汽车胎压监测系统(TPMS)的设计与发展.doc

福 建 农 林 大 学FUJIAN AGRICULTURE AND FORESTRY UNIVERSITY汽车胎压监测系统（TPMS）的设计与发展 班 级：09车辆工程 学 号：091237015 姓 名：叶 向 荣 指导老师：郭 雷 2012年4月15日汽车胎压监测系统（TPMS）的设计与发展摘要：随着汽车进入家庭步伐的加快，人们对汽车的安全性能的要求越来越高，作为提高汽车主动安全性能措施之一的TPMS系统受到人们越来越多的关注。汽车胎压监视系统( T P MS )主要用于在汽车行驶时实时地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，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。本文详细介绍了T P MS系统的组成以及器件选择和安装等设计考虑因素, TPMS软件设计,并提出引导TP MS系统发展的三点看法。 关键词：汽车胎压监视系统；设计方案；接收嚣；显示嚣；数据处理；报警 ；轮胎气压 1、T P M S系统组成 P S B T P MS主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、 R F发射器组成的T P MS 发射模块。以及安装在汽车驾驶台上包括数字信号处理单元的 R F接收器、液晶显示器( L c D) 组成。图l 是系统软件的功能框图。1 .1、T P MS传感器 T P MS传感器是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、 数字信号处理单元和电源管理器的片上系统模块。为了强化胎压检测功能，有不少T P MS传感器模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗，和带 l 2位 A D C、4 k B F l a s h 、2 k B R O M、1 2 8 B R A M1 2 8 B E E P R O M及其它功能的A S I C数字信号处理单元。这些功能芯片使得T P MS传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、节省电能等功能。电源管理器确保系统实现低功耗，使一节锂电池可以使用35年。 T P M S压力传感器是一个片上系统模块其内部典型架构包括整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测 、内部时钟 ，以及一个包含模数转换器( A D C) 、取样， 保持( S H) 、 S P I口、校准、 数据管理、I D码的数字信号处理单元，模块具有掩膜可编程性， 即可以利用客户专用软件进行配置。压阻式传感器是由 M E MS压力传感器和半导体 S o C电路，用集成电路工艺做在一个封装里的。在封装的上方留有一个压力 温度导人孔 ，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，周边固定的圆形应力薄膜内壁由半导体应变片组成惠斯顿测量电桥，同时这个孔还将环境温度直接导人半导体温度传感器上。 1 . 2压力，温度信号处理与发射 压力，温度信号经 T P MS传感器模块内的A S I C S o C电路处理，通过其 S P I 口传输给安装在发射模块内的信号处理单元，综合成数据流再进入同一封装内的 R F发射 I c，按设定的超高频率( U H F ) 调制发射给安装在驾驶台内的接收器。 为了缩小汽车轮胎内的测量、 信号处理 I c所占面积与发射模块的体积，压力 温度信号处理与发射也采用组合的 S o C，如 A T ME L的A T A R 8 6 2 、飞思卡尔的 MC 6 8 HC 9 0 8 R F 2，它们都是将一片MC U、 一片超高频( u HF ) R F发送器整合在同一封装内。M C U一般为4位或 8位 C P U核，包括时钟管理、E E P R OM、 R A M、多个计时器、多个 I O口、内部晶振等。U HF R F发送器以AT A R8 6 2为例，其内部嵌入的是 T 5 7 5 4 U H F A s l ( ，F S K R F发送器，T 5 7 5 4内部由P L L 、 V C O、功率放大器等组成， 外部晶振源经串口谐振器供给VC O。