（机械电子工程专业论文）基于pic单片机的tpms系统的应用研究.pdf

顼华大学硕士学盥论文 基于p i c 单片机的t p m s 系统的应用研究 机械电子工程 研究生吴光永指导教师刘建新 本文综述了国内外t p m s 的发展现状和趋势，阐述了现有t p m s 的原理和 实现方式，并分析了影响轮胎性能的各种因素和爆胎机理，对当前流行t p m s 系统中亟待解决的关键问题，如低功耗、抗干扰、低成本、通用性等，作了深 入细致的研究，并提出了相应的解决方案。 本文提出了一套高性价比的基于p i c 系列单片机的t p m s 系统方案，并完 成了构建相应的硬件原型的工作，该原型系统分为胎压检测模块和中央监视模 块两个部分。 首先，分别介绍了硬件系统的构成，给出了各模块的硬件电路设计方案； 对系统中用到的主要芯片，如传感器s p l 2 、内嵌u h i ：发射器的处理器 f 母i c l 2 f 6 7 5 、无线接收芯片r f r x i x ) 4 2 0 、中央监视模块处理器p i c l 6 f 8 7 7 、内 置t 6 9 6 3 c 控制器的l c d 等，简单介绍了其功能和特性。 其次，为提高t p m s 系统抗干扰性能和实现低功耗管理，引入了l f 低频 主动唤醒技术。 再次，基于功能模块划分，结合l f 唤醒电路和低功耗管理思想，提出了动 态周期测量和发射数据的思想，并给出了相应的软件算法和程序。针对汽车轮 胎所处环境恶劣、干扰严重的特点，引入了适合t p m s 严格的射频通信环境的 c r c 数据校验算法；然后，定制了合理的通讯协议，使用了软件过滤等方法以 提高检测数据和报警的可靠性和准确性； 最后，对原型系统进行了调试，并对全文工作进行了总结和展望。 关键词；t p m s 。射频通信，动态周期测量，低频唤醒 i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho na p p l i c a t i o no ft p m sb a s e do l lp i cm c u s s p e c i a l i t y ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g c a n d i d a t e - w ug u a u g y o n g s u p e r v i s o r ：l i uj i a n x i n t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts t a t u sa n dt r e n d so ft p m sd e v e l o p m e n t ， e x p o u n d e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dr e a l i z i n gm e t h o d so f c u r r e n tt p m sp r o j e c t s ， a n a l y s e dt h ef a c t o r si m p a c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft i r e sa n dt h em e c h a n i s mo ft i r e b u r s t i n g ，a n dl u e u b m t e ds e v e r a ls u b s i s t e n tk e yp r o b l e m si nn o r m a lt p m sp r o j e e t s ， s u c ha sl o w e rp o w e rc o m s u m p t i o n ，a n t i - i n t e r f e r e n c e ，l o wc o s ta n dc o m m o n a l i t yo f t p m sp r o d u c t s ，a n de t c ，a n dp r o p o s e dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s ， t h ea u t h o rp r o p o s e dah i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i os o l u t i o nb a s e do np i c m c u s ，a n df i n i s h e das e to fh a r d w a r ep r o t o t y p ef o re x p e r i m e n t t h es y s t e mw a s d i v i d e di n t ot w op a r t sf u n c t i o n a l l y ：t i r ep r e s s u r em e a s u r i n gb l o c ka n dc e n t r a l m o n i t o r i n gb l o c k t h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o nw a si n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y ；h a r d w a r ec i r