（电力电子与电力传动专业论文）汽车轮胎压力与温度监测预警系统的研究.pdf

a bs t r a c t t p m s1 so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts a f e g u a r d sf o rv e h i c l et os a f e l y d r i v e w i t ht h e h i g hs p e e dd e v e l o p m e n t o ft h ea u t oe l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dp e o p l e sm o r ed e m a n d sf o rs a f e t y ，i tw o u l db eo f w i d e l ya p p l i c a t i o nf o r e g r o u n dt or e s e a r c ha n dd e s i g nt h et p m s ，a n d m e a n w h i l e ，i tw o u l da l s ob r i n gm o r es o c i a lb e n e f i t sa n de c o n o m i c a l b e n e f i t s t h ep a p e rh a v e d e e p l ya n a l y s e d t h e d e v e l o p m e n ts t a t u s a n d d i r e c t i o no ft p m sa n dc o m p a r e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n d i r e c tt p m s a n dd i r e c tt p m s t h ep a p e rc h o o s ed i r e c tt p m sa sr e s e a r c ho b j e c t ， d i r e c tt p m su s e st h es e n s o r st om e a s u r et h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e o ft h et i r e s ( i n c l u d i n gv o l t a g eo ft h eb a t t e r y ) a n dt r a n s m i t st h e mt ot h e m o n i t o rw h i c hi si n s t a l l e di nt h ed r i v i n gp l a t f o r mb yr a d i of r e q u e n c y m o d u l a t i o n t h em o n i t o r d i s p l a y sa l lk i n d so fp r e f e r e n c e so ft h et i r e si n t i m ea n d ，w h e nt h ep r e f e r e n c e si sa b n o r m a l ，t h ea l a r m sw i l lw o r k s a u t o m a t i c a l l ya n dd i s p l a yr e l a t e di n f o r m a t i o n t h es y s t e m sa l a r me x a c t l y ，r e l i a b i l i t ya n dp r o m o t i n gt h eb a t t e r y l if ea r et h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so rt h ek e yp o i n tf o rd i r e c tt p m s r e g a r d i n gt h e s ep o i n t s ，s e v e r a la s p e c t sa r es t u d i e d ： 1 ) s t u d y i n ga n dd e s i g n i n gt h er ft r a n s m i td e t a i l e d l y ，i n c l u d i n g t h em a t c h i n gn e t w o r kf o r a n t e n n a ，t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dt h em a n a g e m e n to f r ft r a n s m i s s i o n 2 ) a f t e ri n s u r i n gt h ea c c u r a t ep r o b a b i l i t yo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ， t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n da d v a n c e st h ea r i t h m e t i cb a s e do ns e n s o r f u