基于滑動平均濾波的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧汝奎，范 毅，李光平，禤旭旸，吳詩林

（南寧學(xué)院，南寧 530200）

0 引言

輪胎壓力異常是影響汽車行駛安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、乘坐舒適性的重要因素[1]。駕駛員對于胎壓異常的疏忽，往往容易造成嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。車輛行駛路面情況復(fù)雜，輪胎扎釘造成輪胎氣壓偏少最為常見，如果不能及時(shí)處理，造成輪胎過度磨損。汽車胎壓長期過低，容易引起輪胎溫度升高，致使輪胎壓力增大，當(dāng)車速較快時(shí)，容易發(fā)生爆胎事故。因此，對于輪胎壓力異常的預(yù)警，顯得十分必要。目前市場上配置在汽車上的胎壓裝置主要為直接式胎壓監(jiān)測裝置[2,3]，而且集中在高檔汽車上，對于中低檔經(jīng)濟(jì)型轎車，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的配置仍存在非常大的市場空白。

本文提出一種基于滑動平均濾波算法的間接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，硬件裝置與車輛OBD診斷接口連接，實(shí)時(shí)采集車輛CAN BUS中的四輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，基于滑動平均濾波算法，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)胎壓異常實(shí)時(shí)預(yù)警效果，經(jīng)過一系列的道路實(shí)驗(yàn)，證明具有很高的經(jīng)濟(jì)性和便捷性。

1 裝置設(shè)計(jì)方案及工作原理

基于滑動平均濾波的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)采用CAN總線通信技術(shù)，通過車輛OBD診斷接口實(shí)時(shí)讀取車輛診斷系統(tǒng)中的輪速數(shù)據(jù)，運(yùn)用滑動平均濾波對輪速數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，得到能夠穩(wěn)定反應(yīng)胎壓變化的輪速動態(tài)數(shù)據(jù)。通過對輪速數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，及時(shí)監(jiān)控胎壓數(shù)據(jù)變化，并對胎壓異常的情況進(jìn)行預(yù)警。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32F103控制器為核心，集成了CAN BUS通信電路、胎壓異常預(yù)警電路、電源降壓電路。CAN BUS通信電路通過OBD診斷接頭連接車輛CAN BUS系統(tǒng)，讀取車輛輪速動態(tài)數(shù)據(jù)，傳輸至STM32F103，用于滑動平均算法運(yùn)算。電源降壓電路將車輛電壓12V轉(zhuǎn)換為3.3V，供STM32F103單片機(jī)系統(tǒng)使用。胎壓異常預(yù)警電路集成LED指示燈和蜂鳴器，通過光電和聲音兩種方式同時(shí)發(fā)出胎壓異常警報(bào)。裝置設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 裝置總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

OBD診斷口1號針孔有12V的常電，可以作為系統(tǒng)電源，采用AMS1117作為電源轉(zhuǎn)換芯片，將車輛12V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，為胎壓監(jiān)控系統(tǒng)提供電源，另外OBD診斷口4號和5號針孔為負(fù)極接口，提供系統(tǒng)負(fù)極 回路[4]。

系統(tǒng)采用的STM32F103主控制器為ARM 32位內(nèi)核，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，最高工作頻率可以到達(dá)到72MHz，內(nèi)部存儲空間最高達(dá)512kb[5]，能夠滿足胎壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲需求。具備CAN通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛CAN數(shù)據(jù)采集，具備睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，能夠在車輛熄火后進(jìn)入休眠模式，降低能耗，避免車輛蓄電池虧電。

將STM32的CAN_RX管腳和WKUP管腳連接，關(guān)閉點(diǎn)火鑰匙后，STM32接收不到CAN信息后，將會進(jìn)入休眠模式；當(dāng)打開車輛鑰匙時(shí)，CAN通信系統(tǒng)恢復(fù)通信，WKUP管腳接收到CAN_RX中的上升沿信號，STM32從休眠模式中喚醒。

CAN通信電路由TJA1050作為CAN信息收發(fā)器[6]，連接STM32F103的CAN收發(fā)接口，并通過OBD診斷連接接頭接插到車輛OBD診斷接頭,為提高CAN總線通信的穩(wěn)定性，提高裝置的抗干擾能力，在CAN_H和CAN_L之間接120Ω的電阻[7]。

胎壓異常報(bào)警電路包括LED指示和蜂鳴器，LED采用共陽極接法，通過STM32的IO口控制LED負(fù)極通斷實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器通過STM32的IO口驅(qū)動三極管0805控制蜂鳴器負(fù)極實(shí)現(xiàn)。電路原理如圖2所示。

圖2 胎壓監(jiān)測裝置原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 胎壓監(jiān)測實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)汽車滾動半徑r公式：

