在美国国会通过《关于加强运输设备召回、责任确定和文件记录法案》（TREADAct）后，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）制定了要求相关车辆加装胎压监测系统（TPMS）的机动车安全新标准。巨大的市场潜在需求量，使TPMS成为汽车行业发展中最令人瞩目的一个领域。本文针对直接式TPMS的应用，从传感器内部的各个功能环节系统介绍了通用电气(GE)为全球TPMS提供的两款高性能传感器（NPX-I、II）及其应用设计。

汽车轮胎压力监测系统（TPMS）主要用于汽车行驶过程中监测轮胎气压，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。压力监测有直接和间接方式两种，直接方式更加准确、可靠。早在2000年美国TREAD法案制定之前，TPMS就在某些高档的汽车型号中得到了应用。

从1995年开始，GENovaSensor 就开始为TPMS提供压力传感器（如NPP301），至今已有超过2000万片的压力传感器在汽车轮胎中使用，其失效率仅为1ppm（百万分之一）。在TPMS领域拥有10年成功经验的GE，通过与全球大客户的广泛合作，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。在TPMS传感器领域，GENovaSensor始终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的第二代高性能、高集成度的TPMS传感器NPX-I开始批量供货。NPX-I集成了MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术生产的硅压力传感器，以及温度、电压传感器、低功耗8位RISC微处理器，同时该款传感器拥有丰富的外围接口以满足不同的设计要求。

在2005年4月，GE在中国和全球同步推出最新一代TPMS传感器——NPX-II，从而使得在中国的TPMS研发与国外站在了同一个起跑线上。该型传感器在NPX-I的基础上，更是集成了MEMS加速度传感器。该加速度传感器可替换外围运动开关，从而简化了设计，提高了可靠性，降低了成本；另外，NPX-I和II的开发环境保持了兼容性。

针对用户不同的开发阶段和应用情况，GE为初期设计和用量相对较小的用户提供了可编程版本的传感器；大批量需求的用户，可以由GE为其提供掩模ROM工艺进行生产，以进一步降低成本。

NPX-I和II的功能框架图（左）及实际封装图（右）

NPX-I和II的组成及应用说明

从图1（右）中可以看出，尽管NPX-II比NPX-I从结构上多了加速度传感器，但仍保持了封装大小的统一性。GE的MEMS技术确保了产品在高集成度的情况下仍然可以做到小尺寸、高性能、低功耗。以下对NPX-I和II的内核部分的功能进行说明，并且针对外围RF芯片的控制、调制发送作必要补充。

1. RISC控制器模块

该控制器使用内部RC振荡电路产生可在运行中重新设置的运行系统时钟（System Clock），因此MCU运行时不需要外部晶振提供时钟。运行速度可从125kHz到2MHz间进行设置，时钟越慢，控制器的功耗越低，然而有时也需要更快的速度来处理某些事务，例如，RF调制输出时，为减少比特之间的时间误差，一般都设置为2MHz的时钟运行。由于微控制器采用了2阶的取指管道结构，在运行当前指令时，下一个指令同时被读取备用，因此可以每个时钟周期执行一条单周期指令的方式高速运行，由此在编程过程中也需要对一些特殊事件之间的处理特别留意。

在可编程版本的传感器中，有4k字节的E-ROM可供用户下载、调试应用代码，可确保重复使用1万次以上。程序的下载通过专用控制口线与开发工具连接进行，有异步和同步下载两种方式。另外有4k字节的ROM，存放了传感器在启动运行时的设置代码，以及GE提供给用户进行压力、加速度、温度等补偿运算的固化函数，甚至包括了调制RF输出信号的函数。由此用户关注的只是程序的流程而已，几乎所有的运算都无需用户另外编程。

128字节的RAM分别用作R0～R7的通用寄存器、特殊功能寄存器（SFR）和用户可使用的RAM等。超出128字节外的还包括了堆栈寄存器以及待扩展的部分等。

128字节的EEPROM共分为32页，每页4个字节，存放了一些重要的配置参数、进行补偿运算使用的参数等，其中在第28页还包括了该芯片具有的唯一32位序列号。该序列号可以被用作RF发射过程中区别各个模块的编号，用户也可以使用自己设定的模块编号方式。通过调用固化函数，用户可以对EEPROM相关地址处进行字节/位读写操作。