P L L 向 MC U提供时钟，MC U将已编码的数据流经 功率放大器调制在UH F指定频率，交由天线发射。天线采用印制在P cB板上的环状天线，发射功率要求 P A在 95 m A时能输出7 1 0 d B m。 1 .3、发射模块1 .3 .1发射模块软件设计发射模块软件程序的主要工作为系统的初始化，对温度、压力、加速度、电压等检测的控制，对测量数据的简 单预处理以及编码发射控制。其主程序流程图如图2所示。 1 .3 .2数据测量与处理的软件设计 发射模块测量部分流程图如图3 所示。轮胎发射模块上电复位后，先测量加速度，读取补偿后的加速度，如果加速度为0，则汽车处于停止状态，不测量数据，也不发送数据，测量和处理程序进入停止模式，等待启动设置MP XY8 3 0 0 为待机模式 ，定时一段时间后唤醒 MP XY8 3 0 0 进入工作模式，再重新测量实时的加速度。 1.3.3数据发射的软件设计 轮胎发射模块的环境非常差，所以轮胎发射模块既要保证数据的可靠有效传送，又要满足低功耗的要求，使发射模块的使用工作寿命尽可能地延长。发射程序流程如图4 所示。 1.3.4 TPMS发射模块的安装 由于现在的汽车大多都已取消了内胎，因此给T P MS发射模块安装带来了极大的方便，目前T P M S发射模块在汽车轮胎内的安装有两种方式：利用气门咀安装和利用紧箍扣安装在轮毂上。无论采用哪种方式，安装完1 1 P Ms发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验。 1 .4、TPMS接收器和显示器 TPMS接收器由 UH F A S K F S KR F接收 I c和信号处理 MC U、键盘、 L C D显示器组成。R F接收 圯和信号处理 MC U安装在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的L C D显示器可安装在驾驶台上， L C D显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的I D识别码，以及声光报警。 u HF A s K， K R F接收器以T 5 7 4 3为例， 该 芯片 由低 噪音放大器 ( L A N) 、低通滤波器 ( L P F ) 、中频功率放大器、 AsK， F S K解调器、数据接口， 以及P L L 、X T O、V C O、混频器组成。天线接收到的信号经RF模拟前端的 L A N放大、 L P F滤波 、 AS K F S K解调 。取出的数据流交 T P MS接收器的 MC U，经软件处理还原出胎压、 温度、I D码给 L CD显示，并智能辨别系统是否安全， 以及提供声光报警。 1.4. 1接收模块软件设计 在轮胎压力监测接收模块上电后，首先初始化微控制器MC6 8HC908 KX8 ，然后初始化接收器MC3 3 5 9 4 P 。初始化后确认所有的配置都有效并且都准备就绪后，所有LED都闪烁一下，表明接收模块所有准备工作已经完成，可以开始工作了。图5 是接收模块的主程序流程图。 1.4.2 数据接收与处理的软件设计 系统上电后，MC6 8 HC9 0 8 Kx8 首先对接收器 MC 3 3 5 9 4进行初始化，因为MC3 3 5 9 4一般都是处于低功耗的休眠状态。初始化后又继续进入休眠状态，来节约功耗，当轮胎发射模块发送数据时，再激活MC3 3 5 9 4接收数据。MC3 3 5 9 4有j个工作模式：休眠模式、配置模式、运行模式。休眠模式也就是低功耗模式；配置模式用来读写内部寄存器，此时串行外围设备接口S P I 为从模式，MC6 8 HC 9 0 8 KX8 可以读写MC3 3 5 9 4 内部配置寄存器；运行模式下接收启动，MC 3 3 5 9 4处于S P I 接口主模式，要么正在接收数据要么等待一个数据帧的到来，在数据管理器有效的情况下，定时地唤醒信息发送后，接收到的数据由串行外部接口( S P I ) 发送到MC6 8 HC9 0 8 KX8 。如图6所示。 数据处理在接收到数据并检验正确之后进行，首先要保存接收的数据，保存当前的温度、压力等的采样值，历史采样压力、温度值依次移动，然后进行压力、温度等信号的单位变换，再把温度压力等转换值保存，判断是报警还是循环显示温度、压力值，最后把轮胎无数据计数器清零，完成数据处理。程序框图如图7 所示。 1.4.3报警与显示的软件设计在启动时，可以显示一些初始信息，如果轮胎的状态异常，就会显示报警的内容，如果轮胎的状态是正常的，则循环显示轮胎的压力 、温度等参数 。