汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Realization of the Tire Pressure Monitoring System

趙　霞1　王業(yè)通1　袁康鵬1　何亞波2

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1，上海　200092；上海雋通電子科技有限公司2，上?！?00092)

汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Realization of the Tire Pressure Monitoring System

趙霞1王業(yè)通1袁康鵬1何亞波2

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1，上海200092；上海雋通電子科技有限公司2，上海200092)

摘要：汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)是機(jī)動(dòng)車輛必備的安全裝置之一，可實(shí)時(shí)了解輪胎的溫度和壓力，從而防止爆胎、節(jié)省汽油并延長輪胎使用壽命。在國內(nèi)外已有的TPMS分析、研究基礎(chǔ)上，依照美國現(xiàn)行TPMS規(guī)范，采用性能更好的器件，自主研發(fā)、設(shè)計(jì)了一套直接主動(dòng)式TPMS系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了加速度喚醒、間隔測量和數(shù)據(jù)發(fā)送、雜波濾除、報(bào)警顯示等功能。結(jié)果表明，系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了既定功能，還保證了發(fā)射機(jī)極端情況下連續(xù)使用4年的極低功率損耗。

關(guān)鍵詞：TPMS壓力傳感器微控制器無線傳輸?shù)凸?/p>

Abstract：Tire pressure monitoring system (TPMS) is one of the necessary safety devices of the vehicles, it can find out the temperature and pressure of the tires in real time, to prevent puncture, save gasoline and prolong the useful life of tires. The existing TPMS around the world are analyzed and researched, on this basis, in accordance with current standard in the States， by adopting components with better performance, the direct active TPMS is independently developed. The system implements functions including acceleration awakening, interval measurement and data sending, filter out the clutters, as well as display and alarm, etc. The result shows that the system realizes all the predicted functions, and guarantees the transmitter can be used continuously for 4 years under most extreme conditions with very low energy consumption.

Keywords：TPMSPressure sensorMCUWireless transmissionLow power consumption

0引言

在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是交通事故發(fā)生的重要原因。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(tire pressure monitor system,TPMS)可在汽車各種狀態(tài)對(duì)汽車所有輪胎的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并提供聲、光報(bào)警及顯示，可以有效地提高汽車行駛的安全性[1-3]。

歐美發(fā)達(dá)國家開發(fā)生產(chǎn)的TPMS較為成熟，而國內(nèi)銷售的是國外的TPMS系統(tǒng)或生產(chǎn)的TPMS基本是靠引進(jìn)國外開發(fā)平臺(tái)、生產(chǎn)線，沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著國家對(duì)汽車安全的重視及TPMS的廣泛使用，開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TPMS意義重大。

系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)嵌入輪胎內(nèi)部，實(shí)時(shí)測量輪胎內(nèi)部壓力、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)射到接收機(jī)。接收端置于車室內(nèi)，依靠RF接收輪胎的無線數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成邏輯判斷、智能預(yù)警等工作。該系統(tǒng)較之國內(nèi)現(xiàn)有的TPMS系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢[4-7]。

1TPMS組成及其設(shè)計(jì)要求

1.1　組成

TPMS主要分為兩類:一種是基于車輪速度的間接式 TPMS，通過比較各個(gè)車輪之間轉(zhuǎn)速的不同，間接判斷輪胎的氣壓狀態(tài)；另一種是基于壓力傳感器的直接式TPMS，通過在輪胎內(nèi)部安裝傳感器，測量輪胎內(nèi)部的溫度和壓力，通過無線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央系統(tǒng)進(jìn)行處理。直接式TPMS解決方案主要有以下三種。

① Motorola MPXY80X0 series方案：使用MPXY80x0傳感器+MC68HC908RF2無線發(fā)射器+MC68HC908KX8 MCU進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該方案須購買Motorola專用的開發(fā)環(huán)境。

② GE NovaSensor的NPX方案：NPX是GE Nova Sensor公司推出的TPMS專用芯片，是由一塊帶有大量外圍器件的Philip 8 bit RISC內(nèi)核組成的高集成度芯片。所有傳感器、RF發(fā)射電路等都整合在一塊芯片上。以高集成度為顯著特征的GE NovaSensor NPX方案也須購買專門的開發(fā)環(huán)境。