c u i t so f e a c hb l o c kw e r ea l s op r e s e n t e di n t h i sp a p e r p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o no fm a i n c h i p sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，s u c ha st h es e n s o rs p l 2 ，r f p i c l 2 f 6 7 50 v t c uw i t h e m b e d d e du h ft r a n s m i t e r ) ，r e c e i v e rr f g x d 0 4 2 0 ，p i c l 6 f 8 7 7 ，a n ds o m eo t h e r i m p o r t a n tc o m p o n e n t sl i k el c m ( w i t ha t 6 9 6 3 cc o n t r o l l e re m b e d e d ) a n de r e t oe n h a n c et h ea n t i i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e a n dr e a l i z el o wp o w e r c o n s u m p t i o nm a n a g e m e n t , a l la c t i v el o wf r e q u e n c y ( l f ) w a k e - u pt e c h n o l o g yw a s a d o p t e d a sf o rs o f t w a r ed e s i g n , ad y n a m i ct i m ec y c l em e a s u r i n ga n dt r a n s m i t t i n g m e t h o d w a sp r o p o s e d , a n dc o r r e s p o n d i n gs o r w a r ea r i t h m e t i c sw e r eg i v e n , c o m b i n i n gl fw a k e - u pt e c h n o l o g yw i t hl o wp o w e rm a n a g e m e n tt h o u g h t t a k i n g i i 西华大学硕士学位论文 i n t oc o n s i d e r a t i o ns e v e f ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n to fc a r s ，ac r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e e k ) a r i t h m e t i cw a sa d d e di n t ot h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l f l a m e s ，c o m p o s i t i v es o f t w a r ef i l t e r i n g m e t h o d sw e r ea l s ou s e dt oe l l h a l l c et h e r e l i a b i l i t ya n dp r e s i c eo f t h es y s t e m f i n a l l y , p a r to f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r es h o w no nt h eb a s eo f t h ep r o t o t y p e s y s t e m , c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t i v et ot h ef u t u r ew e r ea l s og i v e n k e y w o r d s ：t p m s ；r fc o m m u n i c a t i o n ；l o wf r e q u e n c yw a k e - u p ；d y n a m i cc y c l e m e a s u r i n g 1 1 1 西华大学硕士学位论文 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。除了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，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 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，特此声明。 作者签名：系勿知臼7 年s j 91 1 ) e t 一名：p 矿删f 日 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 概述 近年来汽车电子产品得到了飞速发展，并已经形成了独立的汽车电子产业。 