式中s為輪胎滾動圓周，由式(1)有：

式(2)中l(wèi)為輪胎行駛的距離，n為輪胎轉(zhuǎn)速，r為輪胎滾動半徑，t為行駛時(shí)間。當(dāng)輪胎氣壓減少時(shí)，r變小，假設(shè)左右兩輪的行駛阻力一樣，車輛保持直行，對于四個(gè)輪子來講t相同，為保證車輛能夠保持直行，同軸兩輪行駛距離l必須一致。根據(jù)式(2)可知，胎壓半徑小的輪胎，轉(zhuǎn)速n將會增大，當(dāng)輪胎轉(zhuǎn)速提高，四輪輪速差距到一定的閥值時(shí)，通過對輪速的判斷，判斷輪胎胎壓是否過低。

3.2 輪速數(shù)據(jù)采集

輪速數(shù)據(jù)通過車輛CAN BUS總線數(shù)據(jù)采集，以某車型為例，將CAN分析儀連接到車輛OBD診斷接口的CAN_H和CAN_L，設(shè)置CAN通訊速率為500kb/s，正常通訊后，界面如圖3所示。該CAN BUS總線為車輛驅(qū)動總線系統(tǒng)，即發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、變速器系統(tǒng)、氣囊系統(tǒng)在同一CAN總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。通過該CAN通信網(wǎng)絡(luò)，可以采集到車輛ABS系統(tǒng)中的輪速數(shù)據(jù)。根據(jù)該車系CAN通信協(xié)議可知四輪輪速包含在CAN數(shù)據(jù)幀ID號為0284和0285中，其中ID號為0284的數(shù)據(jù)域前兩字節(jié)為右前輪速數(shù)據(jù)，第三和第四字節(jié)為左前輪速數(shù)據(jù)；其中ID號為0285的數(shù)據(jù)域前兩字節(jié)為右后輪速數(shù)據(jù)，第三和第四字節(jié)為左后輪速數(shù)據(jù)。以右前輪為例，其數(shù)據(jù)位于ID號0284中數(shù)據(jù)域前兩位字節(jié)，該數(shù)據(jù)幀8位數(shù)據(jù)依次為：1F 40 1F 34 0D A5 ED D1 轉(zhuǎn)速為40km/h時(shí)，該輪CAN數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制0X1F40，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后為8000，即CAN數(shù)據(jù)中的輪速數(shù)據(jù)除以200后就可以計(jì)算出實(shí)際的輪速數(shù)據(jù)值。輪速數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?0幀/秒，能夠快速反映輪胎轉(zhuǎn)速變化。當(dāng)輪胎胎壓減少時(shí)，輪胎半徑變小，直接影響輪速變化，可以從CAN數(shù)據(jù)中快速識別，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測胎壓變化的效果。輪速獲取依靠ABS ECU獲取輪速傳感器脈沖信號計(jì)算，脈沖信號受行駛路面影響，比較容易產(chǎn)生波動，數(shù)據(jù)跳動幅度較大，不利于CPU識別處理，因此，需對輪速數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

圖3 CAN數(shù)據(jù)采集

3.3 滑動平均濾波[8]

滑動平均濾波算法的主要原理為，設(shè)輪速{xt|t=1,2,3,…,n}輪速數(shù)據(jù)包含兩種信號成分，一種是短期干擾信號成分ei，比如輪胎瞬間打滑、過不平路面等；另外一種是長期有效信號fi。

輪速數(shù)據(jù)yi可以表示為：

yi為了降低短期信號對胎壓判斷的影響，必須要對ei進(jìn)行平滑濾波處理，簡單來講就是對不穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。將n個(gè)數(shù)據(jù)長度分為m個(gè)長度為L的小區(qū)間，滑動平均處理式可表示為：

由于CAN BUS總線中輪速數(shù)據(jù)發(fā)送可以達(dá)到每秒50幀，端點(diǎn)的值取零，在很短的時(shí)間內(nèi)端點(diǎn)數(shù)據(jù)就被采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)覆蓋，不會影響胎壓數(shù)據(jù)的判斷。

假設(shè)L=5時(shí)，

由上式可知，每收集到一個(gè)數(shù)據(jù)將CPU進(jìn)行一次5個(gè)數(shù)據(jù)的累加，然后再計(jì)算出平均值。當(dāng)L取值較大時(shí)，需進(jìn)行L次累加運(yùn)算，滑動平均運(yùn)算將會非常耗費(fèi)CPU資源，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，為此將上式改為：

采用式(3)運(yùn)算方式后，只需在第一次求滑動平均將滑動區(qū)間的L個(gè)數(shù)據(jù)累加，之后的滑動平均數(shù)值僅需加入新采集的數(shù)據(jù)減去最舊的數(shù)據(jù)后平均運(yùn)算即可，大大降低了CPU的運(yùn)算次數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)算速度。