s i o ni no r d e rt oa v o i dt h et p m sg i v i n gw r o n ga l a r m 3 ) a n a l y s et h ea p p l i c a t i o ne l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n to ft p m s a n dd e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n c r e t e l yb yc o n s i d e r i n gt h e p e r f o r m a n c eo fe m c 4 ) b e s i d e sc h o o s i n gt h el o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o ni c ，i nd e s i g n ， c h o o s e st h el i s o c l 2b a t t e r ya st h ep o w e rs u p p l ya n du s e s am o r e e f f e c t i v em a n a g em e t h o dt or e d u c et h es y s t e m sp o w e rc o n s u m p t i o n 5 ) t h ei n f o r m a t i o ns h a r i n g ，b a s e do nc a nb u s ，i sf u l l yc o n s i d e r e d a n dd e s i g n e d b yt e s t ，a f t e rt a k i n g t h e s em e t h o d sl i s t e do nt h ef r o n t ，c a l l e f f e c t i v e l yi m p r o v ep r e c i s i o na n dv e r a c i t yo f t h es y s t e m ，a n da tl a s t ，t h e d e s i g nc a r r i e do u t t h ea n t i c i p a t i v et a r g e t k e yw o r d st p m s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e m c ，e a r l y w a m i n ga r i t h m e t i c ，c a n i i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：主上l 。 日期：手年月止日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 嗍斗年月日 硕j ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着人类科技和生活水平的提高，汽车越来越多也越来越近地走进了人们 的生活，已经成为必不可少的交通、运输工具。进入2 l 世纪来，对汽车的安全、 环保、节能、舒适和智能等性能要求也提到了更高的层次。 轮胎是汽车系统的重要部件，其性能优劣及使用情况直接影响到汽车行驶 的可操纵性、安全性、舒适性甚至是节能性。目前，我国正进入汽车消费的高 速增长期，行车安全问题越来越受到人们的重视，而轮胎的安全性是汽车安全 性能评价的重要指标之一。轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制性而成为突 发性交通事故发生的重要原因，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，极大地威 胁着汽车的行驶安全。恰当的轮胎充气压力是保证汽车安全、平稳行驶的关键 因素，及时准确地对超过或低于轮胎压力、温度标准范围的异常状态进行报警， 是减少由轮胎爆胎引发交通事故的有效途径。 t p m s 是顺应上述要求出现的应用技术，正逐渐被各界要求在将来汽车的 设计制造中采用。本文追踪国内外最新的信息，研究和设计了轮胎压力、温度 预警系统，实时检测轮胎的压力和温度，在出现异常情况下能及时向驾驶员预 警，采取适当措施以避免情况的恶化：此外，本系统能与车载电子控制单元 ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，e c u ) 进行c a n 总线通信，方便e c u 根据本系统所反 馈的轮胎信息调整驱动行为，从而较好地匹配整车动作达到安全、舒适、节能 的目的。 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 据交通部门统计，高速公路约4 6 的交通事故是由于轮胎故障引发的，而 其中7 5 是因为胎压过低、漏气造成的爆胎，并且，高速行驶情况下，爆胎而 导致的死亡率达到了7 0 以上。如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。 中国国家橡胶轮胎质量监督中心专家分析：保持标准的轮胎气压行使和及时发 现轮胎漏气是防止爆胎的关键。那么汽车胎压监测系统将是理想的工具。