CN106143010B - 一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路,主要解决现有的汽车胎压监测系统中由于引入加速度传感器而引起的系统复杂度增加和成本增加的技术问题。技术方案为：一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是：所有电路芯片内集成实现；包括采样保持电路、比较器、放电电路、时序控制器、计数器和数据处理器；采样保持电路与比较器连接，比较器的正向输入端连接放电电路，比较器的输出信号分别进入时序控制器和计数器，时序控制器与计数器连接，时序控制器还与数据处理器相连。本发明提供一种简单易行、效果显著、可有效降低汽车胎压监测系统复杂度和系统成本的集成电路芯片方案。

Description

一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路

技术领域

本发明涉及汽车轮胎气压监测TPMS (Tire Pressure Monitoring System)电路领域，特别涉及一种不需要加速度传感器，而充分利用压力传感器在汽车滚动状态和静止状态下表现出的不同的噪声特性，实现对汽车的运动状态监测的监测集成电路。本发明针对采用电阻压敏式压力传感器的汽车胎压监测系统。

背景技术

随着汽车的迅速普及，交通事故不断增多，汽车高速行驶时轮胎故障是驾驶员最难以预料的危险，轮胎故障造成了大量的交通事故。橡胶轮胎质量监督中心的分析指出，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎气压异常是防止爆胎的关键。另外在经济因素方面，如果汽车轮胎气压不足，滚动阻力增大，致使油耗和二氧化碳_二排放增加；如果汽车轮胎气压过高，轮胎和地面接触面积减小，致使轮胎磨损增加。

近年来，充分的调查研究结果使得世界各国十分重视强制安装使用汽车胎压监测系统，纷纷推出相应的法规，明确规定汽车胎压监测系统的安装限期。汽车胎压监测系统通过对轮胎内压力和温度进行实施监测，对压力和温度异常进行警报，让驾驶员能够及时发现，达到确保行车安全、减少轮胎磨损和降低油耗的目的。

因为市场的推动，汽车胎压监测系统经历了一个相对快速的演变过程，从最初采用间接式的胎压监测方式，逐渐过渡到目前普遍采用的直接式的胎压监测方式，才满足了汽车电子零配件市场日趋集成化，专业化的需求。

直接式胎压监测系统包括胎压传感器和无线接收器两个部分。无线接收器主要作用是接受胎压传感器发射的无线信号，并且进行信号处理，对压力和温度异常进行警报。胎压传感器是安装在汽车内胎里面，完全密封封装的电子数据采集，放射装置，一般采用电池供电，是汽车胎压监测系统中一个最为关键的部分。胎压传感器工作在相对复杂恶劣工作环境下，它的性能决定了系统的精度和可靠性。

胎压传感器除了读出，校正传感器的数据，还需要充当无线发射器的角色，及时精确的发送胎压，温度信息和传感器的位置信息给无线接收器。在电池供电而且无法更换电池的情况下,这对传感器的功耗提出了严格的要求。传感器的平均静态工作电流很大程度上决定了产品的使用寿命。

大部分汽车的行车时间要显著少于闲置怠车时间,汽车胎压监测系统需要根据汽车的运动状态对传感器发射控制芯片的工作状态做充分的优化，以达到降低功耗的目的。例如，在汽车静止怠车的状态下，可以大幅减少对车胎压力测量的频率和信息发送频率；在监测到汽车转入行车状态的时候，再回复到正常侦测频率。

直接式汽车胎压监测传感器一般包括三个器件,压力传感器，加速度传感器和发射控制芯片。大多采用系统封装（System In Package），单片集成。压力传感器一般采用电阻压敏式压力传感器，特征是响应时间快，尺寸小，抗震性好，而且生产成本低。电阻压敏式压力传感器利用硅膜片上的应变电阻的阻值与压力成正比的特性，以惠斯通电桥方式连接，把压力变化转换成电信号。因为输出电信号微弱，需要后端监测电路进行放大处理。

