汽车胎压监测系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

汽车胎压监测系统的研究与设计 摘要 随着汽车行业近几年的不断升温 与之相关的电子技术也得到了迅速发展 和广泛应用 而由于各种突发性道路交通事故的频繁发生 人们对汽车安全的 关注度也日益提高 在汽车的高速行驶过程中 轮胎故障是驾驶人员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 在高速公路上发生的交通事故 有7 0 一8 0 是由于爆胎引起的 怎样防止爆胎己成为汽车安全的一个重要课题 权威的研究结果表明 保持标准的轮胎气压和及时发现轮胎故障是防止爆 胎的关键 这就使对轮胎充气压力实行监测显得非常重要 本文设计了一种汽车轮胎压力监测系统 t i r ep r e s s u r em o n i t o t i n gs y s t e m t p m s 该系统能够对轮胎的参数进行实时监测 当发现轮胎参数异常时 及时采取报警措施 从而避免交通事故的发生 论文在对当前存在的各种t p m s 系统结构形式进行分析和比较后 提出了一种基于直接式t p m s 同时引入l f 低频 唤醒模式 并结合智能无匙门控 p k e 系统的体系结构 l f 唤醒模 式有效的解决了轮胎定位 通信碰撞等当前t p m s 系统设计中普遍存在的难题 很大的提高了轮胎模块的射频通信效率 节约了电池电量 延长了轮胎模块的 使用寿命 智能无匙门控系统实现了汽车的免提门控功能 符合汽车的智能安 全的发展方向 将成为未来汽车的标准配置 将t p m s 系统与智能无匙门控系统 结合 有效的实现了射频收发模块和低频收发模块的复用 不仅节约了系统硬 件开销 也提高了系统的集成度 本文对系统的各部分进行了分析设计 解决了信号采集 r f l f 通信及滚 码加密等关键技术阔题 对系统的软硬件进行了调试 实验结果表明 该系统 在成本 功耗 通信距离及可靠性方面均达到设计指标 关键词t p m s 爆胎 低频唤醒 射频通信 p k e 滚码编码 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft i r e p r e s s u r e m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t a st h ev e h i c l ei n d u s t r yh e a t sl l pr e c e n ty e a r s t h ec o r r e l a t i v ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y h a sb e e nf u l l yd e v e l o p e da n dw i d e l yu t i l i z e d w 1 i i l es u d d e nt m 舾ca c c i d e n t sh a p p e nm o r e f r e q u e n t l y t h ev e h i c l e s a f e t yb e c o m e sm o r en o t a b l e w h e nv e h i c l e sm o v ea tah i g hs p e e d t h et i r ef a u l ti sah i d d e nd a n g e ra n dh a r dt o p r e v e n t t h u si ti st h em a j o rg a n s eo f s u d d e nt r a f f i ca c c i d e n t s a ss t a t i s t i c ss h o w 7 0 一8 0 o f t h et r a f f i ca c c i d e n t sw h i c hh a p p e n e di ns u p e r h i g h w a ya r ec a u s e db yt i r eb l o w o u t h o w t op r e v e n tat i r eb l o w o u th a sb e c o m ea k e y i s s u ei nv e h i c l es a f e t yf i e l d a sa u t h o r i t a t i v er e s e a r c hi n d i c a t e s t h ek e yt op r e v e n tat i r eb l o w o u ti sm a i n t a i n i n g s t a n d dt i r ep r e s s u r ea n dd c 船c t i n gt i r ef a u l tb e f o r e h a n d t h u s t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n g b e c o m e sm e a n i n g f u la n di m p o r t 锄i av e h i c l et i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m