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两华大学硕士学位论文 汽车胎压动态监测系统的研制 车辆工程专业 研究生李浩指导教师徐延海 随着社会文明的发展和科技的进步，汽车在国家交通运输中起着越来越重 要的作用，但是随之而来的是与日俱增的交通事故。爆胎是引起事故的主要原 因。因此，实时监测轮胎气压，及时发现异常情况就变成了非常重要的事情。 胎压篮测系统( 皿m s ) 可以将轮胎的压力以及温度信号采集出来，并显示在 屏幕上。在测量值超过预设范围时，报警通知驾驶员，达到安全驾驶的目的。 同时也作为汽车底盘综合控制系统的有机组成部分，为今后的汽车主动安全控 制提供信息。 本文从理论基础、关键技术、硬件设计和软件设计等几个方面对胎压动态 监测系统进行了研究。首先介绍了t p m s 的发展历程，分类以及未来的发展方 向，对应用于t m p s 的知识做了阐述；其次详细介绍了本文设计的直接式t p m s 的实现方案，系统结构，然后对系统的硬件设计作了重点的说明。系统分为上 位机和下位机两个部分，上位机安装在驾驶台处，每个轮胎轮毂上面安装一个 下位机。上位机和下位机之间采用射频通信。下位机负责采集轮胎压力、温度 等信息，并且发送出去，上位机接受下位机信号，数据处理、报警，并且通过 通信接口和外界交互。下位机由s p l 2 传感器、单片机p i c l 6 f 8 7 6 和射频发送 器 1 5 7 5 4 的组成。上位机则由射频接受器t 5 7 4 3 、p i c l 6 f 8 j | 7 、c a n 控制器 s j a l 0 0 0 和液晶显示屏1 6 0 2 组成，并且对各个模块电路图作了较为详细的说 明，给出了p c b 图；接着是系统软件设计，采用了c 语言和汇编语言混合编 成，充分发挥了两者的优势。考虑到下位机的工作环境，必须采用合理的算法 来降低功耗，同时还对通信的数据帧进行了定义。上位机除了分析接收到的数 据，报警以外，还要处理来自c a n 总线的中断。通过系统测试，表明了该胎 压监测系统的有效性，实现了所要求的基本功能。文章最后，对系统设计工作 i 堕兰查竺堕主堂堡堡奎 进行了总结，并对t p m s 的未来发展以及在汽车主动安全性的综合控制方面的 作用做出了展望。 关键字：胎压监测系统；硬件设计；软件设计 i i 啊华人学硕七学位论文 d e s i g no f t i r ep r e s s u r em o n i t o rs y s t e m v e h i c l ee n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l ih a o s u p e r v i s o r ：x uy a n h a i w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a lc i v i l i z a t i o na n dt e c h n o l o g y , a u t o m o b i l eh a s b e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o n b u tw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t r a f f i ca c c i d e n t sa r ei n c r e a s e ds t e a d i l yt i m b l o w o u ti st h em a i nr e a s o nt h a tc a u s e st h ea c c i d e n t s t h u s ，r e a l - t i m em o n i t o r i n g t i r ep r e s s u r ea n df i n d i n go u ta b n o r m a ls i t u a t i o ni nt i m ei st h ek e yp o i n tt oa v o i dt h i s t y p eo f a c c i d e n t t i r ep r e s s u r em o n i t o rs y s t e m ( t p m s ) c a nc o l l e c tt h ep r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r es i g n a l so fe a c ht i r e ，a n dd i s p l a yt h e mo nl c ds c r e e n b e a c u s ei tc a n a l e r tt h ed r i v e rw h e nt h ed a t ae x c e e d ss t a n d a r do n e s ，i tm a k e st h ed r i v e rm o r es a f e i ti sa l s oa p a r to fa u t o m o b i l ec h a s s i sc o n 拓o ls y s t e m ，a n dc a np r o v i d ed a t af o r a u t o m o b i l ea c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，t o o t h eb a s i ct h e o r y , k e yt e c h n o l o g i