汽车胎压监测传感器的加速度传感器作用是监测汽车的运动状态：在汽车滚动的时候，加速度传感器产生感应电压，传感器发射控制芯片上的汽车运动状态监测集成电路对感应的电压和预先设定的阈值进行比较，或者通过发射控制芯片上的模数转换器对感应的电压进行阈值比较，进而判断汽车是在行车状态还是在静止状态。这种汽车运动状态监测方法最大的缺点是因为引进加速度传感器而增加了系统成本和复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行、效果显著、可有效降低汽车胎压监测系统的复杂度和系统成本的汽车运动状态监测集成电路。主要解决了现有的汽车运动状态监测集成电路由于引入加速度传感器而引起的系统复杂度增加和成本增加的技术问题。

本发明的创新思路是：汽车在行驶状态下，因为车胎滚动与地面的接触以及汽车车身自身的震动，电阻压敏式压力传感器会产生与汽车行驶速度关联的噪声。相比汽车在静止状态下，汽车行驶状态下压力传感器产生的噪声幅度会有明显变化，而且和汽车行驶速度关联。在这种状态下，不需要加速度传感器，而是利用已有的压力传感器在汽车静止状态和运动状态下不同的噪声扰动特性，采用独特的低功耗电路，实现对汽车运动状态的监测功能。

本发明的技术方案是：一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是：所有电路芯片内集成实现；包括采样保持电路、比较器、放电电路、时序控制器、计数器和数据处理器；采样保持电路与比较器连接，比较器的正向输入端连接放电电路，比较器的输出信号分别进入时序控制器和计数器，时序控制器与计数器连接，时序控制器还与数据处理器相连。

采样保持电路实现对压力传感器的差分桥臂电压的采样功能,包含两路采样开关和两个采样电容；压力传感器的差分输出正极通过采样开关连接比较器的正向输入端；压力传感器的差分输出负极通过采样开关连接比较器的倒向输入端，采样电容的正极连接在采样开关上，采样电容的负极接地；比较器对采用电容上的电压进行比较，比较器的正向输入端和倒相输入端连接在两个采样电容的正极上；在正端输入端的电压大于负端输入端的电压时，输出数字信号“1”；在正端输入端的电压等于或者小于负端输入端的电压时，输出数字信号“0”；放电电路包括恒定电流源和放电开关，对连接在压力传感器的差分输出正极采用电容进行恒定电流放电；时序控制器控制放电开关的通断时间，在系统采样完毕的时候，采样开关关断，采样电容上的电压值分别为桥臂电阻的正端输出电压和负端输出电压，时序控制器接着导通放电开关，对正端采样电容进行放电，放电电流为恒定电流源的电流值；负端采样电容保持不变（忽略负端采样电容的漏电流）。

在放电开关导通的同时，计数器开始计数；当两个采样电容的电压相等的时候，计数器停止计数；计数器采用双向计数：在第i（i=1,3,5…n+2,n为奇数）次数据采样前，计数器先做清零；放电开关导通后，计数器做正向计数，X_i为计数器第i次的输出数值，计数器保持输出数值X_i；在第i+1次数据采样时，计数器做倒向计数，从X_i数值开始做递减；利用正向计数/反向计数的计数器实现(X_i –X_i+1)；数据处理器对计数器的输出进行邻方差数值计算：∑(X_i –X_i+1)²，样本数根据采样时间，放电时间，功耗预算折衷选值；进一步，邻方差的结果与设定的经验阈值进行比较，如果邻方差结果高于阈值，数据处理器做出汽车“滚动”的状态判断；如果邻方差结果低于阈值，数据处理器做出汽车“静止”的状态判断。

所述的汽车运动状态监测集成电路集成在发射控制芯片上。

本发明的有益效果是：本发明针对电阻压敏式压力传感器在汽车静止状态和运动状态下不同的噪声扰动特性，采用低功耗电路，可以方便的集成在发射控制芯片上，实现对汽车运动状态的监测功能。本发明去除了加速度传感器，把胎压传感器的集成器件数目从三个减少到两个。在不影响系统性能的基础上，显著降低了汽车胎压监测系统的复杂度和系统成本。