t p m s i sd e s i g n e di nt h ep a p e r t h e s y s t e mm o n i 啪t i r ep a r a m e t e r sr e a l t i m e a n da l a r m sw h e nd e t e c t i n gp a r a m e t e re x c e p t i o n t h u sh e l pt h ed r i v e ra v o i dt r a f f i ca c c i d e n t s a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gv a r i o u st p m s s t r u c t u r e sa p p l i e dc u r r e n t l y t h ep a p e rp r o p o s e sau e vs t r u e t o r e i tb a s e so nd i r e c tt p m s a n di n t r o d u c e st h el f 1 0 wf f e q u a n c y w a k e u pm o d e a n dc o m b i n e st h ep a s s i v ek e y l e s s e n t r y p k e s y s t e m t h el fw a k e u pm o d es o l v e st h et i r el o c a t i o nd e t e c t i n gp r o b l e ma n d t h er f r a d i o 矗e q u c y c o m m u n i c a t i o nc o n f l i c t i o np r o b l e m w h i c ha r eu n i v e r s a lp r o b l e m s i nt p m sd e s i g n i n g i tg r e a t l yi m p r o v e st h er fe o n u n u n i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ef i r e m o d u l e s a v e sb a t t e r ye n e r g y a n dp r o l o n g st h el i f e s p a no ft i r em o d u l e t h ep k es y s t e m r e a l i z e st h eh a l l d s o f fd o o rc o n t r o l l i n gf u n c t i o ni n v e h i c l e i ta c c o r d sw i t ht h et r e n do f i n t e l l i g e n ts e c u r l t y s y s t e m a n dw i l lb eas t a n d a r de q u i p m e n ti nv e h i c l e si nt h ef u t u r e b y c o m b i n i n gt p m sa n dp k e t h es y s t e mr e a l i z e st h et i m e s b a r 堍r e u s ef u n c t i o no fr f l f m o d u l e s c u t sd o w nt h eh a r d w a r ec o s t a n da c h i e v e sah i g h e ri n t e g r a t i o n e a c hp a r to ft h es y s t e mh a sb e e na n a l y s e da n dd e s i g n e di nt h ep a p e r t h ec r u c i a l t e c h n i c a lp r o b l e m s s u c h i ss i g n a lc o l l e c t i o n r f l fc o m m u n i c a t i o n a n dc o d e b o p p i n g e n c r y p f i o n h a sb e e ns o l v e d 1 1 1 eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nd e b u g g e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h e s y s t e mr e a c h e sd e s i g nt a r g e t i np o w e r c o n s u m p t i o n c o m m n u n i e a t i o nd i s t a n c ea n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s t p m s t i r eb l o w o u t l fw a k