自动化仪表课程设计-轮胎胎压自动监测系统剖析

1、自动化仪表大作业轮胎胎压自动监测系统 在线检测胎内压力和温 度，具有实时液晶显示及报警功能 学校：洛阳理工学院 专业：自动化 日期： 2013年 5月12日摘 要: 轮胎压力监测报警系统 (Tire PressureMonitoring System)(TPMS) 是汽车安全领域重要电子装置 ,近年来已开始获得广泛应用 ,但传统的 TPMS 产品多为内置式 ,安装在轮胎内 ,安装和维护时需要拆卸轮胎造 成很大不便 ,同时轮胎里的金属轮辋对位于胎内的压力传感器和无线 发射装置有很强的屏蔽作用 ,信号衰竭很快 ,要保证信号传输到位于驾 驶室内的接收器 ,必须提高发射功率 ,从而大大缩短发射器的电池

2、使用 寿命。针对这些技术问题 ,提出了一种新型外置直接式数字胎压监测 系统,它的胎压监测节点核心器件 MCU 选用 Infineon 的专用压力处理 器芯片SP30该芯片内置MEMS压力传感器可通过外连气门芯直接 测量胎内气压 ,再通过无线方式与上位接收器进行无障碍无线传输通 信 ,避免了信号屏蔽 ,延长了电池和产品的使用寿命以及安装成本。给 出了新型外置直接式 TPMS 产品的具体硬件设计、 软件流程和通信协 议。测试表明该系统的无线信号传输可靠、抗干扰能力强、轮胎位置 识别准确、反应灵敏、安装与维护方便及组态灵活等特点、有着广泛 的市场应用前景。关键词:无线传输；胎压监测;压力传感；编码；

3、TPMS胎压监测系统(TPMS)能在汽车行驶期间实时监测轮胎内气压变 化 ,并对胎压和温度异常进行报警,有效避免爆胎事故的发生。目前,TPMS系统分为两种类型：(1)间接式TPMS通过汽车ABS的轮速 传感器来比较轮胎之间的转速差别 ,以监视胎压变化 ,这种方式可靠性 不高；(2)直接式TPMS利用安装在每个轮胎上的压力传感器来直接测 量胎压 ,并与驾驶台的监视器无线通信 ,实时显示每个轮胎内的气压 , 这种方式简单可靠。但是 ,许多汽车厂商只是在生产新车时采用内置 安装方法配置直接式 TPMS,这样不可能从根本上解决保有车辆加装 TPMS 的问题 ,安全隐患依然存在 1-2 。直接式轮胎压力

4、监测系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传 感器来直接测量轮胎的气压。很明显,直接传感系统更有效 ,是当前TPMS 的主流和发展趋势。直接式轮胎压力监控系统又分为主动式 (Active)和被动式(Passive两种。被动式轮胎压力监控系统的传感器是 采用声表面波(SAW)来设计的，虽然此技术不用电池供电，但是它需要 将转发器(Transponder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。利用该技术研发的产品由于通讯距离短 ,需要 在每个轮胎旁安装发射天线 ,所以应用范围受到限制 3。主动式 TPMS 是采用在硅基上利用 MEMS 工艺制作电容式或者压阻式压力传感器 , 将压

5、力传感器安装在每个轮胎上 ,通过无线射频的方式将信号传送出 去,安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力信号 ,经过一定的信 号处理 ,显示出当前的轮胎压力。主动式技术的优点是技术比较成熟,开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎 4。本文介绍一种新型外置直接式数字胎压监测系统,该系统的胎压监测节点安装在轮胎气嘴上 ,直接监测胎内气压 ,再通过射频信号传送 至驾驶室内的上位接收机 ,实时显示每个轮胎内的瞬压 ,当轮胎气压不 正常时及时发出警报 ,保障行车安全。该系统在通信可靠性、实时性、 灵活性等方面有着明显的优势，填补国内TPMS后装市场的空白，有着 广泛的应用前景。1 TPMS系统原理和总体结构

6、TPMS系统主要由胎压监测节点和接收机两部分构成 ，系统结构框图如图1、图2所示）石”一肚.纠jj 一| 庄 1W. 电笊凶I 畔比常旳诂&申怦-倦杓图图1中，压力传感器采集轮胎压力和温度信号，经A/D转换,MCU获得 压力值和温度数据，遵循特定的通讯协议进行编码后，再由RF发射芯 片和天线将编码后的数据发射出来；图2中,安装在驾驶室内的接收机 接收到胎压监测节点发射的高频信号，经去噪滤波后，射频接收芯片解 调出该信号，送至接收机MCU,接收机MCU再遵循特定的通讯协议， 将接收到的信号进行解码，读取各个轮胎的方位和对应的压力、温度 值,然后进行分析、存储和显示，并对故障轮胎发出实时报