③ Infineon 方案：基于SP12傳感器 + TDK5100F無線發(fā)射器 + PIC16F628A MCU 進(jìn)行單向(Simplex TPMS)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。此方案開放度高，無須專門開發(fā)環(huán)境，器件入手方便。

鑒于實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢及成本考慮，本設(shè)計(jì)采納直接式TPMS及Infineon 方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。TPMS框圖如圖1所示，TPMS分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分，采用單工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

圖1　TPMS框圖

發(fā)射機(jī)嵌在輪胎里面，測量輪胎內(nèi)部的氣壓和溫度，并通過無線調(diào)制的方式將所需數(shù)據(jù)發(fā)送到接收機(jī)，發(fā)射機(jī)主要包含傳感器、MCU和RF發(fā)射電路及供電電池。由于發(fā)射機(jī)置于輪胎內(nèi)部，更換電池不方便，在汽車高速行駛時(shí)，輪胎內(nèi)部的溫度極高，所以發(fā)射機(jī)模塊的小型化、寬工作溫度范圍以及低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本課題采用Infineon作為中央處理器。發(fā)射機(jī)中傳感器采用SP12[8]，無線發(fā)射短波采用TDK5100F芯片，中央處理器采用Microchip的8位單片機(jī)PIC16F628A，鋰電池供電。以上3款芯片均可以在汽車工業(yè)級(jí)條件下使用，MCU的最低功耗為納瓦級(jí)[9]。

接收機(jī)的主要工作是接收發(fā)射機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示和告警，主要包括RF接收電路、MCU和顯示報(bào)警用LCD顯示模塊。RF接收電路接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線信號(hào)并由中央處理器負(fù)責(zé)軟件濾波，并將處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，將測量值與設(shè)定值比較。如果達(dá)到報(bào)警門限，就在LCD上顯示報(bào)警信號(hào)，并配合LED閃爍，蜂鳴器報(bào)警。RF接收電路使用的是TDK5210，中央處理器使用PIC877A，LCD為128×64的普通LCD。

1.2　設(shè)計(jì)要求

① 發(fā)射機(jī)低功耗。輪胎模塊的使用壽命要求達(dá)到3~5年，每個(gè)組件必須長期處于電流極低的待機(jī)模式或關(guān)閉狀態(tài)，測量和發(fā)送時(shí)的工作效率要高。

② 接收機(jī)的數(shù)據(jù)接收和處理要求

接收機(jī)處于駕駛室內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)功耗的要求較低，只要求能夠及時(shí)地接收到發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)?？梢栽谄嚨妆P下安裝天線，以提高信號(hào)接收能力。另外，要能對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)分析處理并及時(shí)報(bào)警。

③ 發(fā)射機(jī)溫度、壓力等參數(shù)測量范圍如表1所示。

表1　參數(shù)測量范圍

2TPMS的軟件設(shè)計(jì)

2.1　發(fā)射機(jī)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)主要包括3個(gè)部分：傳感器、MCU和RF發(fā)射電路。傳感器和MCU之間使用SPI通信協(xié)議。由于系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)的功耗要求較高，故在軟件設(shè)計(jì)方面應(yīng)特別注意。

2.1.1使用傳感器SP12實(shí)現(xiàn)工作模式轉(zhuǎn)換

本文采用的傳感器有4種工作模式：調(diào)試模式、初始化模式、睡眠模式和測量模式。配合MCU可實(shí)現(xiàn)4種模式之間的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。其工作模式轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2　傳感器SP12的工作模式轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

首先系統(tǒng)上電初始化，MCU向傳感器發(fā)送測量命令，使傳感器進(jìn)入測量模式，MCU接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)就發(fā)命令使傳感器進(jìn)入休眠模式。MCU完成后面的工作后進(jìn)入休眠模式，每隔6 s傳感器發(fā)出一個(gè)Wake Up信號(hào)，作為MCU的中斷源喚醒MCU，MCU向傳感器發(fā)送測量命令，如此循環(huán)。

2.1.2MCU的功能設(shè)計(jì)