e u p r fc o m m u n i c a t i o n p k e c o d e h o p p i n g e n c r y p t i o n 知识水坝为您整理 插图清单 圈2 一l 轮胎充气压力对轮胎行驶里程的影响 图3 1 有源式t p m s 原理框图 图3 2 系统总体结构框图 图4 一i 轮胎模块框图 图4 2s p l 2 结构框图 图4 3 轮胎模块各芯片间的连接 图4 42 f s k 信号波形 图4 5t d k 5 1 0 0 内部结构框图 图4 6f s k 调制方式时序图 图4 7f s k 发射电路 图4 8 基站模块r f 接收电路 图4 9t d a 5 2 1 3 工作模式控制电路 图4 一1 0l f 发射电路 图4 1 l 谐振电路响应电压的上升 下降时闽 图4 一1 2 钥匙模块电路原理图 图4 1 32 a s k 信号波形 图4 1 4a s k 发射电路 图5 1p w m 编码方式 图5 2 数据格式 图53s p i 协议时序图 图5 4 滚动码生成图 图5 5 轮胎模块的软件流程 图56 基站模块的软件流程 图5 7 钥匙模块的软件流程 加屹 加 从巧拈掰盯嬲 札 5 吕 昌 u铊 知识水坝为您整理 表3 1 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表格清单 日j 接式与直接式t p m s 比较 轮胎模块各部分的电流消耗 钥匙模块各部分的电流消耗 钥匙模块r f 发射电路在不同偏置电阻下的通信效果 基站l f 发射模块在不同电阻值下的通信效果 4 4 4 5 4 6 4 5 独创性声明 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 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金胆王些盘堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字 扇 谴 岛签字日期 年5 月f 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王些叁堂 有关保留 使用学位论文的规 定 有权保留并向围家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被 查阅或借阅 本人授拯金壁王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇 编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名 孑i i 芝朋刍 签字日期 0 7 年6 月f 8 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 新躲汤撤 签字日期 1 年6 月l f 自 电话 邮编 致谢 本论文是在我的导师昂恚敏老师的悉心指导下完成的 在本文写作期间 昂老师给予了我很多建设性的指导和建议 不仅帮助我顺利的完成了该论文 还启发了我在胎压监测上的一些新的思考 在此 我谨以最诚挚的心情向昂老 师表示衷心的感谢 感谢韦康 刘正琼 吴玺几位老师在我论文写作期问给予我的帮助 以及 左斌 赵晓峰等同学在我三年研究生学习期间在学习上和生活中给予我的支 持 与他们共度的这段学习时光充实而快乐 是我一生中最难忘的回忆 在此 我还要特别感谢我的父母 在我忙于学业 研究和准各论文的时候 是他们给予我最有力的支持 当我在学习 生活上遇到困难和挫折时 他们总 能在精神上给我以安慰 使我在学业上更努力 生活上更安定 精神上更坚强 感谢我的家人及朋友对我的支持和帮助 以及他们为我所做的一切 最后再次衷心的感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们 作者 孙述鹏 2 0 0 7 年6 月6 日 第一章绪论 轮胎是关系到汽车行驶安全的重要部件 作为重要的支撑元件和行走元件 轮胎不仅承载着汽车的全部质量 还要给汽车前进提供推进力 同时起到缓 和地面冲击的作用 由于是在高速度 高摩擦 高负荷 高温度下工作 其工 作条件非常恶劣 一旦出现故障 轻者造成行车不便 重者便导致爆胎 引发 严重的交通事故 因此 对轮胎状态的实时监测是避免轮胎故障 提高汽车安 全性能的有效手段 1 i 课题背景 1 1 i 汽车安全被广泛关注 汽车在高速行驶中 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 根据统计 全球每年约有1 1 7 万人因公路事故死 亡 超过l 千万人受伤或致残 美国汽车工程师学会的调查统计表明 美国每年 有2 6 万起交通事故是由于轮胎故障引起的 雨7 5 的轮胎故障是由轮胎气压不足 或渗漏造成的 2 0 0 0 年 由于凡士通轮胎的质量问题 造成超过1 0 0 人死亡 4 0 0 人受伤 凡士通被迫于2 0 0 0 年8 月收回6 5 0 万只轮胎 该事件堪称北美市场乃至 全球市场历时最长 数量最大 影响最深的一次召回行动 美国政府对此事件 给予高度关注 在我国 近年来随着各地交通事业不断壮大 道路交通安全的形势十分严 峻 1 9 9 9 2 0 0 0 年问每年交通事故死亡人数连年增长 2 0 0 3 