多無線傳感模式的TPMS設(shè)計*

梁　濤，楊偉達(dá)，楊玉坤，王　睿（河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130）

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多無線傳感模式的TPMS設(shè)計*

梁濤*，楊偉達(dá)，楊玉坤，王睿
（河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130）

摘要：據(jù)統(tǒng)計，輪胎氣壓異常是導(dǎo)致汽車發(fā)生交通事故的主要因素，而事實已經(jīng)證明輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS（Tire Pres?sure Monitoring System），能有效的監(jiān)測輪胎的實時氣壓狀況，并在輪胎氣壓出現(xiàn)異常時對駕駛者做出預(yù)警，以保障行車安全。然而，目前市場上應(yīng)用的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)需要接入汽車的總線網(wǎng)絡(luò)并通過汽車儀表盤來完成胎溫胎壓數(shù)據(jù)的顯示，這樣就造成實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新延遲，而不能保證駕駛?cè)藛T有足夠充裕的時間來應(yīng)對輪胎氣壓出現(xiàn)的問題。為了解決這個問題，介紹設(shè)計的一種不依附于汽車總線網(wǎng)絡(luò)和儀表盤的多無線傳感模式的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括總體方案、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、預(yù)測控制算法、測試結(jié)果。經(jīng)試驗和測試表明：此輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測能快速高效的監(jiān)測輪胎的實時氣壓和溫度，并降低了輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的造價成本，有很強(qiáng)的實用性。

關(guān)鍵詞：TPMS；胎壓監(jiān)測傳感器；ID學(xué)習(xí)機(jī)；數(shù)據(jù)接收終端

項目來源：河北省科技支撐計劃項目（14214902D）

輪胎爆胎由于其突發(fā)性和不可預(yù)測性，成為了導(dǎo)致行駛中的汽車發(fā)生交通事故的首要因素。保持標(biāo)準(zhǔn)的輪胎氣壓以及及時發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓出現(xiàn)的異常狀況是防止爆胎的關(guān)鍵。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS（Tire Pressure Monitoring System），是一種利用安裝在汽車輪轂上的胎壓監(jiān)測傳感器實時采集汽車輪胎的壓力、溫度、加速度等信息，并將胎溫胎壓數(shù)據(jù)信息利用無線傳輸技術(shù)傳送到數(shù)據(jù)接收終端上實時顯示，且在輪胎出現(xiàn)異常時對駕駛者進(jìn)行預(yù)警的汽車主動安全系統(tǒng)［1-5］。

針對目前市場上應(yīng)用的TPMS的不足，設(shè)計了一種多無線傳感模式的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)硬件的設(shè)計以及多種無線通信協(xié)議的規(guī)劃，實現(xiàn)了一套高效的TPMS應(yīng)用方案。

1　總體設(shè)計方案

此TPMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括安裝在汽車輪轂上的內(nèi)置式胎壓監(jiān)測傳感器、ID學(xué)習(xí)機(jī)和數(shù)據(jù)接收終端。

圖1　總體設(shè)計

安裝在輪胎輪轂上的內(nèi)置式胎壓監(jiān)測傳感器主要負(fù)責(zé)實時監(jiān)測汽車輪胎內(nèi)的溫度和壓力，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信號以無線方式傳輸給數(shù)據(jù)接收終端處理，數(shù)據(jù)接收終端將處理過的胎溫胎壓數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏直接顯示在駕駛?cè)藛T面前。而ID學(xué)習(xí)機(jī)作為獨立于汽車的輔助設(shè)備，主要負(fù)責(zé)以無線方式來讀取安裝在汽車各個輪轂上的胎壓監(jiān)測傳感器ID號（胎壓監(jiān)測傳感器的唯一身份標(biāo)識），并將各個胎壓監(jiān)測傳感器的ID號以及相關(guān)的位置信息，以無線方式傳輸給數(shù)據(jù)接收終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收終端對各個位置的胎壓監(jiān)測傳感器的識別與定位［6-9］。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1胎壓監(jiān)測傳感器硬件設(shè)計