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， 是一项集先进传感器技术、无线通讯技术、信息处理实时测控技术、嵌入式系 统应用技术等于一体的高新技术汽车电子产品。t p m s 实时的对汽车轮胎气压 进行自动监测，对轮胎漏气，低气压，气压过高及温度过高等轮胎状况进行预 警，以保障汽车行驶安全。 在汽车的高速行驶中，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。在高速公路上行驶时一旦爆胎，驾驶员思 想准备不充分极易造成车辆侧滑和不规则翻滚，轻则撞护栏，重则与其他行使 车辆发生碰撞甚至车毁人亡，后果不堪设想。研究表明，保持标准的车胎气压 行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键【l 】。 因此很有必要对轮胎压力状态进行实时监控预警，t p m s 应运而生。 t p m s 不仅为汽车行驶安全性要求提供了保障，而且体现了用户使用方便 性及经济性等方面的价值。t p m s 具有以下特点： 1 事前主动型安保 现有的汽车安全措施，如a s s 、e d s 、e p s 、安全气囊等，均是“事后被 动”型安保，即在事故己经发生时才起到保护人身和汽车的安全作用，t p m s 系统属于“事前主动”型安保【“，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，采取拮 施，将事故消灭在萌芽状态。 2 方便用户使用 大多数用户不是每天进行必要的轮胎气 压检查，而仅凭肉眼观察或用脚踢轮胎是无 法正确判断轮胎气压的【2 】，如图1 1 所示， 3 0 p s i ( 约2 1 0 k p a ) 和2 0 p s i ( 约1 4 0 1 d a ) 的充气状态下的同一轮胎，外观差异难辨。 f i g 1 嚣：a p p 。龃0 2 0 p s 在长途、高速驾驶过程中经常地检查气压是d i f f e r e n t p r e s s u r e 必须的。t p m s 系统则可实时显示轮胎参数。 图1 - 1 不同气压下的轮胎外观 西华大学硕士学位论文 3 延长轮胎使用寿命 试验数据表明【2 4 】：当轮胎压力低于其额定值0 0 3 m 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 。汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大( 一般温度不能超 过8 0 度，当温度达到9 5 度时，轮胎的情况非常危险) ，每升高l 度，轮胎磨损 就增加2 。 4 节省油耗，有利环保 根据固特异( g o o d y e a r ) 公司的数据【2 4 1 ，在轮胎充气不足的状态下每下降 3 p s i ( 约2 0 k p a ) 将使汽车耗油量增加1 ；而如果轮胎气压过高，抓地力就 会下降，油耗也会随之上升。油耗上升不仅增加车辆运行费用，而且增加废气 排放，加大了对环境的污染。 5 避免车辆部件不正常磨损 汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘及悬挂系统将 造成很大的伤害；如果轮胎气压不均，则会造成刹车跑偏，增加悬挂系统磨损。 1 2t p m s 的发展现状与趋势 1 2 1 发展现状 1 2 1 1 国外研究及发展状况 在t p m s 及相关技术的研究方面，西方汽车工业发达国家在近年都取得了 相应的进展1 2 1 。早在1 9 9 6 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的m a r k i i 型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据 的时效性与准确性也存在不足。2 0 0 2 年，约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统 被国际汽车工程( a e i ) 评为当年2 0 个最有价值的汽车产品之首。这个系统包 括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作 时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机， 然后在后视镜上显示出来。这个系统在工作时可以实时显示每个轮胎的压力数 据，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相关产品问世，如西门子 v d o 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵( 1 饥g u a r d ) 监测装置，英国a i 汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神( t i r es h i e l d ) 监测装置；法国米其林集 团公司与威柏可( w a b e o ) 公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专 2 西华大学硕士学位论文 供商用车使用的监测装置；德国b e a u 公司与美国l e a r 公司联合推出的轮胎 压力实时监测系统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极 具价格竞争力的整体解决方案。 