年我国发生重特大 交通事故7 0 万起 直接经济损失2 7 8 亿元 其中高速公路4 6 的事故是由轮胎故 障引起的 仅爆胎一项就占事故总量的7 0 轮胎故障引发的人员伤亡和经济损失巨大 怎样防止爆胎已成为汽车安全 的热点问题 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 于是汽车轮胎压力监测系统t p m s t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n g s y s t e m 开始得到开发与使用 2 0 0 0 年 美国国会通过了关于修改联邦运输法的t r e a d 法案 2 0 0 2 年 美国 国家公路交通安全管理局 n h t s a 出台正式条例规定 2 0 0 3 年1 1 月以后出厂的 轻型汽车将逐步引入轮胎压力监测系统 2 0 0 7 年以后安装数量将达到1 0 0 并 制定了轮胎压力监测系统的技术规范 t p m s 已经成为继安全带及安全气囊之后 的第三种由法律规定强制安装的汽车安全产品 在我国 最新的中华入民共和国国家标准 机动车运行安全技术袭件 征 求意见稿2 0 0 3 年1 1 月2 4 日 中的安全防护装置条款中也增设了一条规定1 1 1 车 长大于6m 的长途客车和旅游客车 最大设计总质量大于1 2 0 0 0k g 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 自本标准发布之日起第2 5 个月开始对新注册车实施 可见我 国政府也开始重视轮胎压力监测系统的发展和应用 1 i 2 汽车电子市场迅速崛起 当前汽车消费市场的持续火爆为汽车相关配套产品提供了良好的市场预 期 尤其是符合未来技术发展趋势的汽车电子产品 据汽车行业最新数据显示 2 0 0 2 年全国轿车的产 销量首次突破百万辆大关 分别达到1 0 9 万辆和1 1 2 6 万 辆 增长5 5 和5 6 2 0 0 3 年中国汽车销量达 j 4 3 9 万辆 产量为4 4 4 万辆 进入 全球汽车市场第四位 2 0 0 4 年中国汽车生产量和销售量都突破了5 0 0 万辆 其中 轿车产销星2 2 0 万 2 3 0 万辆 全行业销售收入将突破l 万亿元 近年汽车消费市 场的异常火爆 使汽车产业首次超过了电子产业 成为拉动工业增长的最重要 动力 据有关数据表明 截至目前 我国汽车的保有量已突破2 4 0 0 万辆 有专 家预测 2 0 0 3 2 0 i o 年之间 中国汽车保有量将以1 6 以上的速度增长 中国 有望在2 l 世纪前1 0 年成为世界上最具成长性和规模最大的汽车消费市场之一 而与此同时 对汽车配套产品及汽车电子产品的需求也必将形成容量巨大的长 期市场需求 作为汽车产业与电子产业的完美结合 汽车电子产品便于在现有车辆上安 装使用 产品安装调试方便快捷 无需对现有车辆进行任何改造 据估计 近 几年汽车电子业的年增长率均超过5 0 成为拉动汽车工业发展的重要因素 汽 车消费正进入家庭增长期 随着对汽车技术安全性能要求的提高 汽车电子业 的发展将更加迅猛 轮胎压力监测类产品不久就会成为汽车整车的配套产品之 一 在市场上得到大规模地普及商用 有多少辆新车出厂 就会有多少套轮 胎压力监测系统的需求 的时候就要到来 本课题就是在这种社会和市场背景下产生和完成的 课题由合肥工业大学 科教开发部主办 合肥工业大学微机所资助 1 2 课题研究的目的和意义 本课题研究的目的是设计基于直接式t p m s 并引入l f 唤醒模式和智能无匙 门控功能的汽车轮胎压力监测系统 课题的经济意义在于 提高汽车的安全品质 增强汽车高速行驶的安全性 能 并以提高的技术档次和有竞争力的成本使国产汽车屯子产品更为普通汽车 消费者所接受 使消费者获得性价比更佳的产品服务 课题的社会意义在于 有效降低行车中因轮胎故障引发的交通事故 减少 由此而带来的重大经济损失和人员伤亡 1 3 国内外轮胎压力监测技术的发展状况 轮胎压力监测技术的研究在发达国家开展的较早 加上强制法规的推广 已经得到了普遍的认可和较大范围的应用 日本 美国 德国 法国 英国在 近几年都取得了相应的进展 出现了一批新产品 早在1 9 9 6 年丰田就有一种系 统应用于当时生产的m a r k l i 型车上 但该系统不能直接测量轮胎压力 井存在 容易产生误差的因素 数据的时效性与准确性也存在不足 约翰逊公司的轮胎 气压实时监测系统被国际汽车工程 a e l 评为2 0 0 2 年度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 然后在后视镜上利用射频技术显示出来 这个系统在工作 时可以将每个轮胎的压力数据实时显示 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 t i r eg u a r d 监测装置 英国a i r 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 c o 公司合作 开发的一种轮胎充气内压监测装置 是专供商用车使用的监测装置 从最近发 布的世界新车资料中得知 许多美国及欧洲的汽车厂商已将直接式t p m s 配装于 中高档车之中 其中包括德国宝马的z 8 法国雪铁龙的c 5 美国福特公司的林 肯大陆 