（检测技术与自动化装置专业论文）汽车轮胎随动压力监测系统研究.pdf

】iiiiillrlirll,lllr ! h lrlrl!lrlrlljlrljif y 1 5 2 4 5 1 5 分类号： u dc 密级： 编号 汽车轮胎随动压力监测系统研究 r e s e a r c ho ft i r ef o l l o w i n g u pp r e s s u r e m o n i t o r n 、j gs y s t e m 学位授予单位及代码：篮查堡王盔堂i ! q1 8 2 学科专业名称及代码：捡型建盔皇自动丝薹置i 竖! ! q 22 研究方向：捡型量盔当道捏控剑申请学位级别：亟主 指导教师：拍逢盟堑握研 究 生：圭连基 论文起止时间：2 q q z ：! ! = 2 q q 8 ：1 2 摘要 在汽车高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担，t j f n 最难预防的，也是突 发性交通事故发生的重要原因。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。汽车 轮胎随动压力监测系统通过对汽车轮胎的压力、温度等进行动态实时自动监测，并在 监测到轮胎状况异常时进行报警，从而有效预防爆胎，以保障驾乘者的行车安全。 本文针对轮胎性能对汽车行驶安全的影响，对轮胎爆胎原因和轮胎工作性能进行 分析，从监测轮胎压力和温度入手，针对目自仃t p m s 存在的一些不足，在当前主流t p m s 方案和前人已有的研究基础上，提出了改进的系统总体设计方案。根据系统总体方案， 进行了轮胎模块和主控模块的软硬件设计。在硬件方面，进行了电路原理图的设计， 主要包括传感器模块电路、无线通信电路、c a n 接口电路、串口通信电路以及电源电 路的设计。在软件方面，进行了轮胎模块的低功耗设计，用软件模拟了s p l 2 传感器与 微处理器的s p i 通信，制定了无线通信协议，用c s m a c a 机制解决了数据帧发射碰撞 问题，完成- j z i g b e e 设备c c 2 4 2 0 的接收和发送子程序设计，并进行了c a n 通信、串口 通信、报警处理子程序以及显示报警模块界面的设计。最后，在实验室环境下，对系 统进行静动态测试，并对系统性能进行了分析。 关键词：轮胎压力t p m s 轮胎爆胎c a n 总线z i g b e ec s m a c a i i a bs t r a c t w h e nt h ec a ri sa th i g hs p e e d ，t i r ef a i l u r ei st h em o s tw o r r y i n go fa l ld r i v e r sa n dt h e m o s td i f f i c u l tt op r e v e n t ，a l s oa ni m p o r t a n tc a u s eo fa b r u p tt r a f f i ca c c i d e n t s h o wt op r e v e n t t i r eb u r s th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ef o rd r i v i n gs a f e t y t i r ef o l l o w i n g u pp r e s s u r e m o n i t o r i n gs y s t e mc a nd y n a m i c a l l ya n dr e a l t i m em o n i t o rt i r ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ee t c ，a n d a l a r m i n gw h e ni tm o n i t o r sa b n o r m a lt i r es i t u a t i o n ，t h a tc a np r e v e n tt i r eb u r s te f f e c t i v e l y , t o e n s u r ed r i v e r sa n dp a s s e n g e r s s e c u r i t y t h i sp a p e ra i m sa tt i r ec a p a b i l i t y se f f e c to nv e h i c l es a f e t yr u n n i n g ，a n a l y s e st i r eb u r s t m e c h a n i s ma n dt i r er u n n i n gc a p a b i l i t y ，s t a r t sw i t ht om o n i t o rt i r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ， a i m sa taf e wd e f i c i e n c ye x i s t i n gi np r e s e n tt p m s ，p u t sf o r w a r da ni m p r o v e m e n tt p m s s c h e m eb