一 目前，国外新产车型大多都装配了1 1 p m s ，这些车型有：奥迪、宝马、法 拉利、保时捷、大众的p h e a t o n 、t o u a r e g ，英国阿斯顿马汀的v a n q u i s h ，林 肯大陆，克莱斯勒与道奇( d o d g e ) 迷你箱型车以及c h r y s l e r3 0 0 m 与c o n c o r d e l i m i t e d 客车、旁蒂克的旗舰b o n n e v i l l es e 等等，梅赛德斯奔驰s 级轿车最新 的改进也将t p m s 作为选装 牛【3 】【l4 】。 国外因立法较早，其开发生产的t p m s 已经相当成熟，能够经受5 7 万公 里的使用测试。主要生产商有加拿大斯马轮胎设备( s m a r t i r es y s t e m s ) 公司， 固特异轮胎橡胶公司，米其林集团公司，诺基亚轮胎公司，日本横滨公司等。 现在国外的t p m s 的研发重点在于开发无源的t p m s ，如采用s a w 这类无源 器件的频率变化来监测轮胎压力的变化。日本阿尔卑斯电气公司开发的不需电 池的汽车轮胎气压监测系统最近通过有关试验验证，符合欧洲及美国的电磁波 相关法律规定，今后将以行驶条件及轮胎种类等因素的影响为中心进行评测， 计划在欧美、日本等地进行实地试验，2 0 0 4 年8 月开始提供样品，2 0 0 6 年投入 批量生产【4 】。 1 2 1 2 国内研究和发展状况 现在国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的t p m s 系统。在上海和重 庆及广东等地有几家公司开始投入生产并销售t p m s ，典型产品如：上海泰好 电子科技有限公司的“泰好”牌t p m s - - 2 0 4 型汽车轮胎压力监测器【5 1 ，重庆三 信电子有限公司的t p m s s 1 r 4 a 轮胎压力监测显示系统1 6 ，福州东球金口哨轮 胎防爆有限公司的“金口哨汽车轮胎漏气报警哨”【7 1 ，上海保隆工贸有限公司 的“迪吉泰”轮胎气压监测系统【8 】，佛山市安力信科技有限公司“泰杰”牌 t p m 系列轮胎气压监测系统【9 】等。 但是，国内厂家生产的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。目前国内的t p m s 系统问题不少：安装繁琐、影响美观、整车厂难以配装； 不能设定标准胎压，无法保障轮胎合理使用：射频效率、编码纠错性能差、在 西华大学硕士学位论文 恶劣环境下漏报严重；能耗较高，不能达到t p m s 系统应有的使用寿命要求； 成本高昂，检测范围小，产品通用性不高。 t p m s 在中国的研究刚刚开始起步【1 0 1 。高校及科研院所方面，吉林大学孙 宏伟对现有f 费s c a l e 方案进行了研究，提出了针对f t c a a l e 传感器m p x y 8 0 2 0 a 的温度补偿算法【1 1 】；合肥工业大学沈俊峰提出了以s p l 2 传感器，p i c l 6 f 6 8 3 处理器，以及t 5 7 5 4 射频发射器构成的轮胎压力检测方案1 2 j ；燕山大学张启中 通过分析轮速传感器脉冲数相对差值的影响因素和影响规律，提出了基于脉冲 数互比法气压异常报警系纠”】；浙江大学，屯子科技大学，中国科学院上海微 系统与信息技术研究所等也有学者对t p m s 进行了类似的理论研列”。 1 2 2 发展趋势 目前，t p m s 主要分为两种类型，一种是间接式w s b t p m s ( w h e e l s p e e d b a s e d t p m s ) 。另一种是直接式p s b l l p m s ( p r e s s u r e s e n s o r b a s e d t p m s ) 。2 0 0 1 年7 月，美国运输部和国家高速公路安全管理局联合对现有的两种t p m s 系统 进行了评价，评价报告认为p s bt p m s 从功能和性能上均优于w s bt p m s ，从 而使研制直接式t p m s 成为流行趋势叫1 4 1 。 。 间接式t p m s 是通过汽车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。上海通用别克轿车就是安装的这种间接式 t p m s i l j 。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。 直接式t p m s 技术又分为主动式( a c t i v e ) 和被动式( p a s s i v e ) 两种。主 要区别是主动式t p m s 中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。 主动式是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主 动式t p m s 传感器发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端， 如电池的寿命有限，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在 很难降低发射器的重量等。 被动式t p m s ，也叫无源t p m s ，用一个中央收发器( c e n t r a lt r a n s c e i v e r ) 代替了一般直接式t p m s 中的中央接收裂m 。