7、警。2 TPMS系统硬件设计与实现2. 1胎压监测节点胎压监测节点采用轮胎气嘴上安装的外置式安装方式，所以要求 胎压监测节点小型化，传感器采集精确、响应快，功耗低，无线通信效果 好，性能可靠。为此，胎压监测节点的主控芯片采用Infin eon公司生产 的SP305,它是一款嵌入式RISC处理器，采用8位哈佛结构，二级流水 线指令，快速的执行时间大大降低功耗，适用于电池供电的设计。SP30 内置传感器硬模、看门狗定时器、多通道15 bitADC和两个片上振荡器,支持空闲掉电等多操作模式，支持低频唤醒(Low FrequencyWakeup)和内部时钟唤醒(In-tervalTimerWakeup

8、)中断机制等等，因为微控制器外设功能全面，所以硬件设计电路非常简单，从而提高了胎压监测节点的稳定性。胎压监测节点硬件设计框图电路如图 3所示。働传穆器| - P1(JRrFfrttiW 1 ;11 ;RISCIM件存储a?GP1O 啲 |"和丼陪1 片上掠苗讷|LROMII1冷歆TXF>J KMTH) DXTA PAOUTM1CKFL12图3胎压监测节点硬件设计框图压力传感器芯片内部将两个低成本 的硬模直接封装在一起，通过芯片内的增压管直接测压力和温度，芯片 内部嵌入低噪声放大器和 ADC,采集精度高。MCU使用固件(Fireware) 直接控制AD转换和读取胎内气压值与温度。

9、MCU使用软件中断方 式调用固件，以执行ROM中的LIB函数，LIB函数中大量的特殊循环 控制和循环移位指令优化了代码，SYS(软件中断)的机制隐藏ROM的 字节传送，使得固件在应用程序中不可见，大大简化了固件读取模拟量 的软件编写工作。获取轮胎压力值和温度后，胎压监测节点通过射频发射芯片向接 收机发送报文，本设计中射频发射芯片选用Micrel公司生产的MICRF1126,其操作电压范围为1. 83. 6 V,适用于电池供电；发射频 率范围为380MHZ-450MHz,输出功率最大可达+10 dBm,可选择调制ASK或FSK的编码数据，数据（ASK, 433. 92 MHz,曼彻斯特编码数据）

10、 传输率高达50 kbit/s。该芯片功能强大，射频信号传输可靠、抗干扰能 力强。为保证胎压监测节点的可靠运行，SP30使用芯片内部的看门狗 定时器，它能阻止系统故障和掉电时的电池放电。在胎压监测节点发 生故障时，看门狗定时器溢出，SP30强制进入掉电模式。进入掉电模式 后，内部时钟开始计数，直至计数溢出，同时产生一个RESET中断复位 微处理器（也可通过低频唤醒直接产生一个RESET中断复位微处理器）。胎压监测节点预留有一个 Monitor接口，既可用于芯片编程，又可 在线监控胎内气压、温度、电量等模拟量的采集和校验精度，调试方便灵活。2. 2 TPMS接收机TPMS接收机安装在汽车的驾驶室

11、内，而胎压监测节点安装在轮 胎上,行驶过程中节点在不停的旋转运动，还受到气候影响变化，所以两者之间的通信环境非常恶劣，这就要求TPMS接收机必须能够高灵 敏度地响应节点发送的射频信号。本设计选用Micrel公司生产的MICRF2117作为射频接收芯片和 Mirco-chip公司的生产 PIC16F8868作为接收机处理器。接收机硬件电路图如图4所示。MKRF11II 际FT K 3JPT,M i 16IIf API *.图4接收机硬件设计框图MICRF211仅需要很少量的外围器件就能构成一个完整的射频接 ASK或00K的编码数据,MICRF211芯片抗 干扰能力强，接收效果非常出众线，接收灵敏

12、度可达 -110 dBm。PIC16F886是一款的高性能RISC微控制器，处理速度快，200ns执行一 条指令，芯片内置高耐用性闪存单元、增强型USART模块、看门狗定 时器和主同步串行口(Master Synchronous Serial Por,t MSSP)模块，功 能强大，抗干扰晶显示器实时显示节点方位、压力值、温度和电量状 态,使用菜单式界警胎压、巡检频率、功能模式、操作优先级等)，这些参数通过PIC16F886的MSSP模块保存在 EEPROM芯片24 LC169 里。为保证接收机可靠运行，PIC16F886使用芯片内部的看门狗定时器 在处理器发生故障，看门狗定时器溢出，同时产生