首先是初始化L CM0 4 6，读显示数据，判断是否报警，若报警则初始化报警器并驱动L E D，若不报警则循环显示 6 。流程图如图8 所示。显示报警程序开始后，首先对液晶显示模块LC M0 4 6 进行初始化，设置些必要的功能参数。然后读取显示数据，进行显示 。 如果轮胎工作处于异常状 态 ，MC6 8 Hc9 0 8 Kx8 处理接收来的数据判断决定要报警时， MC6 8 HC9 0 8 KX8 对报警器进行初始化，并根据判定的轮胎位置，驱动相应的L E D实现声光报警。这种声光报警可以极大提高驾驶员对报警的反应速度 ，以降低发生事故的 机率，确保驾乘人员的安全。 2、 汽车轮胎压力监视系统的发展引导 国外早在2 0 0 2年就已开发出了早期的 T P MS产品， 通过近几年的技术发展， TP MS产品也经历了一个自我完善自我发展的阶段 。目前国内 TP MS产品生产企业逐步增多， 甚至在2 0 0 7年就有企业向美国出口。但市场上的产品品种、 型式 、技术水平和质量参差不齐，鱼龙混杂 ，有许多高技术含量和高品质的产品，也有采用较为落后技术方案的产品(如只是使用简单的L E D灯进行胎压高低压报警) 。因此有必要对TP MS产品的发展进行引导 ： 2.1 TP MS产品是一种事涉社会 多方的安全产品， 所以有必要制定 TP MS国家标准来规范和引导TPMS产业的良性发展 。考虑该产品是一种较新的技术， 先从鼓励先进技术的应用为目的，制定推荐性国家标准，待技术和产品进一步成熟后，可考虑制定为强制性国家标准的步伐。在这方面，我们可以参考美国公路交通安全管理局 ( NTHTS A) 、国际标准化组织( I S O) 、美国汽车工程师学会、 欧洲的 GRRF 、日本的汽车标准化组织( I As o) 等汽车发达国家或地区制定的各种 TP MS标准。 参考的目的在于制定TPMS国家标准时要适用于我国的国情， 既要规范市场 的管理 ，又要引导产品的技术发展。国外的标准中有不少是需要我们先消化后改进的，比如“ 使用寿命期为6年或者行驶 10万k m ”这个国外的标准成为我国的标准要求能否普遍实现?因为我国的电子元件的质量与国外同类产品有不少的差距是不争的事实 ；有些则要考虑与我国已经实行的标准有否冲突，如对TP MS 系统发射频率的要求 ，已经涉及到我国既有空间频谱资源的占用问题等 。 2 .2 TPMS产品有 4大核心(瓶颈)技术： ( 1 )无线信号传输的稳定性和可靠性 ( 特别是 高速行使时的信号传输) ； ( 2 ) 传感器的使用寿命 ( 免维护使用) ； ( 3 ) 报警提示的准确性 ( 无误报警、错报警) ；( 4 ) 传感器的耐压性。这 4点都集中于在高温( 1 0 0 ) 、低温(一4 0 )、水汽( 低温冷凝水结冰) 、 旋转加速度(可达 2 0 0 0 g )、振动冲击等工作条件下 TP MS产品的传感器的稳定性问题 ，再加上在高速行驶的车辆 上无线电接收效率下降的特性，从“ 等寿命设计原理”看，传感器的设计生产是瓶颈中的瓶颈。显然，传感器的微型化( 减少离心力) 和无电池化( 使用微型超大容量电容) 是一个方向，不过，从我国 目前车用的压力和温度传感器的设计水平来看，从这个方向突破，还有很大的努力空间。 2.3 目前TPMS产品功能的最高水平也只是“ 报警”，能否突破这点，把报警升级为“ 处理”?其中一个思路是：能否象R级奔驰的预防性安全系统 P R ES A F E一样，能够在事故发生前片刻内(几毫秒) 被激活并 自动做出响应，最大程度地降低对车内乘客的伤害?我认为，以目前软件设计的水平，名副 其实的汽车“ 主动安全”并不是那么遥不可及，至少可以在主动安全和被动安全之 间建立一座桥梁。一个设想是把 TP MS系统的中央监视器与汽车制动辅助系统以及 E S P电控车辆稳定行驶系统进行网络( CAN) 连接 ，其报警数据通过自设的“ 正 常”、“ 危 险”、“ 非常危 险”等级差模 式定位，经过自带 E C U 的运算，识别出可能导致事故危险的发生( 如轮胎爆胎或突然泄气) ，在这种危急情况下， 中央监视器将在几毫秒内做出反应，发出汽车减速或停车的指令；同时，在 CAN标准的条件下，S RS系统打开 ，保护驾驶人员和乘客的安全。 参考文献 : l 颜重光等新型实用传感器应用指南M北京： 电子工业出版社1998， 4 2 颜重光关于开发 ATMEL轮胎压力监测J C应用市场的报告2 0 0 3 1 2 3 吴恒