克莱斯勒与道奇迷你箱型车以及c h r y s l e r3 0 0 m 与c o n c o r d el 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 而在国内 轮胎压力监测技术的发展还很滞后 在市场方面 由予目前国家没有强制性规定必须安装t p m s 系统 而载货汽 车的所有权大多属于货运公司 载货汽车轮胎数量多 安装t p m s 系统费用高昂 一般货运公司不愿意承担如此高的费用 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 t p m s 都处于尴尬的地位 在技术方面 国内轮胎压力监测系统的相关产品推出较多 但都是属于零 售安装的简易系统 这方面的技术成熟产品还很少 性能可靠 功能完善 技 术成熟的都是代理国外大公司的品牌产品 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飞思卡尔 英飞凌 通用的零组件组装 起来做成成品 缺乏核心技术 然而 由于轮胎压力监测系统的相关产品正成为新的汽车电子技术热点 巨大的市场容量 良好的发展前景 使国内在产品的研发和市场的推广上仍然 保持着极大的热情和投入 1 4 本课题研究的主要内容 本课题是在直接式t p m s 系统的基础上 对系统的结构和相关电路作迸一步 完善和改进 增加了对温度的监测 引入了l f 唤醒模式 并结合了智能无匙门 控系统 课题研究的内容主要包括轮胎参量的传感技术 无线数据通信技术 系统 的低功耗设计 系统的抗干扰设计 基于滚码编码的数据加密技术以及t p m s 系 统与其他汽车电子系统的集成 1 轮胎参量的传感技术对于t p m s 来说 如何在苛刻的环境 尺寸 功耗 成本条件下实现温度 压力参数的高精度测量是保障系统可靠性的重要因素 本系统选择当前业界应用最广泛的高性能传感器进行设计 从而保证了系统在 轮胎参数测量上的各项指标都是可靠的 2 无线数据通信技术在现有的各种产品的设计中 t p m s r k e 基站模 块与轮胎模块或钥匙模块都是通过无线r f 的方式进行数据通信 本系统的设计 中引入了l f 唤醒模式 实现了系统的双向通信 解决了轮胎定位和通信碰撞的 问题 使系统更加灵活 可靠性得到了极大的提高 3 系统的低功耗设计功耗是影响整个系统使用寿命的关键因素 该系统采 用了专用的低功耗器件 在硬件设计中兼顾功耗和性能指标 同时在软件设计 中 在满足系统指标的情况下 尽量减少轮胎参量采集次数与无线发射次数 并在系统闲置时使相关芯片进入睡眠模式 从而减少了电能的消耗 使电池寿 命满足要求 4 系统的抗干扰设计由于轮胎模块的工作环境比较恶劣 噪声和电磁屏蔽 会对无线信号产生较大的干扰 因此引入了一系列软硬件抗干扰措施 改进了 轮胎压力监测系统中抗干扰性能不佳的缺点 使系统工作更加可靠 5 基于滚码编码的数据加密技术传统的用于单向传输的安防产品主要采 用固定编码集成电路 其编解码芯片的编码长度有限 码形格式固定不变 通 过捕捉波形和跟踪扫描等方法易于破解 安全性不高 采用基于k e e l o q 算法的 滚动码编码技术 克服了以上 睫点 在传输代码之前通过非线性位加密技术产 生高保密性的滚动编码 每次发送的代码 滚动码 都是唯一的 不规则的 且不重复 极大的提高了系统的安全性 6 t p m s 系统与其他汽车电子系统的集成无匙 智能无匙门控 无线倒车雷 达 胎压监测系统 t p m s 都是近年汽车电子行业的热点 由于它们的r f 模块 4 l f 模块 工作在不同的时间段 因此完全有可能实现复用 本系统成功的将 汽车智能无匙门控系统与t p m s 系统结合 不仅节约了系统硬件开销 也提高了 系统的集成度 论文中主要讲述了系统各模块软硬件的设计 r f 数据通信的实现 l f 唤醒 模式的实现 系统的低功耗设计 抗干扰设计及基于滚码编码的数据加密技术 5 第二章影响轮胎性能的主要因素 轮胎是汽车的主要部件 价值昂贵 在机械成本和运营费中约占2 0 3 0 另一方面 轮胎又是易损件 耐磨性能和耐切割性能较差 使用寿命较 短 使用条件相对苛刻 要想采取有效措施保证行车安全 就必须分析对轮 胎性能有影响的因素 2 1 轮胎的结构 轮胎的基本结构包括胎体 外胎 胎面 胎壁 缓冲层 束带 刚性缓冲层 胎缘等 1 胎体是轮胎的框架 必须具有足够的刚性 以阻止高压空气的外泄 又 必须具有足够的弹性 以吸收载荷的变化和冲击 它由许多层与橡胶粘连在一 起的轮胎帘线构成 根据其帘线的方向 轮胎分为子午线轮胎和斜交胎两种 2 胎面是外部橡胶层 保护胎体免受路面造成的磨损和外部破坏 胎面直 接与路面接触 并产生了摩擦阻力 使车辆驱动力和控制力得以传到路面 胎 面花纹由压人胎面的模压沟槽构成 其目的是在于帮助轮胎有效地将驱动力和 制动力传到路面 3 胎壁由数层橡胶构成 覆盖轮胎两侧 并保持胎体免受外部损坏 作为 面积最大 弹性最强的轮胎 胎壁在行驶过程中 不断地在载荷作用下弯曲变 形 4 缓冲层是夹在胎体与胎面之间的纤维层 它可增强胎体与胎面的附着能 力 同时也有助于减弱路面传到胎体的振动 缓冲层广泛用于斜交胎上 5 束带 又称刚性缓冲层 这是一种用于子午线胎中的缓冲层 它就一条 圈夹在胎体和胎面橡胶之间 沿轮胎圆周放置 使胎体牢固定位 6 胎缘是为了防止各种施加在轮胎上的作用力扯开轮辋 轮胎上设有固定 