13、一个信号复位微处理 器。芯片还留有ICSP调试口，可以编程和在线监测处理器的运行，调试 简单方便。由于接收机和胎压监测节点之间采取433.92MHz载频进行信号传输，因此在PCB设计时应遵循高频电路设计规则10-11,对发 射和接收天线也应仔细匹配与调整12。接收机和与气门嘴相连的胎压监测节点实物图如图5和图6所示图5接收机和传感发射器实物图图6胎压监测节点实物图3 TPMS系统软件设计及通信协议数字式TPMS系统软件分为胎压监测节点软件和接收机软件，其中每 个胎压监测节点的软件控制策略和通信协议是保障 TPMS系统正常 工作的关键13。3. 1胎压监测节点软件设计及通信协议胎压监测节点软件流

14、程如图7所示:首先初始化微控制器SP30的 寄存器的参数，看门狗定时器打开，MCU直接进入运行模式，先测量轮 胎压力和胎内温度，遵循特定的通讯协议进行校验码计算和数据帧编 码,然后无线发送N次相同的数据帧；发送完成后，延时等待看门狗定 时器溢出,CPU进入掉电状态；2 min后,SP30内部时钟定时唤醒,CPU 从掉电模式进入运行模式，如此循环反复执行。图 7 胎压监测模块软件流程图胎压监测节点与接收机通信协议是通过无线数据帧来实现的。 胎压监 测节点向接收机发送数据帧采用固定的数据帧长度进行,具体数据帧格式如表 1 所示。表 1 TPMS 系统无线通信数据帧格式数据帧 7 6 5 4 3 2

15、 1 0字节 1 Un used 电量值 ID12 ID11 ID10 ID9 ID8字节 2 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0字节 3 压力值字节 4 温度值字节 5 校验码3.2 TPMS 接收机软件设计接收机的软件流程如图 8 所示 ,TPMS 接收机上电复位后 ,初始化PIC16F886的内部寄存器，等待接收数据帧；接收到数据帧后，先判断数 据帧是否有效 ,如果校验不对 ,则将数据丢弃 ;如果数据帧是有效的 ,再 判断接收机是否处于自学习状态 ,如果处于自学习状态 ,则调用自学习 模块,将 ID 信息保存至接收机内 ,如果处于普通工作状态 ,则实时显示 压

16、力值和温度 ,如发生故障就报警。为解决轮胎位置识别问题和保证I丄电业心i-4竽特搖收效辦锁h-r*長1圖人自供号awJ I t1学习站丸H安装方便，胎压图8接收机软件流程图 监测节点外壳贴有LF(LeftFront)左前轮、RR(RightRear)右后轮等标签， 而且接收机处在自学习状态时，必须将液晶显示的轮胎位置和标签对 应,自学习完成后勿需再做修改。实践证明，采用接收机自学习方式组 态灵活，完全能解决TPMS系统轮胎位置识别问题。4胎压监测节点机械结构设计胎压监测节点安装在轮胎外面的气嘴上，称为/外置式0安装方式，因此 节点的体积小、重量轻、防漏气和安全防盗是机械结构设计的关键问 题。胎

17、压监测节点的机械结构如图9所示。图9胎压监测节点的机械结构图具体的胎压监测节点安装过程为：把胎压监测节点的A部位旋入到轮 胎的气门嘴上，空心柱顶开气嘴的心轴，气体溢出，通过空心柱中心孔 传到密封垫上部的气室中，再由气室中的压力传感器芯片检测胎压；胎 压监测节点的外壳和底盖密闭，保证传感器芯片、线路板、电池和天 线的防尘防水和节点模块的防盗功能。设计中采用可更换电池的方法 和外置式的安装第9期杨旸闵云龙等:基于MEMS压力传感器的外 置式数字胎压监测系统技术，即使电池电量耗尽或者更换轮胎，节点模 块也能反复使用，与同类TPMS产品相比，极大提高了产品的使用寿命， 也大大降低了成本。5系统测试结果

18、5.1操作台模拟测试在数字TPMS系统的软硬件设计完成以后，在操作台上进行发射和接 收系统的模拟测试，从示波器上读取发射和解调数据帧，如图10所示, 其中图10 (a)、10(b)是经过调制的发射数据帧，10(c)是接收到的相应 解调数据。5.2 TPMS车载测试TPMS车载测试为高速路面，汽车行驶速度为60120 km/h，环境温度 为2528e胎压监测节点每次发送两帧数据，每次时间间隔为2 min,在6 h内，气压和温度数据 接收数在 330 帧以上,信号接收可靠度超过 91%,已完全达到了设计的 预定要求。5.3 可靠性测试数字 TPMS 系统安装在台架上 ,并接入 TPMS 专用数据测试系统进行 可靠性测试。环境温度为 2230e,4 个轮胎的充气气压值分别为左前 胎32.4 ps,i右前胎34. 1 ps,i左后轮34. 7 ps,i右后轮33. 6 ps。胎压监 测节点发射无线数据的时间间隔为5 min,轮胎正常状况下无线传感器每次发送一帧数据，台架旋转速度为60180 km/h,在4 h内,气压和