e s h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no f 删sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s to fa 1 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t a n dt e n d e n c yo ft m p s ，a n dt h ek e yk n o w l e d g ew h i c ht p m si sn e e d e d s e c o n d l y , t h es y s t e mf r a m e w o r ko ft h et p m si sp r e s e n t e di nd e t a i l t h i r d l y , t h es y s t e m h a r d w a r ed e s i g ni sg i v e ni ns y s t e mf r a m e w o r ko ft p m s t k ss y s t e mc a nd i v i d e i i l t ot w op a r t s ：h o s tm c ua n dc l i e n tm c u t h eh o s tm c ui ss e ti nc a b 。a n dt h e c l i e n tm c ui sm o u n t e do nw h e e lh u b t h et w op a r t sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r b yr a d i of r e q u e n c y t h ec l i e n tm c u i sr e s p o n s i b l et og a t h e rp r e s s u r es i g n a l ， t e m p e r a t u r es i g n a la n da c c e l e r a t i o ns i g n a l ，a n ds e n dt h e mt oh o s tm c ub yi 心t h e h o s tm c ud e a l sw i t ht h e s ed a t aa f t e rr e c e i v i n gi tf r o mc l i e n tm c u i tc a na l s o c o m m u n i c a t ew i t ho t h e rs y s t e mf o rf u r t h e ra c t i v ec o n t r o lo fc h a s s i s t h ec l i e n t m c ui sc o m p o s e do f s e n s o rs p l 2 。m c up i c l 6 f 8 7 6a n dr ft r a n s m i t t e rt 5 7 5 4 ；a n d t h eh o s tm c ui sm a d eu po f r fr e c e i v e rt 5 7 4 3 ，m c up i c l 6 f 8 7 7 ，c a nc o n t r o l l e r m 题华大学硕士学位论文 s j a l0 0 0a n dl c ds c r e e n16 0 2 t h ec i r c u i to fe v e r ym o d u l ei s e x p a t i a t e d r e s p e c t i v e l y t h e n ，t h es o u r c ec o d eu s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g e i s p r o g r a m e dt or e a l i z et h ef u n c t i o no f t p m s i no r d e rt or e d u c et h ep o w e rc o n s u m i n g ， t h er a t i o n a ls t r a t e g yi sn e e d e di nt h es y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ef o r m a to fd a t a f r a m e 仃a n s f e r r e db e t w e e nh o s tm c ua n dc l i e n tm c ui sd e f i n e d t h eh o s tm c u m u s td e a lw i t ht h ei n t e r r u p tf r o mt h ec a nc o n t r o l l e rb e s i d e sa n a l y z i n gt h ed a t a r e c e i v e df r o mc l i e n tm c ua n da l e r t i n gt h ed r i v e r t h r o u g hs y s t e mt e s t ，t h er e s u l t s s h o wt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e v e l o p e dt p m sa n dt h eb a s i cf u n c t