附图说明

图1为本发明汽车运动状态监测集成电路图。

图2为本发明汽车运动状态监测集成电路集成在发射控制芯片电路图。

图3为装置于汽车轮胎内的电阻压敏式压力传感器的典型噪声特性。

图4为本发明汽车运动状态监测集成电路的工作时序图。

图1中：1-采样保持电路；2-比较器；3-放电电路；4-时序控制器，5-计数器，6-数据处理器，S2-压力传感器正端采样开关；S3-压力传感器负端采样开关；CS-压力传感器采样电容；VP-比较器正向输入端；VN-比较器倒向输入端；S4-放电电路电流开关；IS-放电电路电流开关。

图2中：S1-压力传感器激励端开关；S2-压力传感器正端采样开关；S3-压力传感器负端采样开关；CS-压力传感器采样电容；CK1-低频振荡器（4KHz）输出时钟；CK2-高频振荡器（4MHz）输出时钟。

图3中：中间密集带为汽车处于静止状态下电阻压敏式压力传感器的噪声特性；震荡带为汽车处于运动状态下电阻压敏式压力传感器的噪声特性。横轴为时间，单位为秒；纵轴为采样电压，单位为伏(V)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。

图3显示了汽车分别在静止状态下和在行驶速度为30公里每小时的状态下，装置在汽车轮胎内的压力传感器的采样数据。在汽车静止状态下，汽车车胎内的压力传感器的噪声峰值在10微伏。在汽车行驶状态下，压力传感器的噪声幅度峰值在50微伏。上述测试条件为平滑道路，电阻压敏式压力传感器的桥臂电阻典型值为5千欧姆，采样时间间隔为1秒，噪声幅度定义为在一定采样次数内，每次压力传感器的输出电压值和平均值的差值。如果计算邻方差，汽车在静止状态下压力传感器的噪声幅度为3微伏，汽车在行驶速度为30公里每小时的状态下压力传感器的噪声幅度为15微伏。图3可以看出，如果对压力传感器的噪声进行统计采样和后处理，就可以对汽车的运动状态做出判断。

在汽车胎压监测系统中，功耗是一个非常重要的性能指标。标准一般要求内置于汽车轮胎内的胎压监测传感器使用寿命达到10年以上，因此汽车运动状态监测集成电路必须尽可能简化电路，达到低功耗的目的，但是同时又能够保证监测集成电路的低噪声和高灵敏度特性。汽车运动状态监测集成电路需要处理的信号都在微伏级别，在非常有限的功耗预算下，对系统和具体电路模块的优化非常关键。

参考图1，本发明提出的汽车运动状态监测集成电路本质上需要实现的功能是高精度，低功耗的模数转换加上邻方差求值。对应的集成电路方案是：简化的双斜率模数转换器（Dual Slop ADC）加上双向计数器实现的邻方差求值电路。这里简化的双斜率意思是，模数转换器不需要参考电压，没有针对参考电压的积分斜率，而只有针对输入电压的积分斜率。采用低速，精简的模拟前端实现数据采样和模数转换。