a s e do nc u r r e n tm a i nt p m ss c h e m ea n dt h eb a s i so np e o p l e ss t u d y a c c o r d i n gt o t h es y s t e ms c h e m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rt i r em o d u l ea n dm a i nc o n t r o l l e r m o d u l ew e r ea c c o m p l i s h e d i nt h ef i e l do fh a r d w a r e ，t h es c h e m a t i cc i r c u i t sw a sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h ec i r c u i to fs e n s o rm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，c a nc o m m u n i c a t i o n ，t h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n de l e c t r i c a ls o u r c e i nt h ef i e l do fs o f t w a r e ，l o w - p o w e rd i s s i p a t i o no f t i r em o d u l ew a sd e s i g n e d ，t h es p ic o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns e n s o ra n ds i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rw a ss i m u l a t e dt h r o u g hs o f t w a r e ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a s c o n s t i t u t e d ，t h ep r o b l e mo fd a t af r a m e st r a n s m i t t i n gc o l l i s i o nw a sr e s o l v e dw i t hc s m a c a ， t h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gs u b p r o g r a mo fz i g b e ee q u i p m e n tc c 2 4 2 0w e r ed o n e ，a n dt h e c a nc o m m u n i c a t i o n ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h es u b p r o g r a mo fa l a r m i n ga n dd e a l i n g w i t ha n dt h ed i s p l a ya n da l a r mm o d u l ew e r ed e s i g n e d f i n a l l y , t h eq u i e ta n dd y n a m i ct e s to n s y s t e mh a db e e nc a r r i e do u t ，a n ds y s t e mc a p a b i l i t yh a db e e na n a l y s e d k e yw o r d s ：t i r ep r e s s u r e t p m st i r eb u r s tc a n - b u s z i g b e e c s m a c a 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，汽车轮胎随动压力监测系统研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：享渣壅鲨2 年三月旦日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：圭渔垦驾年土月旦日 指导导师签名： 年孓月西 第一章绪论 随着世界经济迅速发展，无论是发达国家还是发展中国家，汽车已逐步成为人们 常用的代步工具。人们对汽车的追求是多方面的，但可靠性和安全性不可置疑地成为 首选。而轮胎是汽车安全行驶的一个重要部件，它就像人的鞋子，保养得好，不但行 走舒适、省力，对安全也有很大的保障。在汽车高速行驶过程中，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。因此，t p m s 的研 究成为了汽车工业的又一大热点。 