2 0 0 0 年1 1 月1 日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t p m s 系统作为标准配置。作为回应，美国公 路交通安全局要求到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视 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 4 年占 硕士学位论文第一章绪论 1 0 ，2 0 0 5 年占3 5 ，2 0 0 6 年占6 5 ，2 0 0 7 年将达1 0 0 。2 0 0 7 年后，已 有欧美、日韩等国立法强制t p m s 为汽车标配，并制定了t p m s 的技术规范乜1 ， 国内在国产奔驰、奥迪、君威、荣威等系列部分车型已经使用。t p m s 现在还 属于比较高端的产品，离大众化和普及化还有很长的距离，但是相信不久的将 来，胎压实时监测系统技术必将得到广泛的应用。 经历半个多世纪的发展后，汽车在机械结构方面已经非常完善，靠改变传 统的机械结构和有关结构参数来提高汽车的性能己临近极限。由于臼益增强的 安全、节能与净化要求和激烈的市场竞争，迫使汽车工业不断研究新技术、开 发新产品，特别是微电子技术的长足进步，又为汽车新技术发展提供了重要的 技术手段和支撑，比如e c u 、车载导航系统、防抱死刹车系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n g s y s t e m ，a b s ) 等。当前，汽车电子技术进入了优化人一汽车一环境三者之间整体 关系的阶段，向着超微型磁体、超高效电机以及集成电路的微型化方向发展， 并为汽车上的集中控制提供了基础( 例如制动、转向和悬架的集中控制以及发动 机和变速器的集中控制) 。事实证明，采用电子控制装置对提高汽车安全性、可 靠性、舒适性、经济性等以及改善汽车的动力学和动力学性能并减少废气排放， 减少油耗等都具有显著的效果。 1 1 2 研究意义 根据前面所述，轮胎的正常使用对汽车的安全行使至关重要。提高其安全 性能，实时监测其状态并及时对异常情况进行预警，可以有效降低事故，特别 是高速行使时发生交通事故的可能性，也就大大减少了因此而引起的人身伤亡 和经济损失。 机动车尾气排放是当前空气污染和引起地球温室效应的主要来源之一，如 何提高燃油的经济性，减少油耗，降低污染亦是人们密切关注的问题。前面也 有提到，轮胎压力与汽车燃油的经济性、轮胎本身的使用寿命有着密切联系( 研 究表明，胎压过高或者过低会减少轮胎寿命2 0 ，胎压过低还会增加油耗l o ) ， 另外，汽车长期行使于正常气压状态下，对汽车发动机及底盘尤其是对悬挂系 统的保养和维护有突出的贡献，因为假若汽车在轮胎气压过高状态下行驶，日积 月累对发动机底盘及悬挂系统将造成很大的伤害，而过低气压则会增加汽车轮 胎的磨损。综上可知，实时监控轮胎的压力、温度，使其处于正常的工作状态 可以有效延长其使用寿命和减少燃料消耗，有利于创造节能型社会，具有显著 的社会效益。 我国正在成为全球最大的新兴汽车市场，汽车需求量和保有量出现了加速 增长的趋势，并且年销售量激增，已接近成为仅次于美国的全球第二大汽车销 2 硕上学位论文 第一章绪论 售国，且这种增长的趋势将不可逆转，到2 0 2 0 年，中国汽车销量将能够全面超 越美国成为世界第一( 实际上，由于2 0 0 8 年美国次贷危机对全球金融的冲击， 在2 0 0 9 年1 月份，美国汽车销量就降至2 7 年来最低点，首次逊于中国) 。在此 前提下，汽车安全性产品将成为中国生机勃勃的新兴市场的热点，今后每年的 增长速度可达5 0 。而国内外现有整车上匹配t p m s 系统的不多，存在巨大的 上升空间。随着人们生活水平提高以及对安全性能更高的要求，汽车及配套的 轮胎预警装置的市场将日益扩大，据业内专家预测，t p m s 这个继a b s 、安全 气囊之后第三大安全系统将得到迅速发展。因此，轮胎预警系统的生产制造厂 家将会获得巨大的经济效益，汽车制造厂商也会因提高整车的安全性能，而吸 引更多的消费者。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研 究的热点问题。另外，国外强制法令的出台，也促进了t p m s 相关技术的迅速 发展，在这方面，美国、日本、德国、法国、英国在近几年都取得了突破性的 进展，形成了性能和功能完善的轮胎压力监测系统产品，并达到了一定的规模。 从近年发布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、奥迪、大众等中高 档车均安装了轮胎压力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主 控机板显示模块实时显示轮胎气压状态。针对直接有源式t p m s ，国外一些半 导体厂商以自身的芯片为核心提供t p m s 解决方案，比如i n f i n e o n 、g e 、 f r e e s c a l e 等。在检测传感器方面，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，目前应用比较成熟的有将测量传感器与微控制单元( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 合二为一的智能传感器，诸如飞思卡尔等部分厂家还在 最近成功推出集检测传感器、m c u 、无线射频发射( r a d i of r e q e n c y ，r f ) 芯片 于一体的智能检测传感器模块。 