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( t r a n s p o n d e r ) ( 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 4 西华大学颈士学位论文 发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解 决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发 器( t r a n s p o n d e r ) 整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才 有可能。无源 i p m s 是未来发展和研究的方向。一 1 3 论文研究背景 美国新颁布的公路安全法规，使胎压监测系统( t p m s ) 成为汽车行业发展最 为迅猛的领域之一。2 0 0 5 年4 月，美国国家高速公路交通安全管理局( n h t s a ) 发布的最终规定要求。总重在4 5 6 3 公斤或以下的车辆( 单轴双轮的车辆除外) 都 需要安装一套t p m s 。该法规还要求，当汽车轮胎处于2 5 的亚充气状态时， 这些系统应能向驾驶员发出警告，有效地防止轮胎破损，从而避免汽车在轮胎 充气不足情况下负重行使而导致交通事故。到2 0 0 7 年9 月1 日，所有生产商生 产的轻型车辆都必须符合该标准要求【1 8 1 。 在国内，轮胎监测产品已经有了上海市企业标准( q a d x g 2 - 2 0 0 4 ) ， 在法规这方面，在国家标准2 0 0 3 年版征求意见稿的机动车运行安全技术条件 第十二条十一款中也曾要求安装轮胎压力报警装置f 1 9 】。可见我国政府也开始重 视汽车轮胎气压监测设备的发展和应用。相信未来几年内我国在轮胎监测产品 领域里，以简单，方便，实用为基本原则，参照国际上同类产品的标准和相关 法规，出台正规的标准和法规，保障行车安全。 据不完全统计【2 0 1 。高速公路4 2 的交通事故是爆胎造成的，1 6 0 公里以上 时速发生爆胎的死亡率近1 0 0 。爆胎成了高速公路交通事故的“头号杀手”， 2 0 0 5 年全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起【2 l 】，根据全国各级安全交通管理部 门上报的资料统计，有3 0 以上是由于轮胎爆胎引起的，也就是爆胎引起的交 通事故约1 3 0 ，0 0 0 起，可见轮胎的安全性非常重要。 一 据估计到2 0 0 8 年，t p m s 在全球车市的渗透率将超过3 ( p 0 z 2 1 。2 0 0 6 年中 国汽车保有量超过4 0 0 0 万辆，轿车保有量超过1 5 0 0 万辆，2 0 0 7 年中国汽车市 场将仍然保持良好的发展态势，预计全年的增幅不会低于1 5 ，汽车产量将会 再跃上8 0 0 万辆台阶，巨大的汽车市场背后是同样巨大的t p m s 安全需求市场。 随着无线技术的不断发展成熟，在众多的汽车电子无线应用中，t p m s 近 几年来发展比较迅速，成为了该领域令人瞩目的焦点。 5 西华大学硕士学位论文 1 4 论文研究内容 本文主要研究基于p i c 单片机的t p m s 系统应用，具体来说主要有以下 几方面的内容： ( 1 ) 绪论，分析t p m s 当前的发展现状与趋势，调查国内政策与市场需 求，分析本课题研究背景； ( 2 ) 对比研究现有t p m s 系统方案，分析t p m s 原理与组成，确定本文 系统总体方案，完成硬件选型； ( 3 ) 深入分析当前t p m s 的难点、关键技术问题，确定本文需要的技术 路线，着重讨论节能，抗干扰，t p m s 系统通用性等问题； ( 4 ) 设计系统硬件电路，分析各芯片及外围器件特性，给出各模块电路 的具体实现： ( 5 ) 将系统按功能划分为中央监视模块和胎压检测模块，配合前面章节 的低功耗管理分析，进行各模块的软件设计，定制合理的通讯协议 及射频发送周期，设定合理的报警程序，并分别编写各模块子程序； ( 6 ) 进行原型系统开发调试。购置元器件，印制p c b 电路板，焊接电路 完成硬件平台的搭建工作，并对系统进行调试。 ( 7 ) 总结与展望，对本文工作的总结并指出今后需要进一步改进的地方。 6 西华大学硕士学位论文 2t p m s 的工作原理及方案设计 2 1t p m s 的监测原理 2 1 1 轮胎爆胎机理 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 内压力和温度会出现异常，这就为轮胎爆胎的预警提供了可行的技术手段口”。 因此，t p m s 系统的研制需要有针对性地了解轮胎的爆胎机理，才能有效准确 地实现对轮胎爆胎的预警。 ( 一) 充气压力对轮胎爆胎的影响! ： 气压是轮胎的生命，按标准充气压力对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，已确定了它的最大负荷和相应的标准充气压 力，充气压力过高和过低都会缩短轮胎的使用寿命。试验数据表明 2 4 1 ，当轮胎 压力低于其额定值0 0 3 m 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 对，其寿命将会降低1 5 2 0 。