尽管传感器内核部分有更多的I/O口可供使用，NPX-I和II根据TPMS的实际应用只选用了其中5个I/O口作为与外围设备的接口，分别是P10、P11、P14、P15和P17。所有的I/O口在输出模式时都是推挽式输出。其中P10和P11有内部的可配置的上拉、下拉电阻，而其余的则可根据需要在外部布置上拉或者下拉电阻以确保在输入状态时的输入管脚信号。当P10和P11在输入状态时，如果外部信号出现由高到低的变化，将使传感器由待机状态转入运行状态。

P14和P17可作为通用I/O，但主要用于RF调制输出控制。可单独使用其中一个，而另一个则可作为通用I/O。当和计时器（Timer0）、数字调制寄存器（MODCON）配合使用，并调用相关函数时，对于RF发射控制和调制输出的设置工作可以大为减少。

2. ADC接口

ADC电路在进行压力、加速度以及温度检测时，使用了比率电路进行采样和转换，因此较一般的使用参考电平进行ADC转换更加节电，同时降低了成本。压力传感器以及加速度传感器通过多路传输通道MUX2接入转换电路。

对于压力、加速度、温度以及电压的ADC转换以及补偿运算部分，用户只需简单调用固化函数即可得到满足要求的值，而无需关心是如何实现的。GE在提供的固化函数中，对转换功耗和补偿运算时间已经作了优化，并且在提供给用户的文档中有详细的说明。由于所有这部分电路都包含在传感器的封装中，因此用户的电路设计不涉及到传感器的连接和布线。ADC电路在工作过程中始终以2MHz的速度进行采样和转换。

GE的TPMS传感器特殊之处还在于，在每次进行压力或者加速度传感器的转换及运算之后，函数还进行传感器的故障检测，并通过特定字节返回当前传感器状态和补偿值。在NHTSA制定的法规中，就可以找到要求TPMS进行故障检测及报警功能的要求。

NPX-I和II的特点还在于压力传感器的宽温范围内（-40°～125°）的高线性度，加上GE提供的特有固化函数进行补偿运算，提供给用户的绝对压力值误差不超过满量程的±3.1%（8位输出），局部可以达到±1.2%。此外，GE还有不同压力范围的传感器供用户选用，用户甚至可以根据设计应用进行产品定制。

ADC电路原理图

3. 能源管理模块

由于TPMS传感器部分安装位置处于轮胎内部，因此在安装后进行保养和维修本身就存在一定难度，而且传感器模块都灌注在成型模中，一次性使用，因此有提出10年左右的使用寿命的要求。大容量的电池对使用寿命固然非常重要，但是如果传感器模块缺乏一种高效的能源管理机制，就很难满足长时间的工作要求。综合来讲，就是需要选用容量大的适用电池、启动时间短及低功耗高效的RF发射芯片、合理的天线和阻抗匹配设计，灵活高效的传感器程序控制流程设计。GE的NPX-I和II给用户提供了充分的资源用于管理和控制传感器的功耗。

NPX-I和II在正常工作时有三种状态：待机状态（POWERDOWN）、运行状态（RUN）和空闲状态（IDLE）。可以通过相应的指令在这三个状态中进行切换，同时控制器中某些功能机制会强制使得整个模块进入某种特定状态，如在环境温度过高时，可进入超温保护模式（TEMPERATURESHUTDOWN）。

代码下载后一旦供电，传感器即根据程序流程进入状态切换过程中。其中待机状态和超温保护状态是低功耗状态，此时外围电路也应成为低功耗状态；而运行状态和空闲状态是传感器功耗相对较高状态，尤其是在发射RF信号时，整个模块功耗达到最大。程序的控制就是要在满足使用要求的情况下，尽可能地让传感器模块进入待机状态。其中超温保护状态是在胎内环境温度过高情况下为保护整个模块及降低功耗时才可以进入的状态，正常情况无法进入。