MCU的總體功能如下。

① 管理所有外圍設(shè)備。MCU是系統(tǒng)的重要部分，連接著系統(tǒng)其他各個(gè)部分，與各個(gè)外圍器件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并對(duì)各個(gè)外圍器件進(jìn)行電源管理，使外圍器件在工作模式和休眠模式之間切換，達(dá)到省電的目的。

② 進(jìn)行壓力、溫度、加速度、電池電壓的測量，以及傳感器狀態(tài)的檢測。

③ 無線發(fā)射控制。

④ 電源管理。發(fā)射機(jī)處于輪胎內(nèi)部，不能經(jīng)常更換電池，系統(tǒng)的功耗必須盡量降到最低。

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

① MCU喚醒的實(shí)現(xiàn)。傳感器SP12無論處在工作模式還是休眠模式，其內(nèi)部的2.5 kHz低頻計(jì)數(shù)器都處于工作狀態(tài)，每隔6 s發(fā)出一個(gè)低電平脈沖信號(hào)。該信號(hào)作為MCU的中斷源信號(hào)，在MCU休眠狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)喚醒。

② 系統(tǒng)加速度喚醒的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽車靜止時(shí)，并不需要進(jìn)行壓力、溫度等參數(shù)的測量，實(shí)現(xiàn)加速度喚醒可以使發(fā)射機(jī)在汽車行駛狀態(tài)下工作，達(dá)到省電的目的。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送完無線數(shù)據(jù)之后，各個(gè)芯片都處于休眠狀態(tài)。SP12的Wake Up信號(hào)首先喚醒MCU，再由MCU發(fā)送命令給SP12進(jìn)行加速度測量。如果汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)，不需要測量壓力、溫度，也不需要無線發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)，而是直接進(jìn)入休眠模式，直到下一次喚醒。

③ 無線發(fā)射次數(shù)的選擇。無線發(fā)射比較消耗功率，所以軟件必須盡量控制和降低測量和發(fā)送的頻率。將本次測量值與臨界值比較，再與上一次測量值比較，如果參數(shù)處于正常范圍并且與上次測量值相差不大，就不需再次發(fā)送數(shù)據(jù)。但也必須保證接收端在一定時(shí)間內(nèi)能收到信號(hào)，所以即使設(shè)定參數(shù)在正常范圍內(nèi)，每次變化也不大，也能保證30 s向接收端發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

發(fā)射機(jī)端MCU的軟件流程框圖如圖3所示。

圖3　發(fā)射機(jī)MCU軟件流程框圖

2.2　接收機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)上電后，MCU首先初始化。由于在無有效信號(hào)時(shí)RF接收電路將受到雜波干擾，故MCU以10倍于發(fā)射比特頻率的速度不斷檢測接收電路中TDK5210的數(shù)據(jù)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)極大似然值處理。在收到一個(gè)有效的信號(hào)包后，將輪胎號(hào)、溫度、壓力值讀出，并將各值送至LCD上顯示，如果參數(shù)值超過設(shè)定閾值則產(chǎn)生報(bào)警。接收機(jī)MCU軟件流程框圖如圖4所示。

圖4　接收機(jī)MCU軟件流程框圖

2.3　通信及協(xié)議

(1) 數(shù)據(jù)幀格式

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的通信采用固定長度的數(shù)據(jù)幀，其格式如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)幀格式

① 前導(dǎo)碼：接收端在沒有信號(hào)時(shí)會(huì)受到雜波的干擾，設(shè)置同步起始位可以使接收端區(qū)別雜波數(shù)據(jù)，并開始接收數(shù)據(jù)。

② 輪胎號(hào)：汽車的4個(gè)工作輪胎都裝有發(fā)射機(jī)(備用胎可選)，當(dāng)發(fā)射機(jī)向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收機(jī)根據(jù)輪胎號(hào)進(jìn)行輪胎的識(shí)別。

③ 傳感器狀態(tài)位：0=no error，1=error。

(2) 通信設(shè)置

系統(tǒng)無線通信的載波頻率選用433.92 MHz，發(fā)射速度為20 kbit/s，采用FSK調(diào)制方式。發(fā)射前先對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行曼徹斯特編碼，這樣可以減小發(fā)射信號(hào)的直流分量，降低誤碼率，提高通信距離。