如图2 1 所示，是充 气压力对轮胎寿命的影响对比效果图。 一，一k 、 i 一， l 轮胎充气压力率 f i g 2 - lp r e s s u r eh 1 耳, a e tf i l lt h el i f eo f t i r e 图2 1 充气压力对轮胎寿命的影响 充气压力过低，轮胎胎体变形过大，会产生过度屈挠运动，使内层受到的 压缩力与外层受到的伸张力远远超过允许屈挠极限，造成轮胎过度生热，从而 导致橡胶老化加速和帘布层脱层，严重时导致帘线折断，轮胎瞬间爆破。同时 充气压力过低，轮胎的接地面积增大，胎肩的磨损加剧。如果双胎并装中有一 条轮胎气压不足，行驶中大部分负荷将集中到另一条轮胎上，常常会造成这条 7 西华大学硕士学位论文 轮胎严重超载。就车辆来说，轮胎充气压力过低，会造成轮胎侧偏刚度下降， 拖矩增大，车辆的制动性能变差，在高速行驶条件下遇到紧急情况会非常危险。 气压过高，轮胎帘线受到过度的伸张变形，胎体弹性降低，车辆高速行驶 时受到的动载荷( 震动、应力来不及分散) 增大，如再受到冲击，轮胎会产生 内裂或爆破。气压过高，轮胎的接地面积还会相对减小，以致胎冠中部在加快 磨损的同时温度急剧上升，使胎冠容易瀑破气压过高还会致使轮胎减震性能 变劣，导致车辆底盘部件损坏，使轮胎接地附着力下降，车辆的制动效果降低， 成为高速行车的安全隐剧1 5 】。图2 2 为轮胎压力对轮胎性能的影响。 充 一 i 厂 l 充气，不足 一1 0 、 i ，一赢 一3 0 性能损耗 f i g 2 - 2p r e s s u r ei m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f t i r e 图2 - 2 充气压力对轮胎性能的影响 过度 另外，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。 ( 二) 温度对轮胎爆胎的影响 轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。轮胎温度的升高 除会使橡胶强度降低外，还会导致帘线强力降低。当轮胎温度从o c 升高到1 0 0 时，对尼龙轮胎来说，帘线强力会降低2 0 左右，橡胶强度则下降5 0 左右； 轮胎温度高于临界温度( 1 0 0 以内是正常温度，1 0 0 1 2 1 是i i 缶界温度，1 2 1 以上是危险温度) 时，橡胶强度和帘线强力降低更多【2 5 】，因此轮胎的温升对 其使用寿命的影响很大。 西华大学硕士学位论文 汽车在行驶过程中，特别是在高速公路上高速行驶时，驾驶员即使没有操 作失误，轮胎也会突然爆破【2 5 】。究其原因，主要是与轮胎温升的影响有关，即 轮胎会由于超过正常温度而爆破，而在轮胎爆破以前，其受热破坏的情况通常 不易控制和掌握。当胎内温度超过1 2 0 时，轮胎结构层的强度将明显下降； 当轮胎温度超过硫化点( 1 4 0 c ) 时，轮胎的各组成部分将被破坏，失去承载能 力。如图2 3 所示，是轮胎使用中温度及行驶速度对轮胎性能的影响。 型 娟 2 5 o 行驶里程数 f i g 2 - 3t e m p e r a t u r e & v e l o c i t yi m p a c t o i lt h ep e r f o r m a n c eo f t i r e 图2 - 3 温度速度对轮胎性能的影响 ( - - - - ) 其它因素对轮胎爆胎的影响 一般来说，行驶速度越高，轮胎在单位时间内与地面的接触次数越多，摩 擦越频繁，变形频率越大：同时由于胎体的振动，周向和侧向产生的扭曲变形 增大。当轮胎的转速达到临界转速时，胎冠表面的振动呈波浪形，即形成所谓 的“驻波”，也叫静止波 2 6 1 。静止波的滞后损失( 轮胎的弹性变形来不及恢复 造成) 使轮胎压力与温度急剧上升，有可能在几分钟内就导致轮胎爆破。 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 破的可能性就越大。 此外，还有轮胎质量以及轮辋尺寸等影响轮胎爆胎的因素。 9 西华大学硕士学位论文 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。 2 1 2 现有t p m s 的分类及实现原理 目前，t p m s 主要有三种实现方式：机械方式、直接检测方式和问接检测 方式。机械方式通过机械装置来实现t p m s 功能；直接检测方式采取无线传感 器网络来实现t p m s t 间接检测方式通过汽车a b s 传感器对车辆轮胎运动状态 的一些参数加以综合分析来实现t p m s 。 ( 1 ) 机械方式 图2 - 5 是采用机械方式实现的最简 单的t p m s ，它安装在轮胎气阀上。其 ， 基本原理是通过在内部装一个受胎压控 制的弹簧发条，当轮胎胎压跌落到设定 f i 2 2 - 5 r e a l o b j e c t o f m e c h a n i c a l t p m s 值时，弹簧发条启动。发条启动后，顶 图2 - 5 机械方式实物 端的数字由绿色翻转为红色，显示报警 状态。当然，这种装置算不算t p m s 还 有待商榷，理论上它可以实时监控轮胎胎压状况，同时也能给出警报，但使用 者显然只能在停车状态或被人告知的情况下才可能发现问题。与通常所说实时 监控、实时报警的要求有一定差别。 