此外，米其林集团、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，将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎胎壁内，让它在轮胎的整个 寿命期间( 一般为l 7 年) 发挥作用，而作为信号接收装置则做成如手机样的手 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。 1 2 2 国内研究现状 据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产 3 硕士学位论文第一章绪论 品已有推出，但大多技术性能不甚完善或系统简易，产品也没有形成一定的规 模，存在以下缺点：系统工作寿命短；系统在低温或高温环境下稳定性不 够；工作可靠性较差；检测精度不够。而性能可靠、功能完善、技术成熟 并且形成规模的产品均是一些国外知名公司( 如美国李尔、西门子v d o 、英国 施奈德、德国贝鲁) 的品牌产品，但价格较为昂贵。此外，t p m s 系统中的轮胎 检测传感器核一i i , 器件的研制和生产跟国外相比差距还很大，现在主要的是由国 外一些公司诸如f r e e s c a l e 、英飞凌等提高供，研制出性能可靠、功能完善并且 价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。另外， 国内相关研究机构正在加紧无源t p m s 的研究，力求拥有自己的知识产权，据 报道，最近由吉利公司推出的爆胎监测与安全控制系统( b l o w o u tm o n i t o r i n g a n db r a k es y s t e m ，b m b s ) 已经超越了美国“t p m s 标准，它采用的是人工智 能主动介入技术，在轮胎突发爆胎时自动接管车辆，代替驾驶员实施行车制动， 从而达到降低或者化解爆胎风险的目的，与此同时，对于没有安装a b s 的车辆， b m b s 系统在遭遇爆胎后将自动实施“连续点制动”模拟a b s 功能，使车轮不 会发生抱死滑移现象，有效确保了行车制动的安全性。 1 2 3 发展趋势 t p m s 经历了由早期的机械式、纳米材料式和磁敏检测法1 ，逐步过渡到 间接式t p m s 和直接有源式t p m s ，而间接式t p m s 虽然成本低( 利用车载a b s 即可实现) ，但是由于精度低、不能实时显示胎压等缺点j 下逐渐被淘汰，直接轮 胎压力监测系统才是当前市场上汽车产品寻求安装保证轮胎安全性的主要发展 方向。同时轮胎爆胎预警装置系统作为一项新技术，能够为整车提供轮胎压力 和温度等状态信息，必将成为汽车整车控制系统单元的一部分，同时，它对汽 车电子信息共享的研究也具有重要意义。t p m s 传感器模块技术将向发射模块 高度集成化、无线无源方向发展，未来的应用方向还将包含利用运动的机械能 自供电的四合一模块，届时，胎压监测发射系统只有一个模块和一个天线组成， 开发人员的二次设计将变得十分简便，产品安全性、可靠性、稳定性也会有进 一步的提高。 另外，融合射频识另1 ( r a d i of r e q e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术进行智能轮 胎的研究也是发展趋势，比如美国固特异轮胎橡胶公司和西门子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、胎体温度的变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，此外，西门子v d o 的智能轮胎系统使用压电元件来代 4 硕 ? 学位论文第一章绪论 替电池，通过轮胎的旋转为系统供能“1 。 国内上海交通大学也开始基于声表波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e 简称s a w ) 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。基于声表面波技术的轮胎传感器还处于试验阶段。其主要优 点是传感器部分不需要电池供电( 无源t p m s ) ，而且质量较小，目前国际上已 经开发出的实验传感器样品只有5 9 左右，同时可在高温等恶劣环境下工作。 s a w 型传感器基本工作原理是在轮胎的表面嵌入薄石英片，通过石英压电晶体 将压力信号转化为相应的响应频率信号，并在询问频率的诱发下，返回响应频 率，从而测量行使中汽车轮胎的压力和温度等p 1 。 另外，t p m s 系统与汽车整车控制系统的电控单元的整合，即通过车身数 据总线c a n 总线或者l i n 总线并入车载控制网络中，也是一种发展趋势抽3 。 