如图1所示，一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是：所有电路芯片内集成实现；包括采样保持电路1、比较器2、放电电路3、时序控制器4、计数器5和数据处理器6；采样保持电路1实现对压力传感器的差分桥臂电压的采样功能,包含两路采样开关和两个采样电容；压力传感器的差分输出正极通过采样开关连接比较器2的正向输入端；压力传感器的差分输出负极通过采样开关连接比较器2的倒向输入端，采样电容的正极连接在采样开关上，采样电容的负极接地；比较器2对采用电容上的电压进行比较，比较器2的正向输入端和倒相输入端连接在两个采样电容的正极上；在正端输入端的电压大于负端输入端的电压时，输出数字信号“1”；在正端输入端的电压等于或者小于负端输入端的电压时，输出数字信号“0”；放电电路3包括恒定电流源和放电开关，对连接在压力传感器的差分输出正极采用电容进行恒定电流放电；比较器2的输出信号分别进入时序控制器4和计数器5，时序控制器4与计数器5连接，时序控制器4还与数据处理器6相连，时序控制器4控制放电开关的通断时间，在系统采样完毕的时候，采样开关关断，采样电容上的电压值分别为桥臂电阻的正端输出电压和负端输出电压，时序控制器4接着导通放电开关，对正端采样电容进行放电，放电电流为恒定电流源的电流值；负端采样电容保持不变（忽略负端采样电容的漏电流）。在放电开关导通的同时，计数器5开始计数；当两个采样电容的电压相等的时候，计数器5停止计数；计数器采用双向计数：在第i（i=1,3,5…n+2,n为奇数）次数据采样前，计数器5先做清零；放电开关导通后，计数器5做正向计数，X_i为计数器第i次的输出数值，计数器5保持输出数值X_i；在第i+1次数据采样时，计数器5做倒向计数，从X_i数值开始做递减；利用正向计数/反向计数的计数器实现(X_i –X_i+1)；数据处理器6对计数器的输出进行邻方差数值计算：∑(X_i –X_i+1)²，样本数N根据采样时间，放电时间，功耗预算折衷选值；进一步，邻方差的结果与设定的经验阈值进行比较，如果邻方差结果高于阈值，数据处理器做出汽车“滚动”的状态判断；如果邻方差结果低于阈值，数据处理器做出汽车“静止”的状态判断。

汽车运动监测集成电路工作原理如下：在时序控制器4节拍控制下，采样开关S2，S3在采样相时间内闭合，采样电容CS对压力传感器同时进行采样；在采样结束的时候，采样开关S2和S3断开，两个采样电容上的电压值等于压力传感器两个桥臂输出端的电压值。然后时序电路控制放电开关S4闭合，对压力传感器正端采样电容进行放电；比较器2也在S4闭合之时开始工作，计数器5开始计数。一旦VP点电压高于VN点电压，比较器2翻转，时序控制器4断开S4，停止放电；同时计数器5停止计数，计数器5的输出数值和压力传感器的输出电压成线性关系，既包含压敏电阻的形变压力值，也包含压力噪声值。在相对短时间内，形变压力保持恒定，而压力噪声随汽车运动状态变化呈现不同分布特性。如果在系统要求的运动侦测频率对应的时间内对压力传感器采样一定的点数，可以计算出压力传感器的噪声分布特性，并以此判断出汽车的运动状态。

因为压力传感器的灵敏度的要求和工艺参数的关系，压力传感器的压敏桥臂电阻阻值一般在5千欧姆左右。考虑到系统的噪声要求和在采用时间内因为漏电产生的电压损失的限制要求，采用电容的取值必须足够大；但是另外一方面，因为对采样电容的放电的时间受限于系统侦测频率和采样点数的要求，采样电容又不能太大。其典型取值为2.5纳法拉（2.5nF），通过两个PIN管脚片外实现。

参考图2是汽车运动状态监测集成电路针对图1的框架原理图的具体电路实现。整个实线方框代表汽车胎压传感器内的发射控制芯片；左下角的虚线方框内代表汽车运动状态监测集成电路。需要指出的是，图1中的图例并没有大小和面积比例关系，这里只是为了清楚列出功能划分和连接关系。在实际的发射控制芯片内，汽车运动状态监测集成电路只是占了小部分面积。

胎压传感器的发射控制芯片由200毫安时的纽扣电池供电，供电电压范围在2.1伏到3.6伏。作为发射控制芯片的子电路，汽车运动状态监测集成电路的供电电压也是2.1伏到3.6伏。图1中压力传感器作为独立器件以惠斯通电桥表示，和发射控制芯片有三个接口，分别是激励端，正端和负端。激励端接压力传感器的激励电压；正端和负端是压力传感器的差分电压输出，和压力传感器的激励电压，环境气压，以及传感器件的灵敏度成线性关系。