f i g 2 - 6r e a lo b j e c to f p s bt p m s 图2 - 6 直接检测方式实物 1 0 f i g 2 7b a s i cp r i n c i p l eo f p s bt p m s 图2 7 直接式原理示意图 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 直接检测方式 如图2 6 ，为某品牌轿车直接式t p m s 实物。图2 - 7 为直接检测方式原理示 意图。直接检测型的t p m s 是通过无线传感器网络来实现t p m s 功能的。它在 轮胎内部安装气压、温度传感器节点并应用无线通信技术将相关数据发送至安 装在车辆内的中央控制器，再由中央控制器通过显示界面予以显示。当轮胎内 气压异常时，中央控制器发出报警信号，提醒车辆驾驶人员。因为直接检测型 t p m s 与轮胎的内环境直接接触，所以称之为直接检测。 ( 3 1 间接检测方式 间接式t p m s 是通过汽车a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 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。以绪论中提到的上海 通用别克轿车安装的轮胎气压监测系统( t i m s ) 为例。该系统由以下几个部件 组成：四个车轮转速传感器；车身控制模块( b c m ) ；复位开关；轮胎 压力过低( l o w t i r e ) 报警灯；数据诊断接头( d l c ) ；线束和连接器【l 州。 当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收四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对，轮胎的直径就会交大 或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先 储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而点亮l o wt i r e 报警。 如上所述，机械方式实现的t p m s 功能有限，不能提供实时的监测报警， 因而实际使用效果有限，现在己经很少采用这种方式来实现t p m s 。而间接检 测方式郛直接检测方式则是两种当今主要的t p m s 实现原理，下面对这两种原 理各自的优缺点进行分析。 采用直接检测方式实现的t p m s 具有精度高、实时性好、系统可靠性高等 优点。由于在轮胎内环境中放置传感器，这种方式得到的数据无疑是准确的、 及时的。但由于目前汽车加油站中使用的气压检测器精度不高，所以有时会出 现t p m s 检测的结果与气压检测器检测的结果不一样的情况，这大概也是美国 车辆胎压不正常概率高的一个原因。此外，直接检测是对每一个轮胎独立检测， 所以系统工作的可靠性也高。 采用直接检测方式实现的t p m s 的最大缺点是成本较高，相对于间接检测 t p m s 来说，它需要安装一套全新的硬件。此外，其安装不方便，特别是有源 的直接检测t p m s 系统的使用年限有限。 西华大学硕士学位论文 间接检测方式实现的t p m s 成本较低，不必安装新的硬件，直接对原有a b s 系统进行升级就可以实现。 问接检测方式实现t p m s 的缺点很明显：数据不准确，系统工作不可靠。 不能显示出各条轮胎准确的瞬时气压值：同一车轴或同一侧车轮或4 条轮胎气 压同时下降时，不能报警；不能同时兼顾车速、监测精度及发动机的布置和驱 动方式；反应时间长且不能判断出故障轮胎轮位。事实上，即使只有一个轮胎 漏气，间接检测方式的1 1 p m s 也只能在轮胎胎压低于正常值3 0 时发觉，并发 出警报。因此这种方式并不受青睐。 通过以上比较可以看出，直接检测方式相对于间接检测方式有着很大的优 势。但由于拥有a b s 系统的用户可以通过升级方式，以极低廉的费用来获得 t p m s 功能，所以大部分这样的用户会采用间接检测方式。因而对直接检测 t p m s 的市场造成很大冲击。所以采用直接检测原理设计生产t p m s 的电子制 造厂商一直想让直接检测方式通过美国政府立法的方式来达到一统天下，将间 接检测方式的t p m s 从市场排挤出去。 并且有文献说1 2 ”，因为间接检测方式是一种开环控制方式，所以精度、准 确度都不够。但随着测控技术的发展，车辆生安装的传感器增多，词接检测方 式可以通过整合其他系统的数据，从而实现闭环控制方式，此时间接检测方式 可以达到很高的精度，完全可满足要求。 不管两者相争结果如何，可以看出在近期两者并存的局面不会改变，间接 检测方式要达到直接检测方式效果还有很长的路要走，直接检测方式已经成为 t p m s 实现的主流方式。 本文将主要讨论直接检测方式的实现。 西华大学硕士学位论文 2 2 本论文系统方案设计 2 2 1 功能描述 ( 1 ) 系统工作环境 t p m s 系统是用来实时监控汽车轮胎的工作状态的。为实时测得轮胎的压 力和温度数据，其具有数据测量功能的轮胎模块需要安装在汽车轮胎内部，工 作在轮胎封闭的环境中。对有内胎轮胎，轮胎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，轮胎模块可固定安装在轮辋上。由于在汽车行驶 过程中，轮胎始终处于高速旋转状态，因而在数据的传输方式上不能采用有线 方式。结合汽车行驶中的复杂环境，能够让驾驶员及时可靠地得到预警报警信 息。通过无线射频通信方式来传输轮胎数据信息是最佳选择。