1 3 论文研究内容及结构安排 本文研究基于t p m s ( 直接式) 的性能需求，针对t p m s 实现的关键技术要 点：无线通信的可靠、检测数据的精度、系统的低功耗等，开展了以下研究工 作： 1 ) 采用最新技术的f r e e s c a l e 传感器的直接有源式t p m s ，对胎压、胎温 包括供电电池电压进行实时监测，集低功耗、高集成度、可靠r f 发射于一体； 2 1 整合先进预警算法及时对异常情况进行预警，防止漏报或误报，并设 计了良好的预警界面； 3 ) 针对t p m s 发展趋势，设计了t p m s 与车载e c u 和外部个人电脑 ( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 通信的功能，能为e c u 提供轮胎状态信息便于实现对 汽车更加优化、节能的控制； 4 ) 在设计使用低功耗硬件的基础上，优化软件设计和电源管理机制，提 高电源电池的使用寿命； 5 ) 结合检测传感器整合的r f 手册和参数，重点设计发射天线的结构、匹 配网络、无线通信协议，力求通信的稳定和可靠。 6 ) 进行系统的软硬件设计，包括数据采集、发射、接收、显示、通信等 功能电路。 根据研究内容，论文结构安排如下： 第一章绪论。阐述课题的背景和研究意义，探讨国内外对该课题的研究现 状以及t p m s 系统的发展趋势，分析t p m s 系统的技术要点和本文采取的措施。 第二章t p m s 原理及方案设计。分析t p m s 系统的原理、工作环境，并提 硕上学位论文第一章绪论 出系统设计的技术要求，进行系统方案论证和设计。 第三章轮胎参数检测与发射模块硬件设计。采用f r e e s c a l e 推出的高性能 t p m s 检测传感器。实现检测发射系统的硬件电路。阐述系统的低功耗措施， 对r f 天线包括其匹配网络、无线通信协议进行详细的设计，并简要介绍检测 模块的安装方式。 第四章中央接收与处理模块硬件设计。给出中央接收与处理单元各部分功 能的具体设计，包括r f 接收、c a n 通信、通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ， u s b ) 通信接口、人机接口、轮胎i d 定位识别、电源管理等。 第五章系统软件设计。首先对软件整理架构进行说明和讲述，根据已设计 的硬件，逐一说明主要功能部分的软件设计思路，并给出相关流程图和文字说 明。 第六章轮胎爆胎预警算法的研究。针对t p m s 系统预警的可靠性要求， 避免漏报和误报，即提高报警的正确性。在分析现有预警算法的基础上，提出 改进的措施，给出具体的设计实现。 第七章系统电磁兼容性设计。汽车电子环境复杂，而且对汽车电子设备的 可靠性、稳定性要求也比较高，本章在电磁抗干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， e m i ) 和电磁兼容性( e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 方面对系统进行了一 定的分析和设计。 最后是全文的总结和展望。 6 硕土学位论文 第一二章1 甲m s 原理及方案设计 第二章t p m s 原理及方案设计 t p m s 主要用于在汽车行使时实时对轮胎压力、温度进行自动监测，对各 种异常情况( 如轮胎漏气、过低或过高气压、过高温度) 进行预警以保障行车安 全。一般包括轮胎检测部分、无线数据传输部分、数据处理以及显示警告部分。 本章主要介绍t p m s 的实现原理和进行具体方案的论证设计。 2 1t p m s 工作原理 t p m s 包括两个部分：轮胎参数检测与发射模块；中央接收与处理模块。 前者一般由检测传感器、m c u 、r f 射频发射、天线和锂电池组成，主要负责 汽车轮胎的压力、温度、加速度( 可选) 、模块电源电压的检测以及检测数据的 无线传输，所有材料和元器件都要求满足4 0 - 1 2 5 的汽车级工作温度范围； 而后者一般由主控制器、人机接口、r f 接收、语音告警等组成，完成所接收数 据的处理，具有良好的人机交互功能，能及时预警轮胎的异常信息。 t p m s 原理框图如图2 1 所示。 2 2 系统整体方案设计 2 2 i 系统设计要求 图2 1t p m s 原理框图 1 、系统工作环境 直接式胎压、温度预警系统为了实时测得胎压和胎温，检测传感器须安装 在汽车轮胎内部，工作在密闭的环境中。对有内胎的轮胎，传感器模块安装在 内胎外面的垫胎上或嵌入垫胎中；对无内胎轮胎( 目前大部分为此类) ，传感器 模块可固定在轮毂上。此外，签于轮胎的旋转状态，检测数据只能采取无线传 硕士学位论文第二章t p m s 原理及方案设计 输方式。图2 2 是传感器模块的无线发射示意图，图中黑色的小方块表示传感 器模块。当传感器模块随着轮胎旋转到远离接收机位置( 如图2 2 的位置2 ) 时， 金属轮毂会对无线发射信号产生一定的屏蔽作用，主机模块接收到的信号将会 有所削弱。此外，系统工作在室外环境，必须有较宽的工作温度范围。 位置l位置2 图2 - 2 传感器模块发射示意图 2 、系统功能要求 胎压、温度预警系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力 异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警，加强汽 车高速行驶的行车安全。本课题研究的系统是新型的主动直接式轮胎压力监测 产品。系统在汽车行驶状态下通过置于轮胎内部的传感器模块实时测量轮胎压 力和温度，通过射频方式将测得的状态信息发送到安装在驾驶室内的系统主机， 并通过主机的液晶显示器( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 显示各轮胎的当前状况， 让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，出现异常( 包括轮胎漏气、异常升温、传 感器模块电源不足等) 则发出报警信号。