轮胎压力监测系统设计开题报告.doc

西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告题目：轮胎压力监测系统设计 系 别： 电子信息系 专 业： 通信工程 班 级： B090310 学 生： 李 莎 学 号： B09031038 指导教师： 冯晓岗 2012年12月23日1. 毕业设计题目背景、研究意义及国内外相关研究情况 1.1课题研究背景随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素1。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性，当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车，一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。在汽车的高速行驶过程中轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80%。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键2-3。而汽车轮胎压力监视系统（Tire Pressure Monitoring System，简称TPMS）毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统（TPMS）以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。1.2研究意义自从人类进入工业时代，汽车工业飞速发展，交通越来越便利，随之而引发的交通事故也不断地增多，其中由于轮胎问题引起事故的比例非常的高，因此人们对行驶中的轮胎压力进行了特别的关注。轮胎压力影响着轮胎的寿命和汽车的使用性能。据测试，汽车在时速160公里以上行驶时发生爆胎事故，驾乘人员的死亡率为100%。爆胎已于疲劳驾车、超速行驶并列为中国道路交通的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。据统计，在中国高速公路上发生的交通事70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例高达80%，是各种比例最高的。 轮胎是汽车的重要组成零部件，事关出行的安全。我国目前没有防止爆胎的相关强制国家标准，但是中国企业正在研发比美国更为先进、安全的系统，不仅能自动监测胎压，而且还能对爆胎后实施安全救助。研究胎压监测系统的意义主要体现在以下几个方面：(1) 用户方面：给用户带来有效、方便、快捷的胎压监测方法，使用户坐在驾驶室里面就可以随时获得轮胎的气压信息；(2) 安全方面：TPMS可以及时发现轮胎气压问题，指导驾驶员进行冲放气，避免车祸的发生，保障行车安全；(3) 社会效益方面：TPMS系统可以很较好的保障行车安全，将来会被越来越多的汽车生产厂家以及车主采用，社会需求也将会越来越大，经济效益也会随之增加；(4) 经济方面：TPMS可以提醒驾驶员经常保持轮胎压力处于标准状态，不仅可以延长轮胎的使用寿命，还可以减少油耗，节约能源，减少行车费用，同时减轻汽车废气对环境的污染。随着中国进入WTO，中国与外国之间的汽车贸易量也会越来越大，国外一些国家，如美国已立法将TPMS作为汽车的标准配置，中国汽车要想出口到这些国家也需要遵守规定装备TPMS。随着TPMS成本的进一步降低，TPMS在汽车市场上拥有量将会越来越大，特别是中国的TPMS刚刚起步，市场前景将会非常的庞大。1.3 国内外发展现状1.3.1 国外发展状况 由于国外立法较早，开发生产的汽车轮胎压力监测系统(TPMS)较为成熟。主要生产商有加拿大斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司等。迄今为止，国外己有许多车型装配了TPMS。从2002年以后发布的世界新车资料中可以看到，美国福特公司的林肯大陆、戴姆勒一克莱斯勒公司等知名汽车厂商在多种新车中都预装了TPMS。许多欧洲的汽车厂商也已将TPMS配装于其高档车型，包括宝马公司的Z8、欧宝公司2002年版威达、旁蒂亚克的旗舰产品Bon Neville SE等4。2007年已经到达美国法律强制安装汽车TPMS的时间，国外很多普通车型都已安装TPMS。例如:奔驰-CLK、C、E、G、M、SL、SLK、S系列，宝马-3、5、6、7、X3、XS、Z4系列，别克-林荫大道、荣御、君越5。国外已有许多厂家致力于TPMS专用传感器、发射芯片和接收芯片研究。飞思卡尔（Freescale）、英飞凌(Infineon)、通用(GE)、微芯（Microchip）、飞利浦(Philips)等大型跨国公司也先后相应的推出了自己的轮胎压力监测系统芯片级应用方案。