1 1 课题背景 汽车轮胎随动压力监测系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测装置，国际上 通常又被叫做汽车轮胎压力监测系统，英文通称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 ，简称 t p m s ，该系统通过对汽车轮胎的压力、温度等进行动态实时自动监测，并在监测到轮 胎状况异常时( o n 压力过高、过低、轮胎漏气、温度过高等) 进行报警，从而有效预防爆 胎，以保障驾乘者的行车安全。 t p m s 源于八十年代。在九十年代中叶，一些欧洲的高级轿车中己配备了这类的 传感器。对汽车轮胎压力问题的重视源于九十年代的术期。美国的一些汽车组织( r m a l 对1 9 9 9 年汽车事故的研究发现，其中有6 4 7 次致命的事故与胎压有关。另一项研究表 明，8 5 的轮胎损毁是由轮胎的压力不足或压力渐失造成的。美国轮胎商业杂志 对7 6 6 辆汽车的统计表明，有7 2 3 的汽车轮胎胎压不足。2 0 0 0 年，由于儿世通 ( f i r e s t o n e ) 轮胎的质量问题，造成超过1 0 0 人死亡、4 0 0 人受伤，f i r e s t o n e 被迫于2 0 0 0 年8 月收回6 5 0 万只轮胎，美国政府对此事件给予高度关注。据美国汽车工程师协会 的调查，美国每年约有2 6 力起交通事故是由于轮胎气压过低或渗漏造成的：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。据统计国内高速公路上发生的 重大交通事故约7 0 是由于爆胎引起的心1 。由于每年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 ，以求减少轮胎事故的发生。因此，在2 0 0 0 年美国国 会通过了t r e a d 法案。t r e a d 法案的要求之一是到2 0 0 7 年，所有在美国销售的汽 车都必须安装汽车轮胎随动压力监测系统。2 0 0 0 年1 1 月1 同美国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轮胎压力监测系统立法的要求，美 国运输部u s d t ( u sd e p a r t m e n to ft 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 h t s a ( n m 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 ) 联合对现有的两种轮胎压力监 测系统进行了评价，报告第一次将t p m s 作为专用词汇。回应t r e a d 法案，美国高 速公路安全管理局( n h t s a ) 要求到2 0 0 7 年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压 力监测系统，并提出了汽车生产商的执行时间表：美国市场出售的汽车，2 0 0 6 年9 月 1 曰达到7 5 ，2 0 0 7 年9 月1 日达到1 0 0 l 1 4 1 u , i 。 1 2t p m s 的发展概况及发展趋势 1 2 1 国外发展概况 t p m s 的研发和设计最早出现在美国、欧洲，自1 9 9 7 年通用汽车公司丌始使用间接 式t p m s 直至2 0 0 1 年美国联邦法案推出，才逐渐在行业里、社会上引起重视，并被不断 推广和应用。目前t p m s 在发达国家已经得到了普遍的认可和较大范围的应用，很多新 产车型大都装配了t p m s 。 t p m s 在国外的发展可以分为三个阶段：第一阶段是w h e e l s p e e db a s e dt p m s ( 间 接式t p m s ) ，第二阶段是p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ( 直接式t p m s ) ，第三阶段是混合 式t p m s 。如下所述6 1 ： ( 1 ) 1 9 9 7 年，通用汽车公司开始使用间接式t p m s 。间接式t p m s 通过汽车早安装的 防抱死制动系统( a b s ) 0 e 的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，根据轮胎压力变化 与车速发生变化的相关性，来达到监测轮胎压力的目的。当轮胎压力降低时，车辆的 重量会使轮胎直径变小，这会使得车速发生变化，这种轮胎压力随车速变化的量值可 经过计算得到，并可以将监测到的轮胎压力通过触发报警系统向驾驶者发出警报。对 于在4 个轮胎上都装有车速传感器的系统来说，a b s 软件的升级就可以用于监测车速的 变化。这种间接式t p m s 相对便宜，只需对a b s 软件进行升级就可以实现。根据美国交 通部门的统计，在2 0 0 0 年时，安装a b s 系统的车辆己占总车辆数的6 7 。但该类型系统 的主要缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过1 0 0 公里d , 时的情况 进行判断，不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂。 ( 2 ) 2 0 0 0 年5 月在美国上市了直接式t p m s 。并且从2 0 0 1 年起，宝马、雪铁龙、克莱 斯勒、福特、奔驰、欧宝等欧美大企业都在其所属汽车系列中配置直接式t p m s 。