此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎 胎面会逐渐被磨耗。但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，以及 受拱型路面的影响，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。有的轮胎磨损 重，有的磨损轻，甚至还会出现轮胎的单边磨损不均匀。为了延长轮胎的使用 寿命，定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方法。轮胎的维护换位 能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。因此，研制的系统必须具 有轮胎换位后的重新定位功能。 根据美联邦机动车辆安全标准乜1 ( 国内还没有正式出台相关标准) ：当单个轮 胎或平均每个轮胎压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低2 5 或更低时， 或者低于规定的最低气压标准( 无论符合哪种情况) ，一辆机动车辆上安装的 t p m s 必须警告驾车者；当任何一个单个轮胎的压力，比车辆制造厂推荐的标 准轮胎气压降低3 0 或更低时，或者低于规定的最低气压标准( 无论符合哪种情 况) ，一辆机动车辆上安装的t p m s 必须警告驾车者。 硕i ：学位论文 第二章t p m s 原理及方案设计 综上，胎压、温度预警系统的主要功能要求归纳如下： ( 1 ) 实时监测各个轮胎的压力、温度、模块电源电压，数据无线传输； ( 2 ) 可设定各轮胎报警的上下门限； ( 3 ) 实时显示监测数据，及时准确报警异常情况； ( 4 ) 系统当前时间的显示和更改； ( 5 ) 可重新对各轮胎进行定位，便于轮胎保养换位及更换； ( 6 ) c a n 通信接口，方便与车载e c u 联机； ( 7 ) 与p c 通信能力，便于功能扩展以及数据的进一步分析处理； ( 8 ) 可检查并判断检测传感器故障，并予以告警； ( 9 ) 停车时系统的自动关闭。 3 、系统技术要求 结合前文所述，给出系统主要技术指标要求： ( 1 ) 体积小，重量轻，便于安装和保持轮胎的动平衡： ( 2 ) 功耗低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作，最好支持5 1 0 年； ( 3 ) r f ( 射频) 信号接收灵敏度高，抗干扰、发射功率低并符合国际规范； ( 4 ) 通信信道的可靠和稳定性，对轮胎压力和温度的异常不能漏报和误报； ( 5 ) 较高的测量精度； ( 6 ) 汽车级工作温度范围：舶 - - 1 2 5 ，且符合相关标准并经济适用。 2 2 2 系统方案论证与设计 t p m s 系统，根据其获取轮胎压力和温度的方法分类，可分为两大类：第 一类是间接式，即通过汽车a b s 系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差 别，以达到监视胎压的目的。上海通用别克轿车安装的即是这种间接式t p m s ， 即当汽车行驶时，轮胎气压监测系统接收4 个车轮转速传感器的车轮转速信号， 进行综合分析，当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变 小，车轮的转速也发生相应变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预设的标 准值比较，即可判断出轮胎气压过高或过低。该类型系统的主要缺点是无法对 速度超过1 0 0 公旱时的情况进行判断。同时，由间接式判断轮胎缺气的原理可 知，当多于两个轮胎同时低压或高压时，系统将无法正常工作；第二类是直接 式，这是一种通过温度、压力传感器精确测定轮胎压力和温度的方式，所测定 的数据需要通过无线方式发送到主机模块处理，需要增加额外设备和成本。直 接有源式t p m s 根据轮胎模块有无电池供电又可以分为主动式和被动式，主动 式t p m s 有电池供电，而被动式t p m s ，则用一个中央收发器代替直接有源式 t p m s 中的中央接收器，安装在轮胎中的转发器( t r a n s p o n d e r ) 代替发射器，接 9 硕士学位论文第二章t p m s 原理及方案设计 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。被动式t p m s 虽然不需要电池供电，但也涉及到模块的取能问题， 在目前没有更好的解决方案，或者将来利用车轮机械能转换成电能利用也是一 个办法。 由于直接主动式t p m s 精度高，技术成熟，能很好地满足人们的需求，在 本文的设计中，以此基础，进步加入了一些新的结构和功能，使之更加合理、 安全、可靠和人性化。t p m s 系统通过植入轮胎内部的传感器实时采集轮胎压 力、温度、锂电池电压、加速度信号，所采集的数据经过微控制器的初步处理 后，利用r f 无线射频方式发送致安装在驾驶室的接收器上，并通过l c d 实时 显示，当出现异常情况，立即启动告警信号。另外，各t p m s 器件生产厂商所 提供的产品列表如表2 1 所示，考虑到产品的综合性能，选择f r e e s c a l e 最新推 出的m p x y 8 3 x x 系列胎压监测传感器作为核心器件。