車輛氣壓降低時(shí)，輪胎半徑減小，輪速增大，可以從輪胎氣壓滑動平均值算出。以左后輪輪速計(jì)算為例，輪速數(shù)據(jù)每秒發(fā)送50幀，數(shù)據(jù)更新速度快，為獲取平穩(wěn)數(shù)據(jù)，將滑動平均的數(shù)據(jù)長度取100個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)前100位取0，僅2秒就可以正常進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的滑動平均運(yùn)算，不會影響到胎壓監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)性。濾波前和濾波后的數(shù)據(jù)對比如圖4所示，濾波后，數(shù)據(jù)更加平順，特別是輪速出現(xiàn)干擾時(shí)，采用滑動平均濾波后能夠很好的將干擾過濾。

圖4 左后輪胎壓數(shù)據(jù)濾波對比圖

四個(gè)輪胎胎壓數(shù)據(jù)過濾前和過濾后波形如圖5所示，四輪輪速在直線行駛狀態(tài)下，經(jīng)過滑動平均濾波之后，輪速數(shù)據(jù)能夠清晰的反應(yīng)出四輪胎壓之間的差異。

圖5 車輪胎壓數(shù)據(jù)濾波對比圖

3.4 預(yù)警閥值確定

右后輪分別為0.24MPa，0.22MPa, 0.20MPa, 0.18MPa，其他三輪胎壓皆為0.24MPa時(shí)，輪速經(jīng)過濾波后，設(shè)右前輪速為n1，左前輪速n2，右后輪速為n3，左后輪速n4，四輪平均輪速為右后輪輪速與四輪輪速平均值比值Kn，，當(dāng)右后輪輪速值大于四輪輪速平均值時(shí)，Kn將長期穩(wěn)定在大于1的比值范圍。道路測試車速分別采用車輛在市區(qū)常用時(shí)速40kM/h，村鎮(zhèn)公路時(shí)速80kM/h，高速時(shí)速120kM/h進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)右后輪胎壓為0.18MPa時(shí)，在三種車速下，右后輪速與四輪輪速平均值的比值能夠穩(wěn)定，因此設(shè)定當(dāng)車輛四輪輪速中出現(xiàn)某一輪速高于四輪輪速平均值，且連續(xù)出現(xiàn)5次，則判定該輪胎氣壓過低。

表1 胎壓與車速測試結(jié)果

3.5 程序流程設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)中，為避免胎壓異常的錯(cuò)誤報(bào)警，當(dāng)某一輪速與四輪輪速平均值差值連續(xù)5次大于閥值時(shí)，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)將進(jìn)入報(bào)警模式。同時(shí)為避免因信號干擾，錯(cuò)誤退出報(bào)警模式，在進(jìn)入報(bào)警模式后，同樣，當(dāng)某一輪速與4輪輪速平均值差值連續(xù)5次大于閥值時(shí)，退出報(bào)警模式。程序流程如圖6所示。

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.6 休眠模式

車輛熄火后，如果靜態(tài)電流過大，電能消耗過多，容易顯現(xiàn)蓄電池虧電。一般要求車輛靜電流不能超過0.02A，胎壓監(jiān)測裝置在車輛診斷座12V電源取電，該電源為常電，如果不能有效控制胎壓監(jiān)測裝置的能耗，將對蓄電池壽命造成很大的損害。因此，設(shè)計(jì)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)在點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉后進(jìn)入待機(jī)模式。點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉后，車輛CAN通信也終止，可通過該信息作為STM32F103進(jìn)入待機(jī)模式的觸發(fā)信號。當(dāng)STM32F103接收不到CAN信息時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，達(dá)到最低電能消耗，此時(shí)STM32F103待機(jī)電流1.0μA。當(dāng)打開點(diǎn)火鑰匙后，CAN總線正常通信，WKUP管腳接收到上升邊沿信號，STM32F103退出待機(jī)模式。

為防止STM32F103在運(yùn)行過程中，因信號干擾出現(xiàn)“跑飛”，啟動“看門狗”程序，當(dāng)STM32F103出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，可以進(jìn)行自動復(fù)位。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)中的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單，對車輛整車電路系統(tǒng)無損害，使用便捷，采用滑動平均濾波算法，使得系統(tǒng)簡潔，響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)過多次實(shí)車道路測試，車輛在直線行駛時(shí)，當(dāng)某一胎壓低于0.18MPa時(shí)，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷胎壓過低的輪胎具體位置，有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 王龍.胎壓異常工況下車輛行駛穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[D].山東：山東理工大學(xué),2013.

[2] 彭何歡,鄭紅平,麻則運(yùn).基于CAN總線與無線傳感器的轎車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2011,02.

[3] 王婷.汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)與發(fā)展[J].汽車工程師,2015,01.

[4] 朱玉龍.汽車電子硬件設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[5] 楊光祥,梁華,朱軍.STM32單片機(jī)原理與工程實(shí)踐[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2013.

[6] 牛躍聽.CAN總線嵌入式開發(fā)—從入門到實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[7] 羅峰,孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[8] 裴益軒,郭民.滑動平均法的基本原理和應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2001(1)：21-23.