另一種被動直接式TPMS是意大利倍耐力集團和歐洲許多公司正在努力研制的最新技術，系統(tǒng)中采用了一種極為先進的表面聲波(Surface Acoustic Wave，簡稱SAW)組件。據(jù)報導，SAW是由英國物理學家瑞利在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，科學家們利用SAW研制出各種不同的SAW組件，可產生不同的頻率響應，廣泛地運用于各類通訊領域的振蕩器、諧振器及濾波器等電路中。SAW組件敏感度高，當晶體受到擾動影響時，產生的頻率漂移均在數(shù)百kHz，利用目前的檢測儀器，可精確檢測到1Hz的微小變化量，正是利用了SAW的這些特性，研究者們在每個輪胎內放置3個SAW組件，然后，以發(fā)射機發(fā)射RF信號給SAW。當輪胎內的壓力或者溫度變化時，于是SAW發(fā)射回來的高頻信號也相應變化，天線接收到這些變化了的RF信號后，再送到DSP進行處理，根據(jù)特定的算法就可以知道輪胎內的壓力、溫度情況。由于SAW是無源器件，所以無需電池。

2．3 TPMS的工作原理

了解了TPMS的組成結構后，其工作原理便顯得較簡單。當摩托車開始行駛時，安裝在前后車輪內的發(fā)射模塊，自動喚醒。當系統(tǒng)通過自檢，確定無故障后，同時進入工作狀態(tài)。發(fā)射模塊內的智能傳感器按照預先設定的程序，自動檢測輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，傳送至數(shù)字式微處理器進行數(shù)據(jù)處理，再送入RF發(fā)射器進行無線調制，最后經發(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先設定的程序同時接收前后車輪發(fā)射過來的IC無線調制信號，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，以及提供聲光報警等。

3 TPMS的關鍵技術

TPMS涉及惡劣環(huán)境下工作的傳感器、無線通信、電池壽命、數(shù)據(jù)接收及顯示等多方面的高新技術，其中最為重要的關鍵技術有以下幾點：

a)電池。對于主動直接式TPMS而言，高性能長壽命電池是極其關鍵的技術之一，電池一旦失效，整個TPMS系統(tǒng)便處于癱瘓狀態(tài)，而失去應有的功能。

由于電池放置在輪胎內部，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℃低溫時喪失電能，在+100℃高溫時會自動放電，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大的電池，又必須具有高可靠性和7~10年的長使用壽命。

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的智能傳感器是TPMS的核心，工作在劇烈振動，環(huán)境溫差、壓力、濕度變化特別大和不便于即時檢修的條件下，不僅要求體積要小、質量小，而且必須具備高可靠性、高穩(wěn)定性、高測量精度和低功耗。模塊的設計要按軍品要求選用元器件，按高檔電子產品要求制訂嚴格生產工藝規(guī)程，并100%驗收。

c)RF發(fā)射器。目前TPMS的工作模式有ASK（振幅變換調制）和FSK（頻率變換調制）2種。據(jù)報導，目前的主要問題集中在RF射頻上，由于輪胎對射頻的屏蔽作用，再加上輪胎的高速旋轉，TPMS產品RF的設計將面臨較大的技術挑戰(zhàn)。這是因為過去的RF產品設計基本都是處于平面的無線數(shù)據(jù)傳輸，因而，不僅要解決RF旋轉發(fā)射的問題，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高性能的關鍵之一。但發(fā)射功率又不能超過10dBm，否則要接受無線電管制。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)射功率的關鍵，RF接收天線是提高接受靈敏度的關鍵，標稱靈敏度要達到-100dBm以上。天線技術涉及天線的幾何形狀、材料、介質等諸多因素。

e)成本。努力降低成本，提高性能/價格比是用戶接受與否的關鍵。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的價格來制訂摩托車用TPMS的價格，顯然，摩托車用戶是無法接受的，摩托車TPMS技術將在較長一段時間內無法發(fā)展起來的。