由于胎壓監(jiān)測傳感器處于強(qiáng)壓力、強(qiáng)濕度、強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)震動的工作環(huán)境下，故設(shè)計的胎壓監(jiān)測傳感器采用固化整體設(shè)計，通過塑料外殼對電路板進(jìn)行密封，并在塑料外殼與電路板之間填充硅膠，成型的胎壓監(jiān)測傳感器僅通過露出塑料外殼的氣門嘴來發(fā)射無線數(shù)據(jù)信號。胎壓監(jiān)測傳感器硬件框圖如圖2所示。設(shè)計的胎壓監(jiān)測傳感器以集成了加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電池電壓檢測模塊、MCU、內(nèi)部時鐘和數(shù)模轉(zhuǎn)換器于一體的SP30傳感器為核心，主要用來感應(yīng)輪胎內(nèi)的實時壓力和溫度信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號后進(jìn)行數(shù)字化處理；SP30傳感器將處理后的數(shù)據(jù)信號經(jīng)FSK方式調(diào)制后通過氣門嘴天線發(fā)射出來，其發(fā)射出來的信號中心頻率為434 MHz。胎壓監(jiān)測傳感器也能通過低頻天線來感應(yīng)ID學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)出的125 kHz無線喚醒信號，信號經(jīng)濾波電路的濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號由SP30的MCU來處理，MCU判別數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，并做出應(yīng)答。電池采用3 V紐扣電池，為SP30傳感器提供所需電能。

圖2　胎壓監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2.2數(shù)據(jù)接收終端硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)接收終端主要包括無線信號天線、信號轉(zhuǎn)換模塊、MCU、電源模塊、濾波電路，如圖3所示。數(shù)據(jù)接收終端主要用來接收、處理胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)來的無線監(jiān)測信號以及ID學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)來的無線定位信號；將胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)來的實時監(jiān)測信息通過LCD顯示屏顯示給駕駛?cè)藛T，且通過已存儲的ID與相關(guān)的位置信息來判別接收到的胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)來的無線信號的位置歸屬，所以TPMS系統(tǒng)進(jìn)行胎壓監(jiān)測前需要用ID學(xué)習(xí)機(jī)將胎壓監(jiān)測傳感器的ID號和相關(guān)的位置信息以無線方式寫入到數(shù)據(jù)接收終端中存儲。

圖3　數(shù)據(jù)接收終端結(jié)構(gòu)框圖

無線信號接收天線接收胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)出的無線監(jiān)測信號或者ID學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)出的無線定位信號；無線信號經(jīng)過濾波電路的濾波后傳輸?shù)揭訡C1101芯片為核心的信號轉(zhuǎn)換模塊，CC1101芯片能將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號，并通過SPI通訊方式將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號傳送給MCU（MK60DN512ZVLL10嵌入式微控制器）處理。MCU將接收到的胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)與已存儲的胎壓監(jiān)測傳感器ID號和相關(guān)的位置信息對比，并在LCD顯示屏上對應(yīng)位置處顯示輪胎的實時氣壓和溫度。電源模塊采用并聯(lián)的6節(jié)1.5 V電池組成的電池組以及AS1358-BTTT-33升壓芯片，AS1358-BTTT-33升壓芯片將1.5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓為MCU和信號轉(zhuǎn)換模塊供電。

2.3ID學(xué)習(xí)機(jī)硬件設(shè)計

ID學(xué)習(xí)機(jī)為TPMS輔助設(shè)備，主要用于完成數(shù)據(jù)接收終端與已安裝在不同輪胎內(nèi)的胎壓監(jiān)測傳感器之間的定位工作。