随着电子技术的不断发展，飞思卡尔(Freescale)、英飞凌（Infineon）、通用(GE)先后推出了自己高集成度的发射模块或传感器模块。例如:MPXY8300是同类中的首款可以在单个封装内提供电容传感器技术、压力传感器、8-位S08微控制器(MCU)、射频(RF)发射器和双轴(X和Z轴)加速计的全面集成产品；SP30整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器并内置8位哈佛结构RISC MCU和2D通道的低频(LF)接口，且消耗的电流仅0.4uA；NPII集成了硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC处理器以及一个低频唤醒输入级，满足了系统各方面的性能要求6-8。1.3.2 国内发展状况在中国，早在2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准机动车运行安全技术条件对安装轮胎压力监测装置做出了说明9：“车长大于6米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1.2吨的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎气压报警装置” ，“有关部分机动车应安装轮胎气压报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施” 。由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用10。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位。但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性TPMS安装规定。尤其大型载货汽车，安装TPMS是非常必要的。目前中国轮胎压力监测系统市场还处于产品完善和市场起步阶段，整套系统价格还比较高，而且产业化配套的市场也没有大规模启动。根据以上情况本论文设计一款成本低廉，可靠性高的TPMS。现在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的TPMS系统，上海和重庆及广东等地有公司开始投入生产并销售TPMS，主要生产商有上海泰好电子科技有限公司、棋港电子有限公司、佛山市朗杰电子科技有限公司、深圳市瑞电通信电子有限公司等。市场主要集中在后装市场，不过其价格决定其市场规模很小。而且，TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品11。大多数厂家只是买来飞思卡尔、英飞凌、通用的零组件组装起来做成成品，属于二次设计缺乏核心技术。最近，浙江大学、吉林大学、东北大学、哈尔滨工业大学等高校都有学者对TPMS相关技术进行理论研究。1.3.3 TPMS发展阶段及趋势 TPMS的大规模应用基本上在美国修改的联邦运输法实施以后，因为具有深厚的技术积累和法律提出的时间的紧迫性，TPMS发展迅速。迄今为止，不断有更新的方案涌出。回顾这几年的TPMS技术发展道路，可以看出其发展主要可分为以下几个阶段： 第一代产品是通用汽车公司开始使用的间接式TPMS。这种产品成本低，但是由于监测结果不精确，对车速有限制等原因，将会逐渐被直接式取代。第二代产品于2000年8月在美国上市，属于直接式TPMS，基于嵌入式传感器和UHF单向transmitter/receiver系统。它刚出现时在几款汽车上作为可选部件，最近成为市场的主宰12。第三代产品是在第二代产品基础上更加集成话，小型化，基本原理相同，同属于直接式TPMS。如传感器MCU与发射器合而为一等。未来的TPMS模块将向高度集成化、单一化、无线、无源化方向发展。高集成度芯片可以降低功耗，提高系统的可靠性，并且具有良好的经济性。目前己经有了如GENPX2那样的将所需测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块。在未来几年内还会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块(例如GE准备推出的NPX3)。上海交大正在开发基于SAW技术的无线、无源仰MS新方案，目前己有初样。这将是现有TPMS技术的新的技术革命，不仅实现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，而且将拥有中国人自主的知识产权。2. 本课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法2.1本课题研究的主要内容 该系统实现的功能：将通过在轮胎内部安装的压力和温度传感器，中央控制单元对轮胎内部的温度、压力值进行采集、处理后通过无线通讯的方式将数据发送给驾驶室内部的中央监视器。