在汽车胎压监测系统在压力测量周期，压力传感器的激励端电压由片上电源管理电路产生，由带隙基准源电路产生一个不随电源电压，温度，工艺参数变化的稳定电压参考源。压力传感器的差分输出直接连接到发射控制芯片内部的模数转换器输入，用作压力测量。

在汽车运动状态监测周期，压力传感器的激励端电压通过开关S1连接到电池供电端。而压力传感器的差分输出连接到汽车运动状态监测集成电路的采样开关S2和S3，用来判断汽车运动状态。这里压力传感器的激励端没有接到参考电压源的原因是,在汽车运动状态监测周期内，参考电压源处于断电状态，无法提供激励偏置；而且压力传感器的激励端在这种情况下并不需要精确稳定的绝对电压参考，只是需要一个在侦测时间内相对稳定的电压即可。根本原因是在汽车运动状态监测周期内，只是做汽车运动状态判断，而不做具体的测量或者校准。

如前述所提到，汽车运动状态监测集成电路一个重要设计考虑因素是，必须尽可能的在汽车运动状态监测周期内减少电池电流消耗：胎压发射控制芯片内主要的电路模块如微处理器，用于压力和温度测量的模数转换器，无线发射模块，低频接收模块，甚至提供参考电压的电源管理模块，都处于关停状态。唯一例外的是胎压传感器发射控制芯片的内部振荡器在汽车运动状态监测周期内是处于工作状态的，包括始终处于工作状态的4KHz低频振荡器和部分时间处于工作状态的4MHz高频振荡器。其中4KHz低频振荡器还提供汽车运动状态监测集成电路内部的偏置电路的偏置电流。进一步，该偏置电路产生比较器，放电电流源的偏置电流。在对压力传感器进行采样的的采样周期内，时序控制器的工作时钟来至于4KHz低频振荡器。在比较器发生反转之后，工作时钟切换到4MHz高频振荡器：计数器开始计数，实现 (X_i –X_i+1)；监测算法电路进行平方计算(X_i –X_i+1)²；监测算法电路给出汽车运动状态判断：置位或者清零运动(静止)标志位；时序控制器接受胎压传感器系统给出的开始运动状态监测指令：在完成监测后给出判断完成标志，提示运动(静止)标志位有效。

试验数据表明基于经验阈值判断汽车的运动状态是静止状态还是行驶状态（速度大于30公里每小时），采用∑(X_i –M)²（这里M是对应采样点数内压力的平均值）作为变化量和采用邻方差∑(X_i –X_i+1)²作为变化量给出的结果是趋同的。邻方差∑(X_i –X_i+1)²显然更适合数字电路实现：利用双向计数的计数器加上移位电路和加法电路，就可以实现∑(X_i –X_i+1)²而无需乘法电路。在芯片面积和功耗上都实现了优化。

参考图4，是本发明所涉及的汽车运动状态监测集成电路的工作时序图。监测电路有两种工作时钟模式：在对压力传感器进行采样的采样周期内，系统的工作时钟由4KHz低频振荡器提供，在后面的计数器计数周期以及监测算法周期，系统的工作时钟由4MHz高频振荡器提供。汽车胎压传感器对汽车运动状态监测要求的典型监测频率为0.1赫兹，即每10秒钟做一次汽车运动状态判断。在这10秒钟的时间周期内，我们并不希望汽车运动状态监测集成电路始终处于工作状态，这样的电流消耗过于巨大，无法满足系统要求，而且我们必须留出时间给系统做压力和温度测量。策略是，汽车运动状态监测集成电路工作时间工作仅为1秒而且时序确定。监测周期由发射控制芯片给出的“开始”信号脉冲触发，在这 1秒时间内，监测电路对压力传感器进行多次噪声采样，然后依据噪声幅度邻方差大小判定汽车是在行驶状态或者静止状态。噪声采样基于开关电容实现；数字转换基于双向计数器实现，计数器的位数为16位，工作频率为4MHz。邻方差基于移位电路和加法电路实现，工作频率同样为4MHz。