系统工作在室外 现场环境，须有较宽的工作温度范围。 ( 2 ) 系统功能要求 t p m s 主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常或漏气给 予及时报警，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 行驶的行车安全性。 本文研究的口m s 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轮胎模块实时测量轮胎压力和温度，通过射频发 射模式将测得的轮胎状态信息发送到驾驶室内的系统主机，定时通过主机显示 各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解轮胎的实时状态信息。在轮胎压力低于 或高于标准胎压2 0 0 , 6 ，或出现轮胎漏气、异常升温等状况时向驾驶员发出声光 报警。 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 边磨损不均匀的现象。为了延长轮胎的使用寿命，必须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。 汽车轮胎爆胎预警系统的系统功能要求归纳如下： 实时监测各个轮胎的压力状态； 可设定各轮胎的压力报警上下门限： 西华大学硕士学位论文 当某个轮胎的压力超过标准范围时，显示该轮胎当前的具体压力状况， 同时发出警报声，提醒驾驶员及时检查； 轮胎保养换位后可重新对各轮胎进行定位。 2 2 2 系统方案论证 结合前述璨胎机理的分析，以四轮轻型汽车为对象，以预防轮胎爆胎为目 的，对轮胎漏气、充气压力不足或充气压力过大等轮胎异常状况进行监控，实 现提高行车安全的系统应用目标。为了能够较好地实现系统研究目的，需要针 对实际使用情况来规划系统的技术性能要求。 2 2 2 1 监测技术 就目前情况看，轮胎压力监测技术的种类繁多。按适用对象分类，可分为 轿车专用、商用车专用、汽车大型工程机械专用；按监测技术分类，可分为主 动式和被动式；按功能分类，分为只监测充气压力的单一型，集监测充气压力、 温度、受力于一体的综合型；按传感器的安装方式分类，可分为悬挂式和植入 式。下面着重介绍两种方案： ( 1 ) 磁敏法检测轮胎压力f 嚣】 通过霍尔装置采用磁敏检测法检测轮胎的充气压力。其中轮胎气压传感器 安装在车轮轮辋上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板 上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化，从 而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化， 由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。车体的控制单元对经过调 理的霍尔装置输出信号进行采样，并将数据送入存储器中，经运算分析和比较 判断，得到轮胎压力值及其状态。 ( 2 ) 数字集成压力传感器及无线射频数据传输 随着集成电路制造技术的发展，出现了新型制造工艺表面微机械加工 ( m e m s ) ，应用该技术制造出的集成多种功能的传感器芯片，克服了早期压力 传感器体积较大、只能模拟量输出等不易应用于汽车轮胎压力实时监测的条件 限制，为t p m s 技术的发展和普及提供了坚实的基础。 目前的轮胎压力监测系统主要以无线传输电子测量为主要的工作方式，并 1 4 西华大学硕士学位论文 逐步以此进入产业化阶段。然而不同车辆不同地区对这个系统的要求是各不相 同的，这些问题将随着轮胎压力监测系统的不断发展和完善而得到解决。 2 2 2 2 主要t p m s 实现方案 这里主要介绍当前市场上广泛流行的由传感器设计生产厂家建议的几种直 接式t p m s 系统实现方案。因为接收端，即中央监视模块的设计具有很大的灵 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 一 一- i 鼬眦浙岫m o d u l e ( 稿哪 j f i g 2 - 8s o l u t i o no f f r c e s c a l e 图2 - 8f r e e s c a l e 方案 f r e e s e a l e 方案如图2 8 所示【2 9 1 ，该方案采用m c 3 3 5 9 4 作为r f 接收芯片， 采用m c 6 8 h c 9 0 8 r f 2 作为轮胎结点主控芯片和发射芯片。f r e e s e a l e 方案采用 的传感器为m p x y 8 0 2 0 ，m p x y 8 0 4 0 ，属于硅集成式压力传感器。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 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 8 m h z 。发 射功率：5 d b m 1 1 6 - 1 3 5 m a t 8 5 ，3 1 5 m h z 4 3 4 m h z 。 厂。_-。_二 西华大学硕士学位论文 m c 3 3 5 9 4 的基本参数：可工作在3 1 5 。4 3 4 m h z a s k f s k 接收灵敏度在 数据波特率4 8 0 0 b p s 时为：1 0 5 d b m 。 m c 3 3 5 9 4 是一块比较