直接 式t p m s 是利用安装在每一个轮胎罩的传感器来直接监测轮胎的气压、温度等数据，并 通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压、 温度等数据。驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压、温度等状况，当轮胎气压太低、 太高、渗漏或温度太高时，系统就会自动报警。 ( 3 ) 基于前两代产品的混合式t p m s ，为满足多轮压力监测要求，常规的间接t p m s 需要在系统中安装两个额外的胎压传感器和一个射频接收器。胎压传感器要安装在车 轮上，两个传感器呈对角安装。混合式t p m s 能够克服常规直接式t p m s 的局限性，它 们能够监测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎，这些轮胎中有 一个带有直接压力传感器。和间接系统相似，当两个呈对角的轮胎( 不带直接压力传感 器) 都处于低压状念时，系统只能监测到一个轮胎充气不足。当所有4 个轮胎都处于低 压状态时，系统也可以监测到故障，因为系统安装了直接压力传感器。这种方法可以 降低系统成本，但就系统可靠性和灵活性而言，还是不够理想，并不能全部定位欠压 轮胎。 很明显，直接式系统更有效，也更加符合n h t s a 的规定。而间接式系统更多的只 是作为现阶段轮胎压力监测系统未全面普及情况下的一种过渡产品，相信不久就会被 淘汰。所以，直接式轮胎压力监测系统才是市场上汽车产品寻求保证轮胎安全性的最 终归属。这也是本文研究中所采用的技术类型。 1 2 2 国内发展概况 相对于国外而言，国内t p m s 的研发工作要滞后一些。在2 0 0 3 年1 1 月2 4 同颁布的中 华人民共和国国家标准机动车运行安全技术条件( 征求意见稿) 中，对安装轮胎压力 监测装置作出了说明：“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压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎 压力报警装置的要求，自本标准发白之日起第2 5 个月开始对新注册车实施”队儿蚰。 t p m s 产业研究报告显示，从2 0 0 4 年初开始，国内厂家纷纷进军t p m s 领域，目前 国内专业和非专业的t p m s 生产厂家将近2 0 0 家。该报告预计，到2 0 1 0 年，中国t p m s 市场将爆发，规模有望超过3 0 0 万套。目前，国内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，t p m s 零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品。 大多数厂家只是买来f r e e s c a l e 、i n f i n e o n 、通用的零组件组装起来做成成品，缺乏核心 技术。2 0 0 5 年以来，各大高校如清华大学、浙江大学、吉林大学、北京理工大学、江 苏大学、中国科学院自动化研究所、燕山大学、同济大学、东北大学等单位都有学者 对t p m s 相关技术进行理论和技术研究，并申请了许多专利。但是出于其可靠性、稳定 性和灵敏度等方面还达不到实际使用的要求，所以这些专利很少得到应用。可以说， 国内急需采用t p m s ，但是近几年广泛应用还有难度，主要是因为国内轮胎企业和汽车 企业以及电子产品企业缺乏交流没有建立联合开发的渠道。此外，国内部分汽车厂对 轮胎质量的重要性缺乏认识，轮胎企业缺乏开发新产品的动力和能力1 1 1 1 。 1 2 3 发展趋势 间接式t p m s 由于有太多的技术局限性，并且要求非常严格的场地测试，所以人 们把更多的精力投放在直接式t p m s 的研究上。直接式t p m s 的发展目前分为两种方 向：一种是面向中低端市场的，满足基本要求的t p m s ：另一种是满足高端市场的， 将t p m s 与e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 系统结合，为e s p 系统提供补充数据以提 高车辆的稳定性和制动效果。 现有的直接式t p m s 因为轮胎内置的胎压传感器在监测胎压和无线数据发送时需 要电池供应能量，所以轮胎模块受到电池的容量和大小的局限，因此，无电池的t p m s 成为未来t p m s 发展的趋势。针对无电池t p m s 方案的实现，研究机构已经开始了对 “高频被动感应( 2 4 g h z ) ”和“车辆运动取能”的研究。采用高频被动感应方式的t p m s 用一个中央收发器代替了电池供电t p m s 中的中央接收器。这个收发器不但要接收信 号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器( 代替了发射器) 接收来自中央收发器的信 号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在 轮胎内部的气压监测装置发送数据时不需要电池，从而解决了因电池所带来的弊端n ”。 