边缘 即各层侧边都缠绕有坚固钢丝 称为胎缘钢丝圈 轮胎内的高压空气迫 使胎缘胀紧在轮辋的边沿 使其固定可靠 一种称为缘口保护层的硬橡胶保护 住胎缘 使其免受轮辋擦伤所造成的损坏 经过1 0 0 多年的发展 当前汽车轮胎的发展趋势可队归纳为 三化 即扁 平化 无内胎化 子午线化 i 所谓轮胎的扁平化是指轮胎向宽断面方向发展 即轮胎断面的高宽比越来 越小 这是因为随着车速的不断提高 为了降低汽车重心和轮轴的高度 轮胎 直径不断缩小 但为了保证轮胎有足够的承载能力 行驶的稳定性 轮胎的附 着性能及抗侧滑能力 轮胎和轮辋的宽度不断加大 因此 轮胎的断面形状由原 来的近似圆形向着扁平化的椭圆形发展 这种结构的轮胎在行驶中胎侧变形小 行驶面加宽 使轮胎的制动力和牵引力提高 这是高速轮胎的必要条件 6 无内胎是轮胎的另一个发展方向 无内胎轮胎利用轮胎内壁和轮辋的气密 层 保证轮胎与轮辋问的气密性 外胎兼起内胎的作用 气密层能保证胎面被 刺破后漏气缓慢 使汽车仍能行驶一定的距离 有的气密层下还设有自封层 对刺穿的小孔有自动密封的功能 不会因轮胎刺穿爆破而旋生事故 这样就更增 加了汽车行驶的安全性 便利性 子午线轮胎是由法国米其林轮胎公司于1 9 4 6 年6 月最先制造出来的 j 与 斜交轮胎相比 子午线轮胎的结构特点是胎体帘线与轮胎径向成o 角 相邻层 的帘线不是相交而是相互平行 胎面与胎体之间有起箍紧作用的带束层 予午线 轮胎相对斜交轮胎具有减振 耐磨 抓着性能好 行驶温度低及使用寿命长等 优点 由于子午线轮胎显著的结构优势和突出的技术经济效果 从2 0 世纪6 0 年代 中期开始得到迅速发展 成为当今轮胎工业的发展方向 2 2 爆胎的原因 汽车爆胎是指因轮胎某一局部机械强度被严重削弱 胎压失去平衡而突然 爆破的故障 爆胎一旦发生 轻则汽车将发生剧烈的侧槽 甩尾 重则汽车将连续 翻滚 这样 不仅危及爆骆汽车自身安全 而且也会引起与搿近车辆和行人发生 连续碰撞 造成重大交通事故p j 汽车发生爆胎事故的原因是多方面的 归纳起来 主要有以下几个方面 1 1 汽车高速行驶时 因轮胎胎体变形而发热 相应的轮胎内压升高 同时轮 胎在负荷干 用下弯曲变形 帘线 镪丝和橡胶产生疲劳 赂体整体强度下降 因此 当轮胎碰到障碍物时 胎体受到过大的单位面积冲击力 轮胎就发生 爆裂 2 汽车高速行驶时 轮胎的流动阻力随行驶速度的增加而增大 达到一定的 程度轮胎便发生驻波现象 轮胎不再是圆形 而是里波浪形 胎体内部组织 间的摩擦加剧 胎体温度升高 胎体内的帘线 钢丝和橡胶性能下降 部件间 的附着力降低 导致各部件之问的分离 脱落 直到爆裂 3 轮胎气压不足时 胎面接触地面面积增大 胎面与地面摩擦阻力加大 同 时胎体备部件的变形量变大 轮胎内部组织闻的摩擦也进一步加剧 这些因 素都进一步加剧胎体升温 另一方面 因胎肩变形量大 容易引起帘线 钢丝 和橡胶等材料扯断 拆裂 导致胎体强度下降 温度上升或强度下降到一定程 度就发生爆胎 4 车辆超载时 轮胎负荷过大 每条轮胎都标有该轮胎的负荷指数 如果轮 胎超负荷运行 胎内气压增大 则轮胎变形增大 使胎冠弱离 帘布破裂 瞌体 温度迅速升高 更容易爆胎 5 车辆超速行驶时 由于轮胎与路面的摩擦加剧 轮胎屈挠频率升高 使轮胎 温度与内压上升 加速了帘布胶质老化和帘线疲劳 造成早期脱层和爆裂 出 现行车事故 由上可见 爆胎现象与轮胎压力和温度的异常有着密切的关系 只要能及 时发现轮胎压力和温度的骡变 就能避免爆胎事故的发生 2 3 温度对轮胎性能的影响 汽车行驶中 轮胎连续不断的发生伸缩变形 橡胶与帘线 帘线与帘线 外胎与内胎及舱面与地面等均会发生摩擦 产生大量的热p 1 此外轮胎的构成 材料并不具有良好的弹性 这些材料在轮胎的行驶过程中也吸收能量 并将其 转化为热量 具有较大的 滞后损失 而轮胎本身不易散发热量 于是胎体 温度逐渐上升 导致橡胶及帘线的强度下降 试验表明 当温度由0 升到l o o 时 橡胶的强度及帘线的附着力大约降低5 0 不同材料的帘线 其强度也 有不同程度的下降 温度升高引起材料疲劳 强度降低 当应力超过帘线的强 度时 帘线就会折断 轮胎变形使帘布层之间产生剪应力 当剪应力超过帘布 与橡胶之间的附着力时 就会出现帘布松散或局部帘布脱层 温度超过1 2 5 酎 轮胎就会脱空分层发生爆破讳1 另外 轮胎温度升高还将造成轮胎气压随之升高 使帘线所受的应力加大 轮胎的正常工作温度应为1 0 5 c 左右 当大气温度为2 5 时 则允许轮胎温升 为8 0 在标准气压下 气温每升高5 轮胎气压增加5 一 l o k p a 此外 轮 胎比正常工作温度每升高1 磨损强度增加2 一般在同一路面 同一车速 下行驶 气温升高5 轮胎使用寿命缩短4 5 轮胎的生热和温升不仅影响其使用性能 而且对汽车油耗也有很大的影响 据报道 轮胎的能量损失占轿车总能量损失的5 占载重汽车总能量损失的 1 0 由上可见 轮胎的温升对其安全性能和使用寿命的影响很大 因此 对轮 胎的温度进行实时监测 当温度升高到一定数值时对司机提出报警 提示司机 进行相应处理 可以有效地降低爆胎事故的可能性并提高轮胎的寿命 需要注意的是 当行驶中发现轮胎温度过高时 不应通过放气或泼冷水的 方式进行处理 而应降低车速 将车停在阴凉通风处降温 原因是当轮胎的温 度升高到吸热量与散热量平衡时 其温度和压力就不再升高 若采用放气的办 法来降温降压 结果会适得其反 