i o no ft p m sa r e r e a l i z e d f i n a l l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h es y s t e md e s i g na n dp r o v i d e st h e d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f t p m si nf u t u r e k e y w o r d s ：t p m s ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n i v 两华大学硕十学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为西华大学或其它教育机构的学位论文 或证书所用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已经在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的。论文成 果归西华大学所有，特此申明! 学位论文作者签名： 导师签名： 刃年乡月1 4 日 仉年厂月日 | 西华大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的研究背景 随着人类文明的进步，汽车成为了人们日益重要的交通和运输工具。但是 随着车辆的增多、车速的提高，安全性变成人们必须面对的问题。 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。根据各地交通安全管理部门的统计，2 0 0 4 年国内发生的重大交通事故超过7 0 万起，死亡达9 8 5 万人，受伤人数达5 5 2 万人，因汽车轮胎漏气爆胎而引发的严重交通事故占总体事故的4 6 8 。而在 高速公路上，这一比例更高达6 0 7 0 ，是各种事故中比例最高的一种，在美 国这一比例达到了8 0 i 。据测试，汽车在时速1 6 0 公里以上行驶时发生爆胎 事故，驾乘人员的死亡率为1 0 0 。爆胎已与疲劳驾车、超速行驶并列为中国 道路交通的三大杀手。本世纪初，由于凡世通( f i l 急s t o n c ) 轮胎的质量问题， 造成了超过1 0 0 人死亡和4 0 0 人受伤，此事引起了业界和美国政府的高度关注， 普利斯通凡世通公司被迫收回6 5 0 万只轮胎1 2 l 。据美国汽车工程师学会最近的 调查，美国每年有2 6 万交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，另外，每 年7 5 的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。因此，安全驾驶成为了 社会面临的一个严峻的问题，迫切希望能有一种能够在汽车胎压过高或过低时 可以报警提示驾驶员的装置出现，因此胎压监测系统叫甲m s 应运而生。 1 2 课题的研究目的和意义 轮胎胎压过低或者过高都有很大的危害，下面就分别分析一下： 当轮胎气压过低时。导致轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张 内层压缩，产生压缩应力，胎内的温度也随着升高，橡胶材料的物理性能受到 影响，导致胎面磨损不均匀，轮胎生热快，造成脱层。当轮胎遇到障碍物的时 候，冲力非常大，胎体帘线容易断裂，造成轮胎爆破轮胎生热高，加速内胎 损坏，并且双胎气压过低，相邻两胎胎侧相互挤压、磨损而破坏。外胎在轮毂 上有时发生转动，容易引起气门嘴脱落。胎压过低，轮胎滚动阻力增大，增加 燃油的消耗，转向性能差。胎压过低的时候继续行使，可造成胎侧内壁的帘布 损坏，胎肩和胎体脱离，胎里和胎体碾伤。图i i 和图1 2 分别为轮胎压力正常 1 西华大学硕士学位论文 和过低时的比较。 摭城 f i g u r e1 1n o r m a lc o n d i t i o n 图i ，l 正常状态 f i g u r e l 2s h o r t a g ec o n d i t i o n 图1 , 2 欠压状态 轮胎的负荷能力和标准的气压值都是固定的。轮胎气压增加的时候，轮胎 各部分的形变和所受内应力也相应的增加，使轮胎的刚性变大，载荷下的变性 减小1 3 j 。胎面胶的橡胶分子链长期处于高度伸张和应力的状态下，其耐磨性严 重下降必然导致胎面胶尤其是胎面中部加速磨损。从轮胎结构上看，胎冠部 分帘布层项部，处于行使面中心部位，胎内气压向外扩张的作用力在胎冠顶部 达到最大值，使胎体产生较大的径向伸长变形。虽然胎面胶有一定的弧高，但 由于胎面中部最先与地面接触，所受的冲击力、剪切力及磨损也是最大的。如 果胎压过高，迫使胎面中部产生更大的凸变，胎面的弧高进一步的增加，胎体 帘线和胎面胶都处于过度伸张状态，内应力增大，胎面与地面接触面积减小， 擎位面积压强增加，跨损迸一步加尉m ，如果后轮左右轮胎的气压不同，易造 成局部超载而加剧轮胎的磨损：气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮胎负 荷过重而出现早期磨损吲。 轮胎的重要性不言而喻，它固定在车辆的轮辋上，支撑其重量，传递牵引 力、制动力和侧向力( 转向力) ，减轻和吸收车辆在行驶时来自路面的振动和冲 击，保证车辆与路面豹豫着性能，满足车辆离速行驶的要求著降低行驶时酶嗓 音，导致轮胎故障的主要因素有：气压，温度、负荷、速度、路况、环境温度、 连缓行驶时间等，其中气压和温度影响最大。