同本a l p s 电气2 0 0 3 年5 月从德国i q m o b i lg m b h 获得了不使用电池的t p m s 技术， 并签订了独家专利授权合同，借用该技术开发的t p m s 已通过欧洲和美国的电波法认 证试验，于2 0 0 4 年6 月起提供工业样品，2 0 0 5 年量产供货。浙江通福科技有限公司研 制了我国首款无源t p m s 。该无源t p m s 采用仅有樟脑丸大小的微振动发电机供电。 据悉该产品已经通过浙江省高科技成果鉴定，鉴定会专家组一致认为，浙江通福科技 有限公司的t p m s 产品具有自主知识产权，达到国际先进水平。目前该公司正扩大实 验范围，加快产业化进程 j 4 1 。2 0 0 6 年开始，上海交通大学也开始了基于声表面波技术 的t p m s 无源丌发研究以及吉林大学压电实验室基于压电开发的无源t p m s ，都取得 了一定的成果。但是，受到价格、电磁污染、抗干扰性、标准制定等因素的影响以及 技术实现上的一些问题，无电池t p m s 要完全取代电池供电的t p m s 还需要一定的时 间。 1 3 本课题研究的目的与意义 1 3 1 研究的目的 可靠性、低功耗、轮胎模块的定位及安装一直是直接式t p m s 的几大关键技术，人 们正积极研究这些技术使得直接式t p m s 产品性能提高，使用寿命增加，操作更加方便， 越来越人性化。但是目前直接式t p m s 仍然存在以下问题： ( 1 ) 无线信号传输的稳定性和可靠性、传感器的使用寿命、报警提示的准确性( 有无 误报、错报) 以及传感器的耐压性等都是亟待提高的： ( 2 ) 大多采用气门咀内置以及利用紧箍扣安装在轮毂上两种安装方式e2 1 | 如图1 1 和图1 2 所示，不适合具有内胎的轮胎，而且安装复杂，不便于电池更换。尤其是利用 紧箍扣将轮胎模块固定在轮毂上时，经过长时间的振动后可能会发生移位，从而影响 轮胎的整体平衡性。在轮胎模块安装完成后，必须对轮胎重新做动平衡检验，保证轮 胎的平衡性： ( 3 ) 现有的轮胎模块定位方法各有所长，寻求兼顾成本、可靠性以及操作简便的方 法是其发展的方向； ( 4 ) 国内产品通常没有车载网络接1 3 ，车载网络是汽车的发展趋势之一，研究具有 4 车载网络接口的t p m s 适应了汽车的发展趋势。 幽ll 气r 咀山苴安装 幽l2 利川紧箍扣安装在轮毂上 本课题进行汽车轮胎随动压力监测系统相关技术的研究，设计便于安装、通用的 直接式t p m s 并进行轮胎模块的定位、安装、低功耗及无线信号免碰撞设计，促进产 品的通用化和人性化，另外通过汽车车载c a n 叫络接口实现t p m s 数掘的整车共享，适 应汽车车载网络的发展。 1 3 2 研究的意义 汽车轮胎随动压力监测系统可以带柬显著的社会效益和经济效益。 社会效益包括两方面：( 1 ) 大大减少因交通事故引起的人身伤亡和经济损失。轮胎 安全对汽车安全行驶的影响极大，在轮胎出现故障或异常时通过t p m s 及时地对驾驶员 进行预警，可以提高轮胎的安全性能进而可以有效地降低汽车行驶特别是高速行 驶时茇生交通事故的可能性。( 2 ) 减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问题。据 【址界卫生组织培新统计结果，目前全世界每天有超过5 0 0 万条废轮胎被丢弃。由于废旧 轮胎回收和处理上的困难，目前全球已有数以亿万计的轮胎等待处理，成为了师保的 一大顽疾。另外机动车尾气排皱是当前城市空气污染的主要柬源之+ ，如何提高燃 油的经济性，降低尾气污染，是人们密切关注的问题。实验证明，轮胎压力和汽车的 燃i l l | 经济性有着密切的关系。行驶相同的距离轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油， 同时也排放出更多的尾气。通过使用t p m s 及时的发现轮胎气压的异常。就可以有效的 解决闻轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。 汽车轮胎随动压力监测系统蕴含着巨大的经济效益。目前，世界汽车市场正在稳 步扩大，这种状况在中圜更加明显，因为随着中国经济的增长和汽车整体价格的下降， 将会宵越来越多的中国消费者具有购买汽车的能力和愿望。另一方面，随着嗣轮胎压 力问题引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例增加，越来越多的厂家开始重视 轮胎压力监测问题，目前己经有国家出台法律规定要求在汽车中配置轮胎压力监测系 统。可以预见在不久的将柬。轮胎压力监测系统将会 t l a b s 、安全气囊一样成为汽 车的标准配置。巨大的需求将会产生巨大的市场，许多与轮胎压力监测系统相关的企 业将会出现，创造巨大的经济效盎。 随着中固经济的持续发展，汽车越柬越多地进 普通家庭对汽车安全性能的要 求越来越高，因此，研究高性能、高可靠性的汽车轮胎随动压力监测系统有着十分重 要的现实意义。 本文主要描述了一种汽车轮胎随动压力监测系统的研究工作。本研究意欲为促进 t p m s 在我国的应用与发展、保障人民的生命安全、为实现一定的社会和经济效益作出 自己的一份贡献。 1 4 本课题的主要任务与工作 本课题的任务与工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 分析t p m s 的国内外发展概况与发展趋势，并对现有的几种t p m s 产品的优缺 点进行分析，确定本课题所研究系统的技术类型，为课题的进一步研究工作奠定基础； ( 2 ) 针对轮胎肌1 2 1 z 厶匕n i ，, 对汽车行驶安全的影响，对轮胎爆胎原因和轮胎工作性能进行分 析，确定系统的研制方向。