为使传感器从待机状态进入运行状态，NPX-I和II有多种唤醒信号可供使用：

□ 内部间隔时钟唤醒，该时钟（Interval Timer）可以在运行过程中重新设置，间隔0.5～4s不等，计时溢出即可唤醒设备；

□ 外部管脚信号唤醒，通过P10或者P11在输入状态时的从高到低的电平变化产生的信号唤醒设备；

□ 2D的低频信号（LF）接口接收到预设的唤醒代码方式唤醒或者载波侦听方式唤醒；

□ LF接口使能后计时器溢出唤醒，该计时器（LF Timer）可以设置为20～100ms不等计时方式；

□ 在超温保护状态下，当温度降到可正常工作范围内时产生的信号也可将设备唤醒。

内部看门狗（WDT）如果不及时清空，则在溢出时将会强制设备进入待机状态；用户程序可通过控制寄存器使设备进入待机状态；Interval Timer则始终在溢出时将设备唤醒。WDT和IntervalTimer在上电工作后就一直处于工作状态，除非进入了超温保护状态后才会停止。WDT和IntervalTimer的计时溢出可以根据实际应用单独设置。

传感器在执行IDLE指令后将进入空闲状态，直到某个中断源的信号产生时，才返回运行状。在空闲状态时，传感器内部功能模块都处于运行状态，因此不是节电模式。其中内核中3D的LF接口，NPX-I和II只使用了其中的2D，设计时可根据要求具体制定使用的方式。

由于RF发射时功耗最高，因此需要严格控制发射间隔时间和次数。实际应用中，可根据车辆的运行状态进行控制，或者使用LF信号唤醒方式触发每次的RF发射。车辆停止时一般并不要求检测胎压并通过RF传回数据，或者可以尽量减少检测次数并很少通过RF传送数据。NPX-I可以通过外部增加运动检测开关的方式来判断车辆当前是否运行；NPX-II则可以使用加速度传感器返回的值来决定下一步控制流程。

NPX-I和II的工作状态切换

传感器控制器的特殊设计使得在待机状态时，内部绝大多数的功能模块都处于断电状态，极大地减低了功耗。

GE的TPMS解决方案

虽然GE暂不提供用户射频发射和接收芯片，但是到目前为止，NPX-I和II可以和所有适用于TPMS的RF发射芯片相连接并进行完美的控制。模块化设计使用户可以根据自己的需求灵活选用适用的RF器件。

几乎所有的RF发射芯片上都有一个芯片使能输入端，该输入控制端的电平信号应该结合NPX-I和II的推挽式输出特性，以及NPX-I和II在复位/待机时I/O口变为输入端的特点（高阻），正确配置NPX-I或者II控制管脚的上拉、下拉电阻。例如，RF发射芯片使能端为低时禁止输出，则在相应的使能控制管脚上设置下拉电阻（反之设置上拉），以期在待机状态时使能端信号为低，这样RF发射芯片就可同时处于低功耗状态。

绝大多数的RF发射芯片都有一个调制数据输入口，该口线和NPX-I 或II的P14或P17可直接相连，并根据RF芯片要求选择布置上拉或者下拉电阻。NPX-I和II的I/O推挽式的输出口，通过软件设置还可以模拟开漏极输出特性，这对另外一些RF发射芯片是非常有用的一种功能。通过调用相应的函数可供即可完成调制输出。

2D的LF接口进一步增加了传感器模块的设计灵活性。由于TPMS周边器件的选择范围很广，设计又区分为前装和后装，GE的工程师将根据用户的设计提出合理的建议，并和用户一道解决设计中的难题。

由NPX-I或II组成的胎压监测模块构成

结束语

GE的TPMS传感器内含的久经验证的压力传感器和高性能微控制器，以及经过严格测试的加速度传感器，为全球TPMS提供了目前最具竞争力的传感器方案。在GE严格的质量控制管理下，GE提供给用户的TPMS传感器产品都确保能使用10年以上。同时，GE也在寻求集成度更高、功能更完善而成本不断降低的TPMS解决方案。

2006年左右，GE将推出集成RF发射功能的NPX-III，NPX-III同时具有NPX-II的所有功能。随后，GE将推出无需电池自供电方式的TPMS传感器NPX-IV。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。