因此，为保证汽车高速行驶的安 全性能，我们必须随时了解轮胎的气压和温度，并通过有效控制车速及连续行 驶的时间来调整轮胎气压和温度，保证安全行驶，同时，保证胎压正常也可以 减小油耗。节约行车费恩验医唆铡系统( 四h 悠) 可以实对鉴溅轮黪韵压力 2 两华大学硕十学位论文 和温度，当轮胎出现过压、欠压、温度过高时报警，提醒驾驶员减速或停车检 查，以避免爆胎事故的发生。该系统可以使轮胎经常保持标准气压，延长轮胎 使用寿命，降低轮胎消耗，对提高经济效益和行驶安全性具有重要的意义。 1 3 t p m s 的分类及特点 由于每年因交通事故造成的经济损失巨大，美国政府要求汽车制造商加速 发展t p m s 系统，以求减少轮胎事故的发生。2 0 0 0 年1 1 月1 日美国前总统克 林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求2 0 0 3 年后所有的新车都 需把这种系统作为标准配置。2 0 0 1 年7 月，为响应美国国会对车辆安装t p m s 立法的要求，美国运输部( u sd e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ) 和国家高速公路安 全管理局( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 联合对现有的两种 t p m s 系统进行了评价，报告第一次将t p m s 作为专用词汇【6 1 。t p m s 是汽车 轮胎压力监视系统 t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ”的英文缩写形式，主要用 于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报 警，以保障行车安全。 目前装置于车辆上的胎压监测系统分为两种，一种使用a b s 传感器的间接 量测系统，另一种为使用设置在轮胎上的无线接口传感器的直接量测系统1 7 8 】。 1 3 1 闻接式t p m s 间接式t p m s ( w h e e l - s p e e db a s e dt p m s ) 通过防死锁刹车系统( a b s ) 上的速度传感器来判定各条轮胎的胎压。车辆行驶，当其中一条轮胎的胎压较 低时车辆的重量会使该轮胎直径缩小，车轮之间的转动次数自然会有差别，经 过计算后将触动警报系统，向驾驶者提出警告。此系统与a b s 共享传感器和感 测信号，不必添加额外的硬件装置，所以只需调整车内计算机的软件便可获得 胎压异常的警示信息，因此开发时间短，成本较低。但其缺点是，间接式胎压 感测系统是通过收集比较各车轮转速的方式来判定轮胎的胎压是否过低【们因 此，如果要使用间接式胎压监测系统，前提是车辆必须有a b s 系统，加上会影 响轮胎转速的因素，除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主要原因，如行 驶于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高，或者是当车 子高速转弯时车胎的抓地力已经无法负荷过弯时的离心力，外侧轮胎与内侧轮 3 曲华人学硕十学何论文+ 胎的转动次数便有明显差异，这些情况便会出现错误警告信息。另外，当四条 轮胎的胎压同时下降，系统便失去判定的准则，警告信息自然就不会出现。问 接式胎压监测系统受到最多争议的就是侦测功能仅在车辆行驶中才能发挥作 用，因此对备胎或当车辆停滞时，便无法判断。间接式t p m s 安装方式如图1 3 所示【叫。一些旧款式的汽车商安装的都是间接式的t p m s ，如宝马m 3 c o n v e r t i b l e ，别克l e s a b r ec u s t o m ，7 5 0 i l ，丰田s i e n n ac e 等； f i g u r e1 3i n d i r e c tt p m s 图1 3 间接式t p m s f i g u r e1 4d i r e c tt p m s 图1 4 直接式t p m s 1 3 2 直接式t p m s 直接式t p m s ( p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ) 在每一个车胎中加装压力传 感器来直接测量轮胎的气压，这套系统包括感测传输器、接收天线、接收器和 监视器设备。直接式胎压监测系统是将气压感测与传输模块装在一种特殊金属 制的气阀上，通过安装在每一个轮胎气孔上的感测传输器，将所测量的胎压数 据透过无线方式发送到接收天线，再显示在监视器内。如果轮胎下降时，直接 式胎压监测系统能够提供立即的警示。甚至，有些系统可让驾驶人直接从行车 计算机上检视四条轮胎的实时胎压数据，随时了解各轮胎的胎压状况。直接式 t p m s 一般安装在轮毂或者气门嘴处，如图1 4 所示。 t p m s 的特点： ( 1 ) 事前主动型安保 汽车现有的安全措施，如a b s ，e p s ，安全气囊等都属于“事后被动”型 安保，而t p m s 属于“事前安保”，即当轮胎出现危险征兆的时候，通知驾驶 4 西华大学硕士学位论文 员，把事故扼杀在萌芽状态】。 ( 2 ) 延长轮胎使用寿命 轮胎气压比正常值少2 5 时，寿命减少3 0 ：轮胎气压高出2 5 时，寿命 会降低1 5 - 2 0 。如果轮胎气压过高，抓地力下降，磨损的就会越厉害。温度 越高，轮胎的强度越低，变形越大( 一般不超过8 0 。c ，当温度达到9 5 0 c 度时， 轮胎的情况就非常危险了) ，每升高1 度，轮胎磨损就增加2 ”。 ( 3 ) 减少燃油消耗，利于环保。 试验表明，轮胎气压低于标准气压3 0 0 4 时，然后消耗就增加1 0 i l ”。油耗 上升不仅增加了车辆的行驶费用，还增加了废弃物的排放，污染环境。 ( 4 ) 避免车辆部件不正常的磨损。 若汽车在胎压过高的状态下行驶，时自j 久了将对发动机地盘及悬挂系统造 成很大的危害。如果胎压不均匀，则刹车时会造成跑偏，从而造成悬挂系统的 磨损加剧。 1 4 国g 日# l - 发展的现状及趋势 由于国外立法较早，所以其t p m s 技术发展比较成熟。早在2 0 0 1 年美国 颁发的t r a d 法案中就要求到2 0 0 7 年所有在美国销售的新车必须将t p m s 作 为标准配置，美国国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 在2 0 0 2 年颁布的法规 要求胎压监控系统在轮胎压力低于生产商推荐值2 5 * o - - - 3 0 时，向驾驶员报警， 并且建议从2 0 0 4 年开始新车应安装t p m s 系统，继美国之后，欧洲也推行了 法规。要求汽车安装t p m s 4 肼1 。 在2 0 0 4 年在美国印第安纳波利斯博览会上，加拿大斯马轮胎设备公司推出 世界上第二套摩托车轮胎专用的t p m s ，第一套由英国的m e t a s y s t e m 公司于 2 0 0 2 年推出。 日本阿尔卑斯电气公司开发的不需要电池的汽车胎压监测系统去年通过了 相关规定的验证，符合美国及欧洲电磁波相关法规的规定，计划进行进一步的 评测，将于今年批量上市。 在国内，t p m s 方面的研究起步比较晚。目前各厂家的重点都在如何提高 产品的质量和性能上，并非开拓市场。国内的t p m s 系统还存在不少的问题， 比如，需配备专用的显示屏，安装繁琐，抗干扰、编码纠错性能差，恶劣环境 5 西华大学硕士学位论文 下产生错误报警等等。正在生产和研究t p m s 系统的公司主要有上海泰好电子 科技有限公司，佛山市朗杰电子科技有限公司，深圳瑞电通信电子有限公司， 福州东球金口哨轮胎防爆有限公司，上海保隆实业有限公司，宁波亿莱斯电器 有限公司，昆山双桥传感器测控技术有限公司等f l ，另外现在很多高校也在致 力于这方面的研究。国内一些厂家生产的t p m s 基本是靠引进国外公司轮胎压 力监测系统开发平台及生产线，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自 主知识产权可言。因此伴随着社会的发展，汽车产业的兴旺，t p m s 于在逐渐 的成为汽车的标准配置，开发具有自主知识产权的监控系统意义越来越重大。 汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是 一个永恒的主题，因此，t p m s 将成为汽车安全保障系统之一。t p m s 发射模块 将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展i l7 1 。随着t p m s 产品市场对i c 高整合度和高可靠性的要求，目前已经有了如i n f i n e o n s p l 2 s p 3 0 t ”1 1 1 9 1 、g e n p x t 2 0 1 那样的将所需测试各物理量的传感器与m c u 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r f 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，届时轮胎压力监测发射器只有一个模块和一个 天线组成，客户的二次设计变得十分简便。 回回 园圃 f i g u r e1 5e v o l u t i o no f t p m ss e n s o r 图1 5t p m s 传感器模块发展趋势图 圈 目前国外带电池的t p m s 系统相对已经比较成熟，主要在进行无源t p m s 系统的研究，如利用s a w 这类无源器件频率的变化来监测轮胎压力变化。米其 林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，将压 6 西华大学硕士学位论文 力，温度监测和信号发射装置被埋入轮胎胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间( 一 般为1 7 年) 发挥作用；作为信号接收装置做成如手机的手握式解码读出器， 可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。以r f i d 技术作为研发智能 轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是其中的一员。该公司和西门子v d o 汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带r f i d 卡传感器。该传 感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的交化并发射反映这种变化的信号 外，还具有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用 于轮胎历程可追溯性记录。上海交通大学也开始基于声表波技术的t p m s 开发 研究，这种能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据的s a w 传感器，不仅可实 现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产权。 