m p x y 8 3 x x 采用 f r e e s c a l e 的系统级封装( s y s t e mi nap a c k a g e ，s i p ) t 艺，集成有一个8 位s 0 8 内核的微控制器( 5 1 2 br a m ，1 6 k bf l a s h ) ；一个s m a r t m o s 射频发射器( 多种波 特率选择，支持f s k a s k 调制模式) 以及一个压力传感器和温度传感器；带有 探测器和解码器的低频( l o wf r e q e n c y ，l f ) 输入；也可以包含一个可选的单轴 ( z ) ，或者双轴( z 加x ) 加速计，用来进行运动监测及轮胎位置识别；过温关断； 供电电压检测：由l f o 驱动的低功耗唤醒计时器和周期复位；工作温度范围为 - 4 0 l - - + 1 2 5 ，压力范围为1 0 0 - 一1 5 0 0 k p a ( 可选) 。m p x y 8 3 x x 系统封装解决 方案旨在满足全球汽车的安全需求，实现精确、及时的胎压监控，系统高度集 成、经济高效、其专有的低功耗技术使t p m s 电池寿命能延长到1 0 年。 表2 i 常用t p m s 传感器性能比较 1 0 硕士学位论文第二章t p m s 原理及方案设计 基于m p x y 8 3 x x 设计的系统原理框图如图2 3 所示。此外，该系统还设 计有与车载e c u 和外部p c 通信的接口，有利于用户实现所需要的拓展功能。 检测发射模块 堆力检测 潞瞳检测 加速瞍检测 ，t p x y 8 3 x x r f 发射 电脏 佥测 定时器 产 锂业电池 图2 - 3 系统原理框图 在本方案中，m p x y 8 3 x x 完成对轮胎压力和温度的检测( 包括系统电池电 量和汽车加速度的检测) 、检测数据的初步处理、i u 发射，而处理监控单元主 要完成r f 接收、数据的最终处理和显示、c a n 和u s b 通信、人机接口以及 预警等。其中，处理监控单元选用f r e e s c a l e 推出的汽车电子级m c u 即 m c 9 s 0 8 d z 6 0 、高灵敏度r f 接收芯片m c 3 3 5 9 4 ，器件的具体参数和应用电路 设计见第四章。 2 3 本章小结 本章主要介绍了t p m s 系统原理，分析和提出了t p m s 系统的性能参数要 求，并在此基础上进行了系统方案的论证和设计，进行了器件的比较和选型， 选择f r e e s c a l e 最新推出的具有高集成度的智能轮胎传感器模块，确保后面整个 系统设计的低功耗、高集成度、模块化和更小型化。 硕士学位论文第三章轮胎参数榆测弓发射模块的硬件设计 第三章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计 轮胎参数检测与发射模块主要完成对轮胎压力、温度、模块电池电量甚至 包括z 轴向和x 轴向加速度的检测，检测数据经过初步处理后通过r f 发射到 安装在驾驶室的中央接收模块。其性能要求主要有检测精度高、无线通信可靠、 低功耗等。 3 1 轮胎参数检测模块设计 根据前面的方案论证设计，轮胎检测模块以f r e e s c a l e 的m p x y 8 3 x x 为核 心，因为该芯片集m c u 、压力传感器、温度传感器、电压检测、可选的单轴( z ) 或双轴( z 和x ) 加速计于一体，具有两个键盘输入中断( k e y b o a r di n t e r r u p t ，k r i ) ， 只需要极少量的外围器件就可以构成一个完整的检测发射系统。外围器件主要 包括少许电容、电阻、发射天线、供电用锂亚电池等。因此，整个系统可以做 得很精简，印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 板面积小，且性能较好，功 耗低，安装方便。具体实现原理图如图3 1 所示。 图3 1 轮胎检测发射模块原理图 形。引脚处电容c 1 4 的作用是充当内部充电泵升电路的负载电容。当系统 供电电池的电量不够时，为了保证通信的可靠性，则可以利用内部的充电泵升 电路给天线发射提供更多能量，以保证无线通信的成功，如果不采用此功能时 则圪。脚必须悬空。p t a 0 p t a 6 引脚均可以作为通用i o 使用，但是如果没有 使用则必须都接地p 1 。 为了节省电能( 电池供电) ，检测模块只在特定的时间间隔内，进行传感器 1 2 硕寸：学位论文 第三章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计 数据采集、分析以及r f 发射，而大部分时间里处于低功耗的休眠状态，当然， 可以通过p w u 时钟或者l f 两种方式唤醒。这个特定的时间间隔取决于 m p x y 8 3 x x 内部的低频振荡- 器( l o wf r e q e n c yo s c i l l a t i o n ，l f o ) 和唤醒周期。 3 2 系统低功耗设计 轮胎传感器检测模块装置安装在轮胎内部，一般是多年才更换一次，所以 要求检测发射模块更稳定、更可靠和更低功耗。在本文设计中，从两个方面着 手：一是低功耗器件的选择；二是低功耗管理机制。低功耗具体措施如下： 1 ) m p x y 8 3 x x 本身的高集成度和很低的待机功耗( 待机电流o 1 4 “a ) ； 2 ) 时钟频率、晶振的启动时间措施。