轮胎的温度不仅不会降低 反而会由于气压 降低 变形增大而继续升高 致使气压也随之升高 直到轮胎的散热量与吸热 量达到新的平衡为止 如果这时再次放气 则轮胎的温度会上升得更高 从而 给轮胎带来严重损害 大大降低轮胎的使用寿命 若用泼冷水的办法降温 则 会园降温过快导致轮胎胎面和胎侧胶层收缩不均 产生裂纹 缩短轮胎的使用 寿命 8 2 4 压力对轮胎性能的影响 在影响轮胎性能的诸多因素中 充气压力是极其重要的一个 轮胎气压对 轮胎的承载性能 高速性能 制动性能 防浮滑性能 耐久性能 抗刺穿和耐 爆破性能都有着重要影响 可以说 气压是轮胎的生命 1 气压过低对轮胎性能的影响 气压过低 轮胎按地面积增大 胎侧屈挠点改变 外层伸张 内层压缩 产生 压缩应力 随着胎温升高 易使胶料的物理性能受到破坏 从而导致以下影响 9 1 1 轮胎在负荷下变形加大 胎肩与地面接触部分的磨耗增大 胎面磨耗不均 轮胎生热快 造成脱层 2 轮胎碰到障碍物时 由于冲击力大 胎体帘线易断裂 致使轮胎爆破 3 轮胎生热高 加速内胎损坏 4 并装双胎气压过低 相邻的两胎胎侧互相挤压 摩擦而损坏 如一胎气压 过低 则加大另一胎的负荷而促使轮胎早期损坏 5 外胎在轮辋上有时发生转动 易引起气门嘴脱落 而且驱动轮上的轮胎易 损坏 6 轮胎滚动阻力增大 燃料消耗增加 转向性能差 7 在坏路面上高速行驶 造成胎冠损伤有小洞眼 花纹掉块 8 在气压过低的情况下继续行驶 造成胎侧内壁帘布损坏 胎肩和胎体脱离 胎里和胎体碾伤 9 轮胎内压长期低于标准气压 胎体变形 屈挠变形次数增加或移位导致过 度疲劳生热 两胎侧帘线腻层松散 2 气压过高对轮胎性能的影响 气压过高 轮胎帘线过度伸张 胎体弹性降低 刚性增大 单位压力增大 胎 冠部接地面积减小 同时磨耗增加 胎面花纹易裂口 行驶中一旦受到障碍物冲 击 便会产生内裂或爆破 汽车在同样使用条件下行驶 轮胎缓冲性能差 冲击震 动大 操纵性能差 特别是在坏路面上行驶时 轮胎易产生机械损伤 影响行车安 全 3 气压与行驶里程的关系 气压过低或过高都会缩短轮胎行驶里程 气压过低 轮胎变形为外张内缩 导致生热增加 加速橡胶老化 疲劳 出现脱层现象等 气压过高 轮胎接地面积 小 磨耗量增大 气压对轮胎行驶里程的影响见图2 1 9 本章小结 5 06 07 08 0 9 01 0 0l l o1 2 0 克气气压与标准气压2 比帕百分t 圈2 1轮胎充气压力对轮胎行驶里程的影响 本章介绍了轮胎的基本结构 分析了爆胎的原因 指出了轮胎压力和温度异常是 影响轮胎性能 导致轮胎故障的重要原因 昌 阳 蛐 一乎一 永阻墨嘲嘟一躲 3 1t p m s 系统的分类 3 1 1 按测量方式分类 第三章系统总体方案设计 按照轮胎参量的测量方式 t p m s 系统可分为间接式 直接式与复合式三种 1 间接式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 简称w s bt p m s 是与车辆的制 动防抱死系统 a b s 一起使用的 a b s 系统采用车轮转速传感器测量每个车轮的 转速 当一个轮胎的气压减小时 滚动半径就减小 而车轮的旋转速度就相应 地加侠 通过比较车轮之间的转速差剐 可以达到监测轮船骆压的目的 目前 间接式t p m s 尚有以下明显局限性 l 州 1 只有在1 条轮胎气压低于其它轮胎气压3 0 以上时 才能监测到低压现象 如果4 条轮胎全部明显处于低压状态 间接型t p m s 将不能报警 2 若同轴或同侧的两条轮胎处于明显的低压状态 闻接式t p l s 也不能监测 出 3 系统没有识别功能 只能提示轮胎气压不足 不能判定是哪一条轮胎气压 不足 必须再由人工检查 4 车辆必须达到一定的行驶速度 系统才能有效工作 5 系统反应速度慢 a b s 系统需要进行繁琐的数据处理和自我检测 阻防系 统出现误诊断 因此向司机发出信号迟缓 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 简称 p s bt p m s 它利用 安装在轮胎内部的传感器模块 直接溺量轮胎内部的气压 温度良及模块供电 电压等参数 通过无线的方式将测量数据发送到基站接收模块达到监测的目的 出现状况时 系统会自动报警 间接式t p m s 与直接式t p m s 有各自的特点 如表3 1 所示 裹3 1问接式与直接式t p m s 比较 p s bt p m s 直接式 w s bt p m s 间接式 测量参数压力 温度 电压等车轮转速 作用原理不论汽车停止 行驶 每个轮胎汽车行驶时 通过比较车轮 的参量都可直接监测转速计算压力 测量精度高 0 1 b a r 低 当压力减少3 0 时爿报警 实现成本高 每个轮胎均需安装一个模块低 以a b s 系统为基础 可靠性 高 需要精心规划系统设计低 没有额外的硬件设备 显然 直接式t p m s 从功能和精度上均优于间接式t p m 3 复合式t p m s 为满足多轮压力监测要求 还有一种复合式t p m s 它是在常规的间接t p m s 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 和问接式系统相比 它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 但当两个呈对角的轮胎 不带直接压力传感器 