1 5 本文的研究内容及方法 综合以上可以得出，现在直接式t p m s 是胎压监测系统的主流，而且其性 能上优越于间接式t p m s ，它可以直接显示出当前轮胎的温度和压力，以及下 位机电源的电压，因此本文也就设计了直接式的t p m s 。 本文所设计的系统的工作流程为：首先是放置在轮胎内部的下位机对轮胎 内部的压力和温度在线的测量，然后把测量到的数据迸行相应处理后，通过射 频方式发送到位于驾驶台前的上位机，上位机对接收到的数据进行相应的处理， 然后在显示模块进行数据的显示，如果轮胎压力和温度出现异常情况的话，进 行相应的声光报警。本文需要进行的工作有以下几个部分： ( 1 ) 采集传感器的信号。主要采集补偿过的压力、温度、加速度和电源电压 信号，这几种信号对于该系统的重要性不同，最重要的莫过于压力和温度，因 此这几个信号采集的周期是不一样的 ( 2 ) 射频信号的发送与接受。确定射频通信采用的频率，调制方式，以及发 送的数据帧的格式；配置射频芯片的相关寄存器：确定数据在不同条件下的发 送周期。 ( 3 ) 上位机数据的处理。上位机要从接收过来的数据帧里面把压力、温度等 信息还原出来，然后再进行判断处理，这个过程包括数据的校验、比较等。 ( 4 ) 显示报警及接口。轮胎的压力、温度出现了异常情况就要显示报警，显 示部分包括l c d ，l e d 显示，并且用蜂鸣器报警。系统还设计了一个c a n 总 7 两华人学硕十学位论文 线的接口，因此整个系统可以为汽车悬架的操作稳定性提供数据。 ( 5 ) 硬件电路的设计。包括传感器、m c u 、射频芯片的选择，天线的设计， 原理图、p c b 板子的设计等。 ( 6 ) 系统软件设计。上位机和下位机程序流程的设计以及程序代码的编制， 配合硬件电路，实现系统功能。 在进行系统设计的时候，必须考虑到t p m s 的工作环境，还有周围信号 的干扰，必须保证数据通信的准确性；同时系统的功耗同样不能被忽视，胎压 监测系统大多安装在轮毂上，更换非常不方便，而下位机又采用电池供电，电 量有限，因此尽可能的降低功耗，延长系统工作时间：另外，现在市场上成型 的t p m s 方案已经不少，我们设计系统的时候必须保证系统的优越性，这就需 要尽可能的降低成本，同时也要保证系统的可靠性。 综合以上叙述，本文本着学以致用、开拓创新的科学态度，提出了课题选 用的方案，并进行了设计实践，实现了一种直接式的t p m s 。 1 6 本章小结 本章介绍了t p m s 系统的分类以及发展情况，说明了选题的背景、目的合 意义，并在广泛分析胎压监测系统的作用的基础上，提出了要实现一种直接式 的t p m s 。 8 西华人学硕七学位论文 第二章t p m s 关键技术的研究 2 1 轮胎压力与温度分析 众所周知，轮胎是车辆的重要组成部分，气压是轮胎的生命【2 l 】。轮胎胎侧 上标明的气压是指在一定行使速度条件下，与最大载荷相对应的气压田j 。也就 是说，气压是随载荷增大的，载荷增大气压就要相应的增加。通常予午线轮胎 可比斜交轮胎气压高出5 0 - - 1 0 0 k p a 。适宜的轮胎气压应该既能保持车辆有一定 的行使速度，又能保证轮胎不受到损害。表2 1 所列是米其林2 4 r 2 0 5 子午线 轮胎气压、路面和车速三者之间数据对照，如果低于这个数值会给轮胎造成严 重的损害。反之超多给定气压值下所定的车速，同样会造成轮胎的损害的【2 ”。 表2 - 1 轮胎气压、路面和车速对照数据 t a b l e 2 1r e a l a t i o no f t i r ep r e s s u r e ，r o a ds u r f a c ea n dv e l o c i t y 轮胎气篷k p a ( 可在 4 5 0 ( v a ) 3 0 0 ( v a )i s 0 ( v a )1 2 0 ( v a ) 1 2 0 6 5 0 k p a 之间连续变化)5 5 0 c 。t a )3 0 0 ( i i a )1 8 0 ( h a )1 2 0 ( h a ) 路面公路非公路泥泞危机情况 车女g ( k m ，h 1 ) o 8 52 0 - 4 02 0 3 04 注：v a 为前桥，h a 为后桥 其次，轮胎气压和环境也有关系。胎侧上规定的都是气压指的是冷空气 压力，即在大气条件下所对应的空气压力。通过室内试验证明：一般认为提 高气压2 5 ，轮胎寿命将会降低1 5 - 2 0 ；降低气压2 5 ，寿命大约降低 二 7 。 己， 二 - - 5 0 - , l o 3 0 2 0 一1 0 0 l o2 0 轮胎气压的变化影1 0 0 。a f i g u r e 2 1 t h er e l a t i o no f p r e s s u r ea n dl o n g e v i t yo f t h et i r e 图2 1 汽车轮胎压力与寿命的关系 9 慨 帕 o ，68i船啦婴辖 西华大学硕士学位论文 3 0 2 4 】【2 5 】，轮胎压力和使用寿命的关系如图2 1 所示。( 注意：一般轿车的轮胎 正常气压值在2 1 0 k p a 左右。) 。轮胎在行使过程中，它的胎里空气压力随行使 温度提高会相应提高。车辆停止行使后，胎里空气和外界大气温度一致所需要 的时间，取决于环境温度和轮胎构造，测定表明，一般需要3 个小时。 胎内温度过高也会影响轮胎的使用寿命。一方面由于橡胶复合材料的粘弹 滞后性能使疲劳过程伴随着热生成，另一方面热生成又加速疲劳破坏。