同等条件下，系统功耗与时钟频率 和晶振的启动时间均成正比，即时钟频率越高，功耗越大，晶振启动时间越长， 功耗越高； 3 ) 休日民与唤醒机制。此机制的实现在于采用高效的系统管理算法，由于 m p x y 8 3 x x 内嵌的是一个8b i t 的s 0 8 系列的m c u ，其工作模式有正常运行模 式( r u nm o d e ) 、后台运行模式( a c t i v eb a c k g r o u n dm o d e ) 、等待模式( w a i tm o d e ) 、 停止模式( s t o pm o d e ) ，每种模式的功耗不同，后台运行模式主要是在进行代码 开发时用；而在等待模式下，c p u 关闭，系统时钟继续运行，系统电压调节部 分保持工作；停止模式下，系统时钟停止，具体又包括4 种状态( 停止模式l ， 停止模式2 ，停止模式3 ，停止模式4 ) ，列表这4 种状态下m c u 内部资源的运 行情况如表3 1 所示。根据本系统设计，选择停止模式l 。 表3 1m c u 停止模式比较 硕士学位论文第三章轮胎参数检测j 发射模块的硬件设计 续表3 1m c u 停止模式比较 表中的o p t i o n a l l yo n 是指在某些条件的具备或者使能的情况下，则可以启 动该选项中的资源，p e r i o d i c a l l yo n 指周期性开启。需要注意的是在t p m s 应 用中，l f o ，p w u 和参数寄存器( p a r a m e t e r r e 西s t e r s ) 始终保持为上电开启状态。 4 ) r f 发射( 包括发射功率、发射次数) 。r f 发射功率的合适选择( 配合天 线) ，发射次数的抉择( 当检测到压力或者温度等参数没有达到变化阈值，不启 动r f 发射，即只有当检测参数发生一定程度的变化，或者出现任意参数达到 或超过预警阈值则启动r f 发射) ，因为在合理的情况下，减少r f 发射次数能 有效降低功耗； 5 ) 电池的选择。传统的锂电池在4 0 低温时丧失电能，在1 0 0 高温时 会自动放电。而锂亚电池优秀的高低温特性使其成为目前t p m s 能源的最佳选 择，能很好地满足t p m s 宽温度范围的要求，此外，为了使其能供电3 , - 一5 年， 则必须设计好电源管理方案。 1 4 硕t 学位论文 第三章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计 3 3 无线发射单元设计 r f 无线通信单元主要负责实现从轮胎检测模块到中央处理模块的数据通 信，即给中央处理模块发送轮胎各参数，包括轮胎识别i d 码、轮胎压力、轮 胎温度、模块电池电量等，那么保证通信的可靠是系统设计的关键之一。而无 线通信的可靠性与通信协议的选择、发射天线的设计以及发射的功率等因素有 关。现分别从这些方面来进行轮胎检测模块无线发射单元的具体设计。 3 3 1 天线匹配网络及设计 天线的基本功能是将发射机( 或传输线) 过来的高频电流或导波能量转变为 无线电波并传送到空间；在接收端，则是将空间传来的无线电波能量变为向接 收机传送的高频电流或导波能量。天线在无线传输中起到传输纽带和中继的作 用，其性能好坏直接影响到无线通信的效果1 。 天线技术涉及天线的几何形状、材料和介质等诸多因素。t p m s 发射器的 天线靠近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金 属丝网的屏蔽，以及车轮高速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。在t p m s 系统中采用印刷电路板小环天线( l o o pa n t e n n a ) ，其结构简单，易于加工。环形 天线的形状可以作成矩形、三角形、正方形或圆形等。若圆环的半径b 很小， 即环的周长c 仅为工作波长( 九) 的一部分，当c = 2 7 c b 0 2 z , 时，称为小环天线， 此时沿线电流的振幅和相位变化不大，按均匀分布。有时为了提高小环天线效 率，可采用多匝环及磁加载的办法。总之，可以通过选择天线的结构形式、尺 寸、电流分布等来满足使用者所要求的电特性，故其具有设计灵活的突出优点 1 。此外，天线匹配网络至关重要，如果没有设计好，则会造成很大的能量损 耗，直接影响到发射模块的有效传输距离，进而影响到无线通信的可靠性。 1 、天线的主要性能指标 描述天线转换电磁能量能力的大小、辐射性能的好坏主要取决于其应用环 境和系统的总体要求。通常有如下一些指标“朝： ( 1 ) 天线的输入阻抗。输入阻抗定义为：天线输入端电压与输入端电流的 比值，即 z f 寺( 3 - 1 ) 当输入电压和输入电流同相时，输入阻抗呈纯阻性。一般情况下输入阻抗 包含有电阻及电抗两部分，即z ，= 足+ j x , 。天线的输入阻抗取决于天线的工作 原理、结构尺寸、周围介质、工作环境及工作频率，输入电阻又包含辐射电阻 硕十学位论文 第三章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计 和损耗电阻。接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机 的负载。因此，天线的输入阻抗与发射或接收机的输出阻抗的匹配程度直接决 定了无线能量的传输效率“”。 ( 2 ) 天线的方向性系数和增益。天线的方向性系数表示天线将能量集中辐 射的程度，定义为在辐射功率相等的条件下，天线在某个方向的辐射功率密度 s