3TPMS的實(shí)現(xiàn)

對(duì)TPMS進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)試驗(yàn)。在距頻譜儀0.3 m和9 m處，發(fā)射機(jī)發(fā)射數(shù)據(jù)，接收機(jī)采得的頻譜波形如圖5所示。

圖5　0.3 m和9 m處無線發(fā)射數(shù)據(jù)頻譜

從圖5(a)可以看出，峰2和峰3為FSK調(diào)制的兩個(gè)頻率點(diǎn)，頻率分別為434.03 MHz、433.9 MHz。接收到的功率約為-36 dBm。從圖5(b)可以看出峰2和峰3的頻率保持不變，仍分別為434.03 MHz、433.9 MHz。接收到的功率有所下降，約為-80 dBm。

系統(tǒng)電流及功率消耗分析如下。

① 傳感器的電流及功率消耗

考慮最不利條件(3 V，120 ℃)，此時(shí)休眠模式的消耗為19.5 μA，工作電流為3.8 mA，壓力檢測時(shí)間為6 ms，溫度檢測時(shí)間為1.5 ms，加速度檢測時(shí)間為6 ms。考慮汽車在行使過程中傳感器每次都要檢測加速度、溫度和壓力，取工作時(shí)間為14 ms。

② 無線發(fā)射芯片的電流及功率消耗

取FSK工作電流的最大值30 μA?？紤]輪胎氣壓或溫度異常，需要6 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)包24 bit，波特率為20 kbit/s，則一次發(fā)送時(shí)間為1.2 ms。

微處理器16F628A的待機(jī)電流典型值為100 nA，工作電流典型值為120 μA,工作時(shí)間取16 ms。

③ 發(fā)射機(jī)的平均電流

I=(3.8×14+0.03×1.2+0.12×16+0.019 5×5 986+

0.000 1×5 984)/6 000(mA)=0.028 7 mA

(1)

鋰電池的電池容量為600 mAh,則發(fā)射機(jī)電池的最少使用時(shí)間為：

t=600/0.028 7(h)≈20 905.9 h≈871天

(2)

若汽車的欠壓時(shí)間一般占總時(shí)間的60%，則電池的實(shí)際使用時(shí)間為：

T=871/0.6 (天)≈1 451.6天≈4年

(3)

上述結(jié)論均為最差情況，實(shí)際上汽車的行駛時(shí)間不到總時(shí)間的30%，所以電池使用時(shí)間還可以更持久。

4結(jié)束語

本課題采用的Infenion方案功耗低，穩(wěn)定性較好，能同時(shí)檢測汽車加速度、輪胎氣壓、溫度以及電池電壓等關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)胎壓或溫度異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，從而保障行車安全。此外，接收機(jī)模塊還可以通過擴(kuò)展如語音報(bào)警等模塊，與汽車控制系統(tǒng)相連，進(jìn)一步增加系統(tǒng)的功能，適應(yīng)不同用戶的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉全有,趙福全,楊安志,等.TPMS的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(12):3-5,10.

[2] 隨辰揚(yáng),潘宏博,馮明,等.基于智能手機(jī)的汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014(6):114-116.

[3] 邵軍,譚勵(lì),王曉垚,等.汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其通信抗干擾研究[J].測控技術(shù),2014(3):11-14,21.

[4] 張猛,張多,張動(dòng)力.汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)綜述[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014(1):33-35.

[5] 王澤鵬,薛風(fēng)先,高峰,等.基于Motorola芯片的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2005，26(3)：39.

[6] 盧從娟，邵毅明，呂先洋，等.汽車輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展[J].公路與汽車，2012(1).

[7] 張艷紅，張兆華，劉理天.TPMS的研究和設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005(8)：8.

[8] 黃賢武.傳感器原理及應(yīng)用[M].成都:成都電子科技大學(xué)出版社,1999.

[9] 施慶隆.PIC16F87X單片機(jī)原理與專題應(yīng)用[M].北京:北京電子工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502025

修改稿收到日期：2014-10-15。

第一作者趙霞(1974-)，女，2003年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事信號(hào)處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等的研究。