ID學(xué)習(xí)機(jī)主要包括無線信號天線、喚醒信號發(fā)射模塊、無線信號收發(fā)模塊、MCU、電源模塊，如圖4所示。

圖4　ID學(xué)習(xí)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

MCU產(chǎn)生喚醒胎壓監(jiān)測傳感器所需的125KHzPWM波，經(jīng)喚醒信號發(fā)射模塊中的TC4425芯片的放大后通過LC震蕩模塊調(diào)制并發(fā)射以正弦波為載波的信號波，來喚醒胎壓監(jiān)測傳感器得到胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)回的無線數(shù)據(jù)信號。胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)出的無線數(shù)據(jù)信號由ID學(xué)習(xí)機(jī)的無線信號接收天線接收，經(jīng)以CC1101芯片為核心的無線信號收發(fā)模塊中的CC1101芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并以SPI通訊方式傳送給MCU（MK60DN512ZVLL10嵌入式微控制器）處理，存儲。當(dāng)汽車上所有的胎壓監(jiān)測傳感器的ID和位置信息存儲完畢后，MCU將處理過的ID以及相關(guān)的位置信息按照一定的數(shù)據(jù)格式，以SPI通訊方式傳輸給CC1101芯片，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過無線信號天線發(fā)射出去。電源模塊為并聯(lián)的6 節(jié)1.5 V電池組成的電池組以及AS1358-BTTT-33升壓芯片，AS1358-BTTT-33升壓芯片將1.5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓為MCU和無線信號收發(fā)模塊供電。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了保障通信的可靠，建立了主從結(jié)構(gòu)的通信模式。其中，以數(shù)據(jù)接收終端為通信系統(tǒng)的主節(jié)點，以ID學(xué)習(xí)機(jī)和胎壓監(jiān)測傳感器為通信系統(tǒng)的從節(jié)點。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括胎壓監(jiān)測傳感器的軟件設(shè)計、ID學(xué)習(xí)機(jī)的軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)接收終端的軟件設(shè)計。系統(tǒng)的信源編碼采用占空比為1∶1，且具有良好的抗干擾性能和自同步能力的曼徹斯特編碼，如圖5所示。

圖5　曼徹斯特編碼方式

3.1胎壓監(jiān)測傳感器軟件設(shè)計

由于SP30傳感器內(nèi)部集成有加速度傳感器，故可以通過判斷汽車的啟動、運行、停止?fàn)顟B(tài)來控制胎壓監(jiān)測傳感器所處的狀態(tài)，以降低功耗。其胎壓監(jiān)測過程中的軟件流程圖如圖6所示。

圖6　胎壓監(jiān)測傳感器的軟件流程圖

在胎壓監(jiān)測過程中或者在接收到ID學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)來的正確無線喚醒信號后，胎壓監(jiān)測傳感器均發(fā)送如表1所示的無線數(shù)據(jù)幀信號。其中，2個字節(jié)的前導(dǎo)碼由SP30自動生成，1個字節(jié)的標(biāo)識碼用來標(biāo)識此無線數(shù)據(jù)幀信號來自胎壓監(jiān)測傳感器；4個字節(jié)的ID號表示胎壓傳感器的身份信息；1個壓力字節(jié)表示輪胎的實時壓力；1個溫度字節(jié)表示輪胎的實時溫度；1個校驗和字節(jié)；校驗和字節(jié)為從標(biāo)識碼到溫度字節(jié)經(jīng)過X8+X5+X4+1得到的CRC校驗碼，用于判別數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1　SP30傳感器發(fā)出的無線數(shù)據(jù)幀信號格式

3.2數(shù)據(jù)接收終端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)接收終端作為整個通信系統(tǒng)的主節(jié)點需要預(yù)存ID學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)來的各個胎壓監(jiān)測傳感器的ID和對應(yīng)的位置信息。在實時監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)接收終端的軟件流程圖如圖7所示，數(shù)據(jù)接收終端實時接收各個胎壓監(jiān)測傳感器發(fā)來的胎溫胎壓監(jiān)測信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理后通過LCD顯示屏顯示出來。

圖7　數(shù)據(jù)接收終端的軟件流程圖

安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的汽車在出廠前或者在汽車4S店進(jìn)行胎壓監(jiān)測傳感器的重定位時，都需要ID學(xué)習(xí)機(jī)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收終端對各個位置的胎壓監(jiān)測傳感器的識別與定位，并將相關(guān)信息寫入數(shù)據(jù)接收終端中存儲。