都处于低压状态时 系 统只能检测到一个轮胎充气不足 和直接式系统相比 它可以降低系统成本 但却仍然不能提供所有4 个轮胎 内实际压力的实时数据 因此不能全部定位欠压轮胎 就系统可靠性和灵活性 而言 还是不够理想 很明显 直接式t p m s 系统更有效 将成为未来t p m s 系统的主流 因此 在本论文 的设计中 以直接式t p 淞结构为基础 进一步加入了一些新的功能与结构 设计了使 用更加灵活 系统更加安全 可靠的汽车轮胎压力监测系统 3 1 2 按供电方式分类 按照系统的供电方式 t p m s 又分为有源式 a c t i v e 和无源式 p a s s i v e 两 种 主要区别是有源式t p m s 中的轮胎模块需要电池提供能量 而无源式t p m s 无 须电池 1 有源式t p m s 有源式t p m s 是利用锂离子电池为电源为轮胎模块供电 通过轮胎里的传感 器来直接测量轮胎的压力 温度 并通过无线调制发射到安装在车身的基站模块 上 基站模块随时显示各轮胎气压 驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状 况 当轮胎气压太低或有渗漏时 系统就会自动报警 系统主要由传感器 发 射器 接收器和显示器及信号处理m c u 组成 如图3 1 所示 压力 传感器 温度 传感器 图3 1有源式7 p m s 原理框图 有源式技术的优点是 它是一种成熟的技术 开发出来的模块可适用于各 厂牌的轮胎 但有源式t p m s 轮胎模块需要电池供电 因此不可避免的带来一些 弊端 如电池的寿命有限 当气温严重降低时 电池的容量就会受到影响而减 1 2 少 这使得它的可靠性不高 此外 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轮胎模块的重量 2 无源式t p m s 在无源式t p m s 中 轮胎模块作为全被动模块 被基站发送的射频信号激活 并由该射频信号提供能量工作 采集完轮胎参量后再通过射频信号将数据发送 回基站 这就使得安装在轮胎内部的轮胎模块不需要电池 目前 在欧洲和日 本已经提出了一些基于2 4 g h 2 射频信号的无源式t p m s 方案 但是这种技术在汽 车电子的应用中还不是很成熟 因此 无源式t p m s 短期内还难以流行 3 1 3 按通信方式分类 按照轮胎模块与基站模块的通信方式 t p j s 系统可分为单向式和双向式 1 单向t p m s 系统 传统的t p m s 系统都采用单向通信的结构 即只存在从轮胎模块到基站模块 的单向信道 轮胎模块工作在完全自主的模式下 轮胎模块监测到胎压 温度的 变化出现异常时 就发送信息给基站模块 虽然这种系统结构比较简单 成本 也较低 但却存在不少问题 1 首先 该系统结构中 基站模块是处于被动受控逻辑单元 而轮胎模块则 为主动控制逻辑单元 而一个t p m s 系统会有多个轮胎模块 所以单向t p m s 系 统就成为了一个多主结构系统 而且在系统的主动控制单元 各轮胎模块 之 阀 没有相互的通讯或任何联系 从系统控制的角度看 单向 i f y l s 更接近一种 无序系统 出于成本控制的考虑 轮胎模块的微控制器都采用8 位t l c u 并且 由于功耗的限制 轮胎模块的微控制器在休眠唤醒后 工作时间和运算速度都 很有限 因此 单向t p i s 在实时响应 系统的灵活性和其他方面都很难达到理 想效果 2 单向t p m s 的轮胎模块只在体眠唤醒后进行射频率数据发射 同一个系统 中的轮胎模块必然拥有相同的休眠唤醒周期 不论轮胎模块的休眠唤醒周期采 用何种时钟源 不同轮胎模块问休眠唤醒周期同步的现象都是难以避免的 也 就是说 即便不考虑外界干扰 单向t p m s 系统内部也很难杜绝不同轮胎模块问 的通信碰撞 虽然可以通过轮胎模块的软件控制来避免这种问题 但从系统控 制的角度看 如果作为系统工作基础的射频通讯链路存在这样的隐患 那么这 种结构也不是最优的选择 3 在单向t p m s 系统中 由于实际的主动控制单元是轮胎模块 而不是基站 模块 系统功能的调整和修改很大部分都只能通过修改轮胎模块t l c u 中的程序 来实现 这给系统的升级和维护带来了很大困难 2 双向t p m s 系统 为弥补单向式通信结构的诸多缺点 双向式通信结构已经诞生并正逐渐成 1 3 为主流 即在t p m s 系统中增加了由基站模块到轮胎模块的无线信道 使基站模 块不仅能接收来自轮胎模块的信号 也能发送信号来控制或响应轮胎模块 双 向通信可以是r f r f 射频通信 也可以是l f r f 低频与射频通信 从降低成本的 角度出发 本设计引入了了l f r f 双向通信结构 3 2 系统的设计指标 3 2 1 系统的主要指标 1 系统功耗 直接式轮胎压力监测系统要求轮胎模块的电池寿命要和轮胎寿命相当 大 约3 5 年 要达到这个指标 系统必须采用低功耗的器件 器件还要能提供电流 极低的休眠或待机模式 在信号的采集和传输方面 采用高效的测量和传输硬 件 并通过设计合理的软件控制算法来降低传感器采集的频率和r f l f 通信的频 率 2 系统成本 由于汽车电子市场是一个对成本敏感的市场 只有性价比高 具有竞争力 的产品才能胜出 因此 在系统设计中 成本是一个重要问题 将t p m s 与智能 无匙门控 p k e 系结合起来 有助于降低系统成本 并提