通用型汽車胎壓胎溫監(jiān)測系統(tǒng)研究

莊嚴(yán)，王凌云，張國玉，王醒華

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

隨著社會不斷進(jìn)步和科學(xué)水平日益提高，汽車變成了普通的代步工具走入萬千百姓家。汽車的普及在給人們帶來方便的同時，由其引發(fā)的交通事故卻給人們帶來深深的擔(dān)憂。因此，如何降低行車風(fēng)險，保障人身安全也成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)話題。汽車的輪胎是汽車的主要消耗件，也是影響著車輛行駛安全的重要因素之一［1］。輪胎的胎壓異常會導(dǎo)致輪胎胎體變形，促使橡膠老化，胎體彈性降低等問題，大大地縮減了輪胎的使用壽命，并且會有爆胎的可能。所以，實(shí)時監(jiān)測行駛中的輪胎胎壓尤為重要［2，3］。

汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，簡稱TPMS）是一種輪胎氣壓實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器獲取汽車輪胎壓力、溫度等重要信息［4］，通過內(nèi)部處理器對輪胎信息進(jìn)行處理分析，并采用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎數(shù)據(jù)的傳送與接收，最后將輪胎壓力、溫度信息顯示給汽車駕乘人員［5］，并在輪胎溫度過高、快速漏氣、欠壓、過壓、傳感器電壓異常的情況下通過蜂鳴器和顯示器進(jìn)行雙重報(bào)警，從而保障駕駛員的生命安全［6］。因此TPMS的研究對于提高汽車行車安全具有重大意義。

1 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的胎溫胎壓監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成，包括傳感器、接收器、顯示器三部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 胎溫胎壓監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 傳感器部分

普通的TPMS都是適用于家用小汽車，而本文所設(shè)計(jì)的TPMS適用于所有車型，壓力測量范圍更廣，當(dāng)應(yīng)用加長大貨車上時，還要考慮到傳感器與接收器距離遠(yuǎn)，接收信號不穩(wěn)定等問題。所以，本系統(tǒng)傳感器選取英飛凌SP370芯片，它的壓力測量范圍為100kpa～1300kpa，它的發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，集成度高，內(nèi)置MCU、壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、電壓檢測傳感器、RF模塊?；趥鞲衅髂K的工作環(huán)境，傳感器的供電采用容量為500mAh的3.7v寬溫電池，比常用的胎壓傳感器供電電池3.2v更高，發(fā)射功率也隨之增強(qiáng)，電池容量也滿足常規(guī)使用壽命需求。傳感器模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器模塊電路原理圖

1.2 接收器部分

接收器部分接收傳感器模塊發(fā)射的胎壓胎溫等數(shù)據(jù)，并傳送到顯示器模塊的微處理器。為了提高傳輸靈敏度，芯片采用單向傳輸方式，接收芯片選取英飛凌最新推出的具備高靈敏度和低功耗特性的增強(qiáng)型無線控制接收器TDA5235。TDA5235支持多頻段，可以覆蓋全球，它在FSK調(diào)制模式下的典型靈敏度為-118dBm，最高可達(dá)-122dBm。它還支持自主接收模式，可以自動提取有效負(fù)載，只需極少的軟件開發(fā)投入和最少的外部原件，節(jié)省成本。接收器模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 接收器模塊電路原理圖

1.3 顯示器部分

顯示器部分模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能包括胎壓信息的處理、顯示和報(bào)警。顯示器部分電路由顯示控制電路、蜂鳴器電路、電源電路組成。顯示器模塊微控制器采用STC系列中STC12C5A16S2單片機(jī)，16K程序空間，1280字節(jié)內(nèi)存，兩個串口，自帶EEPROM，5V供電，加密方式可靠。顯示器采用128*64LCD點(diǎn)陣液晶屏，可以同時顯示8個輪胎的狀態(tài)信息。蜂鳴器采用直流蜂鳴器，在報(bào)警時以聲響提示。電源電路采用LM2596作為主芯片，可以支持5～30V輸入，適用各種車型。顯示器模塊電路原理圖如圖4所示。

2 TPMS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)軟件設(shè)計(jì)

TPMS的主要作用即對行駛中的汽車輪胎進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并且在輪胎狀態(tài)異常時以聲響向駕乘人員報(bào)警，并將問題源顯示出來。

每一個安裝于輪胎內(nèi)部的傳感器都有自己的ID，并與所在輪胎一一對應(yīng)。考慮到實(shí)際情況，當(dāng)出現(xiàn)替換輪胎時，應(yīng)考慮到輪胎ID的更改問題。而且，由于接收器模塊只有一個，而傳感器模塊有多個，也應(yīng)考慮避免重復(fù)接收同一傳感器模塊信息而造成丟包現(xiàn)象。保證監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。本文針對以上問題，做了如下設(shè)計(jì)。