中央监视器对轮胎的数据进行分析，如果发现轮胎的状态异常，则通过声光报警提示驾驶员进行处理。针对上述系统功能，本课题的主要研究内容如下：(1) 分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析该系统的关键技术、综合分析国内汽车各方面综合因素，设计系统的总体方案。(2) 系统硬件电路设计，射频天线设计及优化和匹配网络。(3) 系统软件的设计。(4) 全文总结。2.2本课题采用的研究方案2.2.1总体设计及主要元器件选择a. 轮胎压力监控系统（TPMS）组成 TPMS由两大模块：远程轮胎压力监视模块（Remote Tire Pressure Monitoring简称RTPM）和中央监视器组成，如图1所示。RTPM模块直接安装在无内胎轮胎钢毂上，测量轮胎压力和温度，并将测量得到的信号通过高频无线电波（RF）发射出去。一个TPMS系统通常有4个或5个（包括备用胎）RTPM模块。中央监视器接收RTPM模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。特别在异常时报警提醒驾驶者采取必要的措施。 图1 TPMS系统组成2.2.2硬件电路设计a. RTPM模块RTPM模块由压力/温度传感器、微处理器和RF射频发射电路组成如图2所示。微处理器进行压力、温度的测量以及RF发射控制和电源管理；RF射频发射电路将检测到的压力、温度数据无线发射出去。压力传感器微处理器RF发射电路温度传感器显示报警温度传感器图2 RTPM模块原理图b. 中央监视器模块位于汽车驾驶室内的中央监视器模块，主要完成信息的接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。因为中央监视器的供电来自汽车内部自供电，所以接收端可以不考虑功耗问题。中央监视器模块是设计轮胎压力监视系统的核心部分，由RF接收电路、微处理器、计算机显示报警装置等组成，如图3所示。RF接收电路接收RTPM模块发射的压力、温度数据信号，识别变换处理后送到计算机显示或报警。 计算机显示报警微处理器RF接收电路串口通信 图3 中央监视器模块原理图c. 器件选择 轮胎模块由传感器、微处理器、发射芯片、电池和天线组成。因为此模块要嵌入到轮胎内，所以模块的超小型和节电设计是最关键的问题。 传感器：轮胎在高速运转中，其内部的压力和离心力非常大，温度也非常高，环境相当恶劣，足以使其中的传感器件不能正常工作，所以对放入其中的传感器件有相当高的要求。首先，它的质量要非常轻；其次，要能够在恶劣的环境中稳定工作；再次，轮胎中没有供电设备，所以要求其功耗很低13。 发射芯片：由于本方案所设计的轮胎模块放置在汽车轮胎中，难以通过有线连接传送数据，只能通过无线传送数据，所以发射模块采用短距离无线高频发射技术发送数据，主要完成数据采集的控制、数据的分析和处理以及数据的无线发射. 单片机连接传感器能定期检查气压和温度数据，为降低功耗，单片机可在完成发送信号后，马上进入休眠状态，由外部的中断源将其唤醒单片机连接发射器，利用单片机中的锁相环(PLL)将较低频率转换为较高频率，实现短距离高频无线发射14-15。2.2.3 软件设计 TPMS系统的软件主要由两个模块组成，即RTPM子程序和接收通信子程序。RTPM子程序用于检测、处理、发送胎压、温度和轮胎标识信息，接收通信子程序完成数据接收和串行通信。RTPM流程框图如图4所示。是否禁止中断采样胎温t否t40否是是p、t与上一次采样值相同？数据处理发送数据帧开中断休眠采样胎压pi=i+1i10？看门狗唤醒图4 RTPM子程序流程框图接收通信子程序用于接收、处理（显示和报警）轮胎压力和温度的射频信息，包括初始化、射频中断服务、定时器中断服务和串行中断服务。流程图如图5所示。初始化启动射频接收器和定时器开始送去显示或报警接收数据返回图5 接收通信子程序流程图3. 本课题研究的重点及难点重点：传感器的选取，无线数据传输。难点：低功耗发射，PCB环形元件的设计。4. 前期已开展工作搜集轮胎压力监测的相关文献，仔细研读，了解其基本框架。搜集有关TPMS与RF发射与接收的相关内容。熟练掌握单片机的应用。5. 本课题的工作方案及进度计划完成课题研究及设计的进度计划初步拟定如下：(1) 1718周，前期准备工作，完成毕业设计所需资料的收集； (2) 1819周，完成开题报告的撰写并进行开题答辩；(3) 19新学期第3周，完成轮胎压力监测系统软、硬件设计；(4) 45周，撰写中期报告，进行中期答辩；(5) 611周，系统调试，实现所有编程，达到设计功能要求；(6) 1213周，撰写设计说明书，定稿、打印、准备毕业答辩。 参考文献1 宋伟.美国汽车安全标准新要求安装轮胎压力监测器J.轻型汽车技术,2002,6:78-79.2 罗小青.高速公路上的爆胎原因及预防措施J.公路与汽运,2001,2:17-18.3 桑永福.浅析影响汽车轮胎爆胎的因素J.江苏交通,2002,4:36-37.4 Kowalewski M