大量的 研究表明：斜交轮胎能正常工作，并保证轮胎有足够的耐久性的最高温度一般 是1 2 1 1 0 c ，子午线轮胎不能再此温度正常工作，必须限制在9 3 3 0 c 或者更低， 一般不能超过8 0 0 c 。这里所说温度都是指轮胎内的“局部过热”点而言，且通常 指临近与胎体的胎肩最厚部分。图2 2 表示1 0 0 0 2 0 斜交轮胎在最大额定条件 下典型的生热情况，开始温度上升非常快，而后在4 h 内达到平衡。在平衡温度 下，轮胎结构内所产生的热量等于从轮胎表面发散出的热，此为临界平衡。这 时候只要出现微小的条件变化，就能引起相当大的温度变化。图2 2 中上面一条 曲线表示该轮胎在6 8 ，9 5 k p a 的低气压行使时其热量产生和温度升高的趋势。 f i g u r e 2 2 t i r et e m p e r a t u r e 图2 2 轮胎温度 图2 3 表示轮胎最高温度与持续运行速度间的关系，由图可见速度在 8 0 - 一9 6 k m h 之间，温度变化为1 6 6 。c ，而且运行速度越高，轮胎内产生热量越 快，温度上升也越快。 轮胎变形是轮胎温度升高的决定性因素，这可以由轮胎的载荷和充气压力 控制。由于轮胎内气压不足对温度产生的影响从图2 2 可以看出。因此，必须 保证轮胎的载荷和压力在正常的范围内，这样就可以防止温度过高。避免潜在 1 0 两华人学硕士学位论文 的行车危险。 1 2 1 1 u 1 1 0 0 悭9 8 9 赙 8 7 8 7 6 8 6 5 6 4 85 6“7 28 89 61 0 4 持续运行速度( k m 。h ) f i r g u r e 2 3r e a l a t i o no f t i r eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dp e r s i s t e n tv e l o c i t y 图2 3 轮胎最高温度和持续运行速度问的关系 2 2 嵌入式系统 为了能实现其功能，t p m s 需要在传感器模块中使用嵌入式微处理器读取 压力、温度传感器，通过无线通信协议，对通信数据进行编码，然后使用无线 通信电路将读取的数据发送出去。而t p m s 的中央模块与汽车电子仪表相合。 由其中嵌入式处理器接收从外部无线通信电路发送过来的数据，进行解码，判 断轮胎对应的实际情况，针对各种情况作相应处理。因而可知t p m s 是典型的 嵌入式测控系统。直接式t p m s 系统包括m c u 、存储部分、输出部分、通讯 接口和相应的软件。下面我们就先了解一下嵌入式系统。 2 2 1 什么是嵌入式系统 嵌入式系统( e s ) 是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、 语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更 新换代产品。按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌 入到对象体系中的专用计算机系统”“嵌入性”、“专用性”与“计算机系 统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主 系统 2 6 1 。嵌入式系统已成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部 歹塑 。 一 ， 一 一 一 一 一 一 ，：一；，；i并|一 两华人学硕十学位论文 分。随着后p c 时代的到来，嵌入式系统的产品已经越来越多地渗入到我们生 活当中，例如在制造及过程控制方面：人机操作面板、控制机床、电机驱动、测 试设备、环境监测、输配电设备、炼油厂设备、远程无人采集监控站：医疗卫生 设备方面：x 光机、c t 、医护管理系统、病房监测系统：楼宇自控及商业零售网 点、商业p o s 、保安监控设备：办公设备及信息家电、手机嵌入系统、程控电 话等等。而且它还会进一步地影响我们的生活，现代社会中嵌入式系统及产品 最终会无所不在1 27 1 。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是控制、监视、 或者辅助设备机器和车间运行的装置( 原文d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o r a s s i s t t h eo p e r a t i o n o f e q u i p m e n t m a c h i n e r y o r p l a n t s ) ，这主要是从应用上加以 定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等 附属装置【2 8 1 。 2 2 2 嵌入式系统特点 ( 1 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行 业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。通用计算机行业中，占整个计算机 行业9 0 的个人电脑产业，绝大部分采用的是i n t e l 的x 8 6 体系结构，而芯片厂 商则集中在i n t e l ，a m d ，c y r i x 等几家公司，操作系统方面更是被微软占居垄 断地位。但这样的情况却不会在嵌入式系统领域出现。这是一个分散的，充满 竞争、机遇与创新的工业，没有哪个公司的操作系统和处理器能够垄断市场。 ( 2 ) 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统 中的c p u 与通用型c p u 的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的 系统中。通常，嵌入式系统c p u 都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能 够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统 设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率，去 除冗余，针对用户的具体需求，对系统进行合理配置，才能达到理想性能。与 此同时，系统设计还受市场供求关系的影响。嵌入式处理器的发展也体现出稳 定性，一个体系一般要存在8 l o 年的时蒯。一个体系结构及相关的片上外设、 开发工具，库函数、嵌入式应用产品合在一起，可以构成一套复杂的知识系统。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品 1 2 两华人学硕十学 ) = 论文 同步进行的。因此嵌入式系统产品旦进入市场，就具有较长的生命周期。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速 度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统必须具 有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。 ( 5 ) 嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以 后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。 ( 6 ) 通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业 人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入 式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。 z 2 ，3 嵌入式系统的分类 ( 1 ) 单个微处理器：这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌入式处理器 上集成了存储器、i ，o 设备、接口设备( 如a d 转换器) 等，嵌入式处理器弭加 上简单的元件如电源、时钟元件等就可以工作。 ( 2 ) 嵌入式处理器可扩展的系统：系统使用的处理器根据需要，可以扩展存 储器，也可以使用片上的存储器。在处理器上扩充少量的存储器和外部接口， 以构成嵌入式系统 ( 3 ) 复杂的嵌入式系统：该类系统的嵌入式处理器一般是1 6 位，3 2 位等， 用于大规模应用。由于软件量大，因此需要扩展存储器。扩展存储器一般较大， 外部设备接口一般仍然集成在处理器上。这类系统一般是一个大系统的局部组 传，由它们的传感器收集数据并传递给系统。这种组件可同计算机一起操作， 并可包括某种数据库。 ( 4 ) 在制造或过程控制中使用的计算机系统：这类系统中，计算机与仪器、 机械及设备相连来控制这些装置工作。计算机用于总控制和监视，而不是对单 个设备直接控制。在许多情况下，两个功能独立的予系统可在一个主系统操作 下一同运行。 2 3 信息编码 一般来说，数字信号不可以直接传输，必须先转换成信道信号，也就是说 需要对数字信号进行编码，最简单的信号编码方法是用信号的两个不同电压值 1 3 西华大学硕十学位论文 来表示两个二进制数据。例如，用无电压来表示0 ，用恒定的正电压表示l ：也 可用正电压表示1 ，而用负电压表示0 。然而，为了提高信号抗干扰能力，并且 便于信号接收同步，通常采用更为有效的信号编码方法。 常用的数字信号编码有不归零n r z ( n o nr e t u r nt oz e r o ) 码、差分不归零 d n r z 码、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 码及差分曼彻斯特( d i f f e r e n t i a lm a n c h e s t e r ) 码等。 2 3 1n r z 编码 n r z 码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据 “l ”，用负电压表示数据“0 ”，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零， 故称不归零码。n r z 码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽 度。全宽码的优点：一是每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大这对于提 高接收端的信噪比有利；二是脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系，即全宽码 在信道上占用较窄的频带。并且在频谱中包含了码位的速度。 n r z 码的主要缺点是：当数据流中连续出现0 或l 时，接收端很难分辨1 个信号位的开始或结束，必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要的 信号定时同步。同时，这种编码还会产生直流分量的积累问题，这将导致信号 的失真与畸变，使传输的可靠性降低，并且由于直流分量的存在，使得无法