并在分析当日仃主流t p m s 方案优缺点的基础上，确定系统 的总体设计方案； ( 3 ) 在系统总体设计方案的基础上，通过调研，了解目前市场上各种芯片的性能， 根据实际市场供需状况综合考虑性能、价格等因素，选择满足实际系统需要的各种芯 片，进行系统硬件部分的具体设计，主要包括轮胎模块和主控模块的电路原理图刮计； ( 4 ) 在系统硬件平台的基础上，进行系统软件部分的设计，应用m s p 4 3 0 系列单片 机开发工具e w 4 3 0 进行轮胎模块和主控模块的程序设计，应用v i s u a lc h6 0 在p c 机上进行显示报警模块界面的设计： ( 5 ) 系统测试与分析，在实验室环境下，对系统进行静、动态测试，并从系统误差、 轮胎模块功耗以及系统通信距离三个方面对系统进行分析。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题背景，t p m s 的国内外发展概况和发展趋势，本课题研究的 目的与意义，以及本课题的主要任务与工作。 6 第二章汽车轮胎安全性分析及系统总体方案设计 轮胎爆胎原因是研究汽车轮胎随动压力监测系统的关键依据。本章主要对轮胎爆 胎原因进行理论分析，并对轮胎报警门限进行温度补偿，最后给出系统的总体设计方 案。 2 1 轮胎爆胎原因理论分析 试验证明，8 0 的轮胎爆胎是有预兆的，至少在爆胎发生前一小时，轮胎的胎内 压力和温度会出现异常，这就为实现轮胎爆胎的预警提供了可行的技术手段 2 2 1 。因此， 汽车轮胎随动压力监测系统的研制需要有针对性地了解轮胎的爆胎原因，才能有效准 确地实现对轮胎爆胎的预警。 ( 1 ) 轮胎气压对爆胎的影响 气压是轮胎的生命，掌握轮胎的标准充气压力，并按标准充气压力给轮胎充气是 非常重要的。轮胎制造商在设计制造各种规格的轮胎时，己确定了它的最大负荷和相 应的标准充气压力，充气压力过高或过低都会缩短轮胎的使用寿命。试验数据表明， 当轮胎压力与其额定值的差值大于3 0 k p a 时，轮胎的正常使用寿命将会减少约2 5 ； 当轮胎压力高于标准值2 5 时，其寿命将会降低1 5 2 0 z s l 。 胎压不足：使轮胎径向变形增大，增大胎面与地面接触面积，帘线伸张变形大， 使摩擦更大，胎体温度迅速升高，进而加重引擎负荷，增加油耗。胎面凹进，排水差， 雨天容易打滑，而且胎肩会快速不规则磨损。易造成胎面及帘布层脱层，甚至爆胎， 缩短轮胎的使用寿命。如果充气时，因气门咀有磨损或者存有灰尘导致轮胎慢速泄漏， 使轮胎气压慢慢降低，也容易引发爆胎n 。 胎压过高：使轮胎与地面的接触面积减少，单位面积所承受的压力剧增。胎面凸 起，中心胎冠快速磨损，胎面张力过大也会造成胎面脱层、沟底龟裂。轮胎排水差、 抓地力减弱，直接降低刹车性能及稳定性。轮胎过硬，使避震性、舒适性变差，还会 损坏悬挂系统，影响汽车的行驶安全性。 在汽车高速行驶过程中，轮胎气压低于标准值时，将加大胎侧的弯曲变形，轮胎 会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度及承载能力，导致轮胎内壁帘线的松散断裂，最 后导致轮胎的漏气或爆胎：轮胎压力高于标准压力值时，轮胎与路面的接触面积将减 小，轮胎胎面中部位置所承受的压力增大，使轮胎快速磨损，形成花纹轮胎底部开裂。 又因为这种情况下轮胎刚度增大，起不到原有的缓冲作用，这就增大了轮胎与路面间 的动载荷，使得汽车的平顺性变差，导致汽车操纵性能严重降低。从图2 1 中可以看出 轮胎压力对轮胎性能的影响。 充采足l 厂 弋 i 充每 一l o 一2 0 、 、 | 一3 0 | ， 性能损耗 图2 1 轮胎压力对轮胎性能的影响 表2 1 反映出轮胎压力低于或高于标准气压对行驶里程的影响，可以看出：随着气 压降低，轮胎行驶罩程逐渐降低，使用寿命缩短。同样随着气压高于标准气压，轮胎 行驶里程迅速下降捌。 表2 1 轮胎气乐与行驶里稗的关系 充气科度( )行驶里程( )充气科度( )行驶里程( ) 1 2 58 98 59 0 1 2 09 l8 0 8 3 1 1 59 47 58 0 1 1 09 57 07 4 1 0 59 86 56 8 1 0 0l0 06 06 l 9 59 75 55 5 9 0 9 45 04 8 图2 2 轮胎气压与行驶里科的关系曲线 用m a t l a b 拟合出轮胎气压与行驶里程的关系曲线，如图2 2 所示。从图出可以看 8 j1ll|， 一0 一 一 卜佃 西)、，嚣 一 一 一 一 一 度 。l -虻k丁 ， 。一-o瞪 一 气 一 一 充 一 j，。岫月，。_，|2铫 j 加 h j 川j i 叶j 出，轮胎充气程度为1 0 0 的标准值时，曲线取得最大值，此时行驶罩程也达到最大值。 当轮胎充气程度无论是小于或大于标准值时，行驶罩程都会迅速的缩短。 此外，如果汽车前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定。如 果汽车后轮左右轮胎的气压不同，会使气压高的轮胎负载过重而出现磨损或爆胎。保 持适合的轮胎气压不但可以保证轮胎的工作寿命，减少不必要的燃油消耗，而且更对 汽车的安全行驶起着关键作用。 ( 2 ) 温度对爆胎的影响 轮胎温度过高也是高速公路上引起爆胎的主要原因之一。由于轮胎在工作中快速 反复变形，材料内部因摩擦生热；同时，轮胎与轮毂之间以及轮胎与路面之间也因摩 擦生热，使轮胎骤热升温。 为得到科学准确的轮胎充气压力，需要分析环境温度对轮胎压力的影响。试验证 明，当环境温度处于0 2 4 。c 时，轮胎压力随环境温度发生的变化不大，可以近似认为 是恒定不变的；但当环境温度高于2 4 或低于0 时，轮胎压力就会随环境温度发生一 定量的变化，基础充气压力则需作一定修丁f 。m i c h e l i n ( 米其林) 公司根据环境温度变化 对轮胎充气压力反复进行测试，得到一组试验数据，为不同环境温度条件下合理修正 基础充气压力提供了可靠依据。 当环境温度高于2 4 时，其对轮胎压力的影响程度如表2 2 所示；当环境温度为 1 - _ 4 0 。c 时，从0 c 开始，每降低1 ，其基础气压则相应增d n 0 0 2 5 p a 弛。 表2 2 不同环境温度下轮胎乐力增长率试验数据 序号环境温度( )轮胎压力增长率( ) l2 5 ，2 94 23 0 3 46 33 5 3 9 8 4 4 0 - 4 51 0 4 0 0c t 0 0c 0 0 c t 2 5 0c ( 2 1 ) 2 5 0cst 4 5 0c 式中：只为基础气压，丁为轮胎温度 用m a t l a b 拟合出轮胎温度与压力的关系曲线，如图2 3 所示。从曲线上可以很直 观的看出，在常温( 0 - 2 5 c ) 下，轮胎温度对压力几乎没有影响；在温度为( 4 0 0 ) 时， 轮胎温度对压力有一定的影响，且随着温度的下降，压力有一定程度的增加；在温度 段( 2 5 - 4 5 c ) ，温度对轮胎压力的影响极为明显，呈线性增长。从整个曲线的变化趋势 可以看出，轮胎的温度和压力之自j 是相互影响的，而且，压力过高、过低都会导致轮 胎非下常磨损情况的出现，造成温度升高、轮胎老化：温度升高又会导致压力的升高， 影响行车安全，严重可导致爆胎2 。 9 丁 ，一 y “ 2 p舾r 强 吣r * 。 加 8 3 0r - 一一，一一一一一r1 一 8 2 0 ， 8 1 0 8 0 0 曼7 9 0 i 也 7 8 0 一 7 6 0 l 7 5 0 一= ：一! 一一1 二二= ! 一j - 一j 一一一一j - 4 0- 3 0- 2 01 001 02 03 04 05 0 t ( o c ) 图2 3 轮胎温度与压力关系曲线 图2 4 所示是轮胎使用中温度及速度对轮胎性能的影响。由此可见，控制轮胎温升 对延长轮胎使用寿命十分重要。升热和热破坏是造成轮胎非正常破坏的重要因素。轮 胎温度与负荷和速度的乘积成正比。速度越高、负荷越大，温度升高越快。高温加速 橡胶老化，胎体材料的物理性能下降，拉伸强度越低。 o 行驶里程数 图2 4 温度及速度对轮胎性能的影响曲线 ( 3 ) 其它因素对爆胎的影响 车辆装载时，必须按轮胎的额定负荷装载客货。这是因为各类轮胎的额定负荷是 根据轮胎的结构、帘布层数、强度以及标准气压和行车速度等设计的。如果轮胎在超 负荷下运行，就会使其变形，特别是胎侧的弯曲变形增大，使胎肩部位的磨损加重。 同时，胎体材料的分子摩擦及部件的机械摩擦也会导致轮胎内部温度升高和胎体帘布 层脱层，从而加速轮胎的损坏。总之，车辆超载越多，胎体的屈挠伸张越大，轮胎的 升温速度越快，在高速公路上高速行驶时爆胎的可能性就越大。 此外，还有轮胎质量以及轮毂尺寸等影响轮胎爆胎的因素。从以上轮胎爆胎的主 要原因分析来看，要想在汽车行驶过程中防范轮胎爆胎的发生，除了加强交通运输规 章管理、轮胎选型合理等人为措施以外，最直接有效的办法就是对轮胎的压力和温度 状态进行实时监控。这也是设计汽车轮胎随动压力监测系统的理论依据。 l o 2 2 轮胎报警门限的温度补偿 对于轮胎标准压力的门限阈值确定，必须要求科学准确，因为这直接关系到系统 的爆胎预警效果。不准确的门限阈值不仅仅只是增加系统虚警概率，更为严重的是出 现漏报情况，这会严重影响驾驶员对汽车行驶安全状况的判断，反而产生不确定的安 全危害。没有准确适合的门限阈值，系统的监测性能就会严重失效。所以，研究报警 门限的时效性和准确性是十分必要的。 由上一小节中温度对轮胎爆胎的影响分析可知，必须要根据轮胎的温度来对压力 门限阈值进行必要的校正，也就是温度补偿，才能在不同的环境温度下得到准确的报 警门限。 传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度 传感器在电路中对压力传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和 压力传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿，实现宽范围的压力传感器和温度传 感器的特性匹配。并且硬件补偿方式固化后不易改进调整，因此本文不建议采用硬件 补偿方式对报警门限进行温度补偿。 软件补偿方式是通过对实测的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一 定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同的轮胎温度特性，用算法处理和查 表修正得到不同的温度补偿效果。