ID學(xué)習(xí)機(jī)的軟件流程圖如圖8所示，其發(fā)射的喚醒胎壓監(jiān)測傳感器的125 kHz無線喚醒信號的信號幀格式如表2所示，經(jīng)過胎壓監(jiān)測傳感器對無線喚醒信號的前導(dǎo)碼和同步頭的校準(zhǔn)，以及對喚醒ID和數(shù)據(jù)的驗證來確定是否返回對應(yīng)的無線數(shù)據(jù)幀應(yīng)答信號。ID學(xué)習(xí)機(jī)將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)接收終端的無線數(shù)據(jù)幀信號格式如表3所示，其中起始位和結(jié)束位做為數(shù)據(jù)幀傳輸開始和結(jié)束的標(biāo)識，標(biāo)識碼用來標(biāo)識此無線數(shù)據(jù)幀信號來自ID學(xué)習(xí)機(jī)；ID1、ID2、ID3、ID4，分別表示汽車的左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的ID號。

表2　無線喚醒信號幀格式

表3　無線數(shù)據(jù)幀信號寫入格式

4　預(yù)測控制算法設(shè)計

為了充分保障車輛行駛的安全性，系統(tǒng)采用了一種預(yù)測控制算法，針對輪胎氣壓的快速變化做出反應(yīng)，并依據(jù)輪胎氣壓數(shù)據(jù)變化趨勢，預(yù)測對汽車產(chǎn)生的影響，當(dāng)輪胎氣壓出現(xiàn)異常及有相應(yīng)趨勢時為駕駛?cè)藛T提供預(yù)警［10-13］。

設(shè)計的輪胎胎溫胎壓數(shù)據(jù)更新時間為1 s，而每采集10次胎溫胎壓數(shù)據(jù)即t=10 s時，則計算一次輪胎氣壓的平均值和變化速率以及趨勢：

P1=p1+p2+……+p9+p10；ΔP1=P1/t；

P2=p11+p12+……+p19+p20；ΔP2=P2/t；

ΔP1*=（ΔP2-ΔP1）/t；

P3=p21+p22+……+p29+p30；ΔP3=P3/t；

該系統(tǒng)體積小，重量輕，成本低廉可應(yīng)用于未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)，只需依據(jù)光伏組件的實際數(shù)量做出具體調(diào)整即可.并且證明該系統(tǒng)使用的傳感器測量的電流、電壓信號的精度高、可靠性好.因為該傳感器延時短可以即時發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障節(jié)點，更加方便工作人員及時對光伏陣列進(jìn)行維護(hù)與檢修，進(jìn)而在保證生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上提高了光伏發(fā)電效率.

ΔP2*=（ΔP3-ΔP2）/t；

…；

Pn=p［10*（n-1）+1］+p［10*（n-1）+2］+…+p［10* （n-1）+9］+p［10*（n-1）+10］；ΔPn=Pn/t；

ΔP（n-1）*=［ΔPn-ΔP（n-1）］/t；

其中pn（n>0）表示第n次監(jiān)測的輪胎實時壓力；

①當(dāng)pn（n>0）高于輪胎氣壓安全范圍上限時，或者pn（n>0）低于輪胎氣壓安全范圍下限時，數(shù)據(jù)接收終端均做出相應(yīng)的報警。

②依據(jù)ΔPn（n>0）以及ΔP（n）*（n>1）的來判別輪胎氣壓升高或者降低的狀態(tài)，分析出輪胎是否漏氣，并根據(jù)所處的狀態(tài)做出報警。

③依據(jù)ΔPn（n>0）以及ΔP（n）*（n>1），可以對輪胎氣壓走勢做出預(yù)測，在輪胎氣壓出現(xiàn)異常前對駕駛?cè)藛T做出警告提示。當(dāng)ΔPn（n>0）接近安全范圍的上限時，且ΔP（n）*（n>1）>0，則表明輪胎氣壓將要到達(dá)安全范圍上限，需要給駕駛?cè)藛T提供相應(yīng)警告；當(dāng)ΔPn（n>0）接近安全范圍的下限時，且ΔP（n）*（n>1）<0，則表明輪胎氣壓將要到達(dá)安全范圍下限，需要給駕駛?cè)藛T提供相應(yīng)警告。