2.1 輪胎定位配置軟件設(shè)計(jì)

圖4 顯示器模塊電路原理圖

考慮到實(shí)際情況，由于各個輪胎的工作條件和負(fù)荷不同，會導(dǎo)致汽車左右輪胎的磨損不均問題，為了延長輪胎的使用壽命，會定期適時地交換輪胎位置，這就導(dǎo)致原來存儲在接收模塊存儲器中的位置信息與各輪胎對應(yīng)關(guān)系失效，如果不更新信息，顯示就會錯位。

目前為了解決輪胎換位時的重定位問題，主要采用了定編碼形式［7］、界面輸入［8］、低頻喚醒、天線接收近發(fā)射場［9，10］等四種定位技術(shù)。然而這四種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用都存在使用不方便及抗干擾差的問題［11，12］。

圖5 輪胎定位配置流程框圖

本文基于抗干擾和使用便捷性提出了一種在顯示器界面中區(qū)分傳感器輪胎定位方案。所謂區(qū)分傳感器，即胎壓監(jiān)測模塊在出廠時即設(shè)定好安裝位置。比如對于四輪小轎車而言，000代表左前輪，001代表右前輪，010代表后左輪，011代表后右輪（大型車輛依次類推），這兩位編碼和傳感器的唯一ID碼作為數(shù)據(jù)的一部分發(fā)送給顯示器部分，通過對顯示器的MCU進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)編碼的識別和循環(huán)選擇。使用者在調(diào)換輪胎后，只需記住順序即可，通過在LCD部分進(jìn)行簡單的操作就可實(shí)現(xiàn)輪胎的準(zhǔn)確重新定位。輪胎定位配置流程框圖如圖5所示。

2.2 傳感器喚醒周期的隨機(jī)延時設(shè)計(jì)

傳感器SP370內(nèi)置了定時器，由于傳感器的喚醒周期相同，所以有存在不同傳感器一直同時喚醒的可能。為了解決這一問題，在軟件設(shè)計(jì)時，增加了隨機(jī)延時的措施。即在傳感器的定時器設(shè)置時以不規(guī)律的隨機(jī)延時序列改變傳感器的喚醒周期，并將該周期限定在0.2s內(nèi)。既能規(guī)避了不同傳感器一直同時喚醒的問題，又能保證傳感器的喚醒周期不偏離實(shí)際需求。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 隨機(jī)延時流程框圖

3 誤包率與測量精度測試

TPMS系統(tǒng)的誤包率和測量精度是系統(tǒng)的重要指標(biāo)，直接影響著系統(tǒng)的性能，對研制的通用型汽車胎溫胎壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了誤包率和測量精度的測試，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.1 誤包率測試

系統(tǒng)的誤包率是指接收顯示模塊丟失來自數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)包或接收到錯誤的數(shù)據(jù)包的概率。通過對比發(fā)射端的數(shù)據(jù)包編碼來確定是否有丟包，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC8校驗(yàn)來判斷數(shù)據(jù)包是否接受正確。實(shí)際測試中，當(dāng)發(fā)射和接收模塊距離35米時，為了縮短測試時間，采用0.1s定時發(fā)送數(shù)據(jù)，每組測試10萬次，共測十組。為了統(tǒng)計(jì)方便，將接受顯示端與上位機(jī)相連，接受到當(dāng)前包正確則發(fā)送1給上位機(jī)，如果有錯或者丟包則發(fā)送0。十組測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 誤包率測試數(shù)據(jù)

3.2 測量精度測試

隨機(jī)選取壓力分別為120kpa、165kpa、250kpa、325kpa時對TPMS進(jìn)行測試，求出標(biāo)稱誤差，若小于±2%FS，則滿足技術(shù)指標(biāo)要求。在溫度分別為-2℃、20℃、60℃、75℃環(huán)境下分別進(jìn)行測試，求出標(biāo)稱誤差，若小于±2%FS，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。測量結(jié)果如表2所示。其中：

標(biāo)稱誤差=（最大的絕對誤差）/量程×100%

表2 實(shí)際測試結(jié)果表

由表2可知，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的溫度壓力測量精度均高于±2%FS，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

文中針對TPMS實(shí)際運(yùn)用中的低功耗及低誤包率要求，提出了基于傳感器內(nèi)部MCU定時及隨機(jī)數(shù)延時相結(jié)合的復(fù)合定時算法，有效降低了不同傳感器同時發(fā)送數(shù)據(jù)而造成的丟包、誤包概率，達(dá)到了發(fā)射模塊和接收模塊相距35米時的誤包率低于1‰的要求。針對TPMS實(shí)際使用過程中由于輪胎磨損需要調(diào)換輪胎位置造成的輪胎重新定位問題，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種在顯示器界面區(qū)分傳感器的輪胎定位方案，具有抗干擾能力強(qiáng)，操作簡單，價格低廉等特點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景。

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