基于统计方差考虑，采样次数不能低于16次，否则做邻方差计算的时候因为样本数过少使得运动状态边界模糊；采样次数高于64次使得总的采样时间过长，功耗增大；典型取值为32到48之间。这样每个采样点的时间为20.8毫秒到31.25毫秒。采样时间为2毫秒，主要考虑到采样时间T和开关电容RC时间常数必须满足2微伏的精度要求并给予一定的设计裕量；16位计数器在满量程输出时需要的时间为16.38毫秒，加上采样电容的采样时间，均能够满足单个采样点小于20毫秒的时间要求。

比较器在使能信号开启之后，相应的启动时间要比放电电路启动时间和4MHz高频振荡器启动时间要长，在此启动时间内，比较器的输出会一直稳定在低电平，直到比较器处于工作状态。有鉴于此，图4中比较器的使能信号会比4MHz高频振荡器的使能信号提前0.2毫秒，以使得在放电电路的电流源和放电开关S4闭合之时，比较器已经处于正常工作状态。

需要指出的是，如果因为汽车胎压监测传感器中的发射控制芯片采用了不同的振荡器输出频率导致以上提出的设计典型值无法契合，那么必须做另外的设计推理和计算以符合相应的性能要求。

以上对本发明实施例所提供的，一种无需加速度传感器，同时能够在汽车胎压监测系统中对汽车运动状态进行监测的集成电路设计方案进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是：所有电路在芯片内集成实现；包括采样保持电路、比较器、放电电路、时序控制器、计数器和数据处理器；所述采样保持电路实现对压力传感器的差分桥臂电压的采样功能,包含两路采样开关和两个采样电容；压力传感器的差分输出正极通过采样开关连接比较器的正向输入端；压力传感器的差分输出负极通过采样开关连接比较器的倒向输入端，采样电容的正极连接在采样开关上，采样电容的负极接地；采样保持电路与比较器连接，比较器的正向输入端连接放电电路，比较器的输出信号分别进入时序控制器和计数器，时序控制器与计数器连接，时序控制器还与数据处理器相连。

2.根据权利要求1所述的一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是所述比较器对采用电容上的电压进行比较，比较器的正向输入端和倒相输入端连接在两个采样电容的正极上；在正端输入端的电压大于负端输入端的电压时，输出数字信号“1”；在正端输入端的电压等于或者小于负端输入端的电压时，输出数字信号“0”。

3.根据权利要求1所述的一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是所述放电电路包括恒定电流源和放电开关，对连接在压力传感器的差分输出正极采用电容进行恒定电流放电。

4.根据权利要求1所述的一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是所述时序控制器控制放电开关的通断时间，在系统采样完毕的时候，采样开关关断，采样电容上的电压值分别为桥臂电阻的正端输出电压和负端输出电压，时序控制器接着导通放电开关，对正端采样电容进行放电，放电电流为恒定电流源的电流值；负端采样电容保持不变，在放电开关导通的同时，计数器开始计数；当两个采样电容的电压相等的时候，计数器停止计数。

5.根据权利要求1所述的一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是计数器采用双向计数：在第i次数据采样前，i=1,3,5…n+2,n为奇数；计数器先做清零；放电开关导通后，计数器做正向计数，X_i为计数器第i次的输出数值，计数器保持输出数值X_i；在第i+1次数据采样时，计数器做倒向计数，从X_i数值开始做递减；利用正向计数/反向计数的计数器实现X_i –X_i+1。

6.根据权利要求1所述的一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是数据处理器对计数器的输出进行邻方差数值计算：∑(X_i –X_i+1)²，进一步，邻方差的结果与设定的经验阈值进行比较，如果邻方差结果高于阈值，数据处理器做出汽车“滚动”的状态判断；如果邻方差结果低于阈值，数据处理器做出汽车“静止”的状态判断。

7.根据权利要求1所述的一种无需加速度传感器的汽车运动状态监测集成电路，其特征是所述的汽车运动状态监测集成电路集成在发射控制芯片上。