圖8　ID學(xué)習(xí)機(jī)的軟件流程圖

5　測試結(jié)果

①依靠國內(nèi)某大型汽車生產(chǎn)商提供的測試環(huán)境，選擇城市普通的平直公路，分別在不同測試環(huán)境下，進(jìn)行大量驗證測試，得到如表4所示的測試結(jié)果。

表4　測試結(jié)果

由于此系統(tǒng)工作在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，故系統(tǒng)應(yīng)用的各種無線數(shù)據(jù)信號都容易受到外部信號的干擾而發(fā)生失真，因此很難保證無線數(shù)據(jù)信號100%可靠的傳輸。而測試結(jié)果顯示，此系統(tǒng)在不同的溫度、濕度環(huán)境下對各種無線信號的傳輸均能得到95%及以上的可靠度，說明系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，達(dá)到市場應(yīng)用所需的標(biāo)準(zhǔn)。而且由于系統(tǒng)不依附于汽車總線和儀表，而是直接將接收到的胎溫胎壓數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，這樣就使得數(shù)據(jù)的更新速度有了400 ms以上的提高，這對行駛中的汽車來說有十分重要的意義。

②對不同狀態(tài)下的輪胎，通過數(shù)顯胎壓計和測溫儀，測試輪胎的胎溫胎壓并與數(shù)據(jù)接收終端更新的胎溫胎壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

表5　數(shù)據(jù)測試結(jié)果

測試結(jié)果表明數(shù)顯胎壓計和測溫儀，測試的輪胎胎溫胎壓數(shù)據(jù)與接收終端更新的胎溫胎壓數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)基本一致，表明設(shè)計的此TPMS性能可靠，有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

6　結(jié)論

設(shè)計的此多無線傳感模式的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，采用多種無線傳感的方式，實現(xiàn)了可靠度95%

及以上的TPMS設(shè)計，能有效對汽車輪胎進(jìn)行胎溫胎壓監(jiān)測，使駕駛?cè)藛T能實時監(jiān)測輪胎氣壓所處的狀態(tài)及變化趨勢，以預(yù)防爆胎的發(fā)生，為汽車的行駛安全提供了有力的保障。

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梁濤（1975-），教授，博士，從事自動控制、汽車電子、計算機(jī)智能控制和現(xiàn)場總線技術(shù)的研究；

楊偉達(dá)（1990-），碩士研究生，從事嵌入式應(yīng)用開發(fā)、汽車電子、無線通訊等方面的研究。

TPMS Design Based on Multiple Wireless Sensing Mode*

LIANG Tao*，YANG Weida，YANG Yukun，WANG Rui
（School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Abstract：Accordingto the statistics，abnormal tire pressure is amajor factor leadingto automobile traffic accidents，and the facts have proven that tire pressure monitoringsystem（Tire Pressure Monitoring System，TPMS），can monitor the real-time pressure situation effectively，when an exception occurs in the tire pressure it also makes a warning to the driver to ensure driving safety. However，the application of the current market tire pressure monitoring systems need access to bus network and through the car dashboard to complete the tire temperature tire pressure datadisplay，which resulted in the real-time monitoringdataupdate delay，but can not guarantee that the driver has enough ample time to deal with tire pressure problems.To solve this problem，introduce a multiple wireless sensing mode tire pres?sure monitoringsystem，which not depend on the bus network and the car dashboard，includingthe overall program，hardware design，software design，predictive control algorithm，test results.The experiment and the test showed that：the tire pressure monitoringsystem monitors the pressure and temperature in real-time monitoringof tire quickly and efficiently，which can also reduce the construction cost of the tire pressure monitoringsystem，has astrongpractical.

Key words：TPMS；Tire pressure monitoringsensors；ID learningmachine；Datareceivingterminal

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.026

收稿日期：2015-09-17修改日期：2015-11-18

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）03-0456-06