本文正是采用这一方法对压力门限阈值进行温度补 偿的。 设轮胎压力门限阈值上下限分别为尸m 。和矗实时测得轮胎的压力数据为只，测 得的温度数据为瓦，在温度为l 时，轮胎需要进行温度补偿的校正压力值为够。，则 温度补偿后的压力上下门限为尸m 。+ 叱和已i 。+ 够。 若系统不提供温度补偿，具体的报警判断如下： 当只只。或只e m 。时，但只i 。+ 啦。 只 尸m 。+ 蛾，系统报警则造成虚警； 当尸m 抽 只 时，但只巴。+ 叱或只r i 。+ 他。，系统不报警则造成漏报。 本文具体的补偿值按照式( 2 。1 ) 分段进行补偿。 一般说来，因温度条件改变造成轮胎压力变化引起的相应报警门限改变，多是因 超出未补偿的压力阈值上限而增加系统虚警概率；因低于实际压力闽值下限，却仍高 于未补偿的压力阈值下限而增加系统漏报概率。 因此，若对系统爆胎报警门限进行温度补偿，既要确定准确的温度补偿校正值， 也要确定合理的标准压力门限阈值，才能在执行温度补偿的基础上进一步提高系统预 警的准确率。这需要针对具体型号轮胎进行具体的试验分析。 经过调研不同类型的轮胎在不同环境下的推荐压力，本文初步选定2 2 5 k p a 为标准 压力阈值，门限阈值上下浮动1 0 。即2 5 0 k p a 为最大允许压力，2 0 0 k p a 为最小允 许压力。 2 3 汽车轮胎随动压力监测系统方案设计 2 3 1 系统设计要求 ( 1 ) 系统工作环境 汽车轮胎随动压力监测系统是用于实时监控汽车轮胎的工作状念的。它的轮胎模 块( 包括采样部分和发射部分) 需要安装在汽车轮胎上，工作在恶劣的环境中，且轮胎的 压力、温度信息传递必须通过无线通信来解决。工作时轮胎处于高速旋转的状态，因 而必须固定牢靠。 此外，汽车在高速跑动时轮胎的环境和温度十分恶劣，压力、温度、湿度变化特 别大，所以轮胎模块的设计要按军级产品的要求设计。此外，对轮胎模块的天线装置 的设计多加注意，尽量减小由于轮胎转动和屏蔽所带来的负面影响。这些就使得轮胎 模块成为t p m s 研制的关键。 ( 2 ) 系统技术要求 经分析、调研，综合起来，系统的主要技术要求如下： 体积小，重量轻，轮胎模块的体积要尽可能的小，便于保持轮胎的动平衡； 功耗低，轮胎模块的功耗要尽可能的低，使用过程中不用更换电池即可以长期 工作： 元件抗干扰和噪声的效果要好，因为轮胎模块和主控模块之间采用的是无线信 号传输，在传输的过程中肯定会或多或少的受到各种各样的干扰； 适当有效的发射接收范围，使主控模块能够及时可靠地接收到发送来的信息； 考虑到技术推广和产品化，要保持合理的全套系统成本。 ( 3 ) 系统功能要求 本课题研究和开发的汽车轮胎随动压力监测系统是新型的直接式监测轮胎压力和 温度的系统。轮胎模块以纽扣电池为电源，通过传感器来直接测量轮胎的温度、气压， 并经无线发射器发射到安装在汽车底盘的主控模块上。主控模块将信息传送至显示报 警模块，显示报警模块可随时显示各轮胎气压、温度信息。驾驶员可以直观地了解各 个轮胎的温度、气压状况，根据提示，采取相应措施。当轮胎气压过高、过低或有渗 漏时，系统就会自动报警。“蛆“门“。 经分析、调研，总结该系统功能具体如下： 实时监测各轮胎的工作状况，包括压力、温度以及电池的使用情况，实现轮胎 超压、欠压、超温情况下的报警，并根据不同的情况，实现电池电量低、一般情况和 紧急情况下的报警，并显示故障轮胎的位置； 可设定各轮胎的压力报警上下门限； 具有可靠的轮胎模块定位功能，并且操作简便； 可手动查询各轮胎当前的压力、温度值； 采用气门咀外置方式安装，易于更换电池； 系统既可以作为独立的设备安装在汽车上，又带有和其它模块通信的车载网络 接口，成为车载网络的一个子节点，实现信息资源的共享。 2 3 2 主流t p m s 实现方案 本小节主要介绍当前市场上广泛流行的由传感器生产设计厂家建议的几种直接式 t p m s 实现方案。因为接收端，即主控模块的设计可以具有很大的灵活性，所以在各 个方案中接收部分只给出r f 接收解调模块的选择。 f r e e s c a l e 方案 z 7 1 如图2 5 所示。 图2 5f r e e s c a l e 方案 r f 接收芯片选择m c 3 3 5 9 4 。 m c 6 8 h c 9 0 8 r f 2 发送部分的基本参数：可工作在3 1 5 、4 3 4 、8 6 8m h z 。发射功率 5 d b m 1 1 6 - 1 3 5 m a t 8 5 * c ，3 1 5 m h z 4 3 4 m h z 。 m c 3 3 5 9 4 的基本参数：可工作在3 1 5 ，4 3 4m h z a s k f s k 。接收灵敏度在数据波 特率等于4 8 0 0 b p s 时为1 0 5 d b m 。 m o t o r o l a 是最早进军t p m s 生产丌发市场的公司之一。因此也在欧美具有非常可 观的市场占有率。f r e e s c a l e 采用的传感器m p x y 8 0 2 0 和m p x y 8 0 4 0 属于硅集成电容式 压力传感器。由于生产工艺的限制，硅集成电容式压力传感器往往测量精度比较低。 m c 3 3 5 9 4 是一块比较特别的接收芯片，它除了完成接收解调以外，还具有数字处 理单元，自动进行曼彻斯特译码，存储相应的接收数据，并提供s p i 接口，供微处理 芯片随时读取。 该方案中