TPMS在重型汽車上的應用

摘要：介紹TPMS系統在汽車上的重要作用，闡述胎壓監視系統（TPMS）的原理、分類及系統框圖。詳細地介紹了胎壓監測系統在重型汽車上的應用，該系統的應用為重型車輛的安全行駛提供了可靠保證。

關鍵詞：TPMS；重型汽車；應用

中圖分類號：TN99 文獻標志碼：A文章編號：1005-2550（2011）02-0029-05

Application of TPMS in the Heavy Truck

LU Bo1， WANGDong2

（1.SAIC Motor Technical Center（Nanjing），Nanjing210037，China；2.CC Truck Co.，Ltd，Wuhu241003，China）

Abstract：The author introduced the importance of TPMS in the Vehicle，and described the principium of TPMS，classification and system frame，introduced the application of TPMS in the heavy truck，it’s provided the reliable and safety drive.

Key words： TPMS；heavy truck；application

TPMS（Tire Pressure Monitoring System），即胎壓監測系統，主要用于汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全。在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發性交通事故發生的重要原因。據國家橡膠輪胎質量監督中心的專家分析，保持標準的輪胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。而TPMS毫無疑問將是理想的工具。

TPMS在重型汽車上的應用，在國內的汽車電子領域起步較緩，事實上重型汽車由于載重量較大，發生爆胎的機率更高。據統計，在高速公路上，因重型車爆胎引起的交通事故達到75%左右，隨著人們對汽車安全的認識環境的逐漸成熟，客戶對舒適度和安全性的認可度也不斷提高，TPMS在重型車上的應用也越來越多。

1 TPMS原理及分類

目前TPMS分為2類：一種是 Wheel-Speed Based TPMS（簡稱：WSB TPMS，或稱為間接式 TPMS ），另一種是 Pressure-Sensor Based TPMS（簡稱：PSB TPMS，或稱為直接式 TPMS）。兩種TPMS的原理及優缺點見表1。直接式TPMS的優點明顯優于間接式TPMS，目前汽車上應用較多的大都是直接式TPMS。

直接式 TPMS（縮寫PSB TPMS），是一種采用無線傳輸技術，利用固定于汽車輪胎內的微型無線傳感裝置，采集汽車輪胎壓力和溫度數據，并將數據傳送到駕駛室內的主機中，以數字化的形式實時顯示汽車輪胎壓力和溫度的相關數據，在輪胎出現危險征兆時，汽車行駛時實時對輪胎氣壓和溫度進行自動監測，對輪胎漏氣、低氣壓和高溫進行報警，從而達到預防爆胎、降低油耗（胎壓對油耗有直接的影響）的目的，以保障行車安全和經濟行車。

TPMS系統主要由傳感器、發射模塊和接收模塊組成。傳感器用來檢測輪胎的壓力與溫度，傳感器與發射模塊連接在一起，固定在氣門芯、輪胎輪轂或放置在輪胎胎面里，它將測量到的壓力與溫度信號轉換為電信號，通過無線發射裝置將信號發射出來。傳感器發射出來的氣壓信息由接收機接收處理后，再由安裝在駕駛臺上的顯示器顯示出來，在行駛過程中實時地進行監視。報警提醒顯示方式有LED顯示，LCD或語音提示等方式。主機廠通常會在儀表內顯示該信息，外裝市場通常是單獨的顯示裝置。

2 TPMS系統在重型汽車上的應用

本文就某重型車的TPMS開發，介紹直接式TPMS在重型車上的應用。該重型車采用的是CAN總線傳輸系統。利用可靠性高的CAN總線傳輸與直接式胎壓監測系統的無線傳輸相結合的方式。

2.1 系統框圖簡介

通過安裝在車輪內的發射器直接檢測每個輪胎的氣壓和溫度，并將數據通過無線將信號傳輸給車內接收模塊，接收模塊的中央處理器對接收到的數據進行分析，將分析結果發送至CAN總線，車輛主儀表接收信息后顯示結果。結構如圖1所示。

TPMS系統由以下部分組成：發射模塊、接收模塊（含接收天線）。圖2為發射模塊，圖3是接收模塊。

2.2 發射模塊

發射模塊用來對輪胎內氣壓進行實時監測，并將數據通過無線的方式發送給接收模塊。

發射模塊由電池、傳感器、MCU、RF發射電路、LF接收電路組成。

發射模塊通過一定方式固定安裝在輪轂內，整個模塊由電池供電。發射模塊中的傳感器感測輪胎壓力溫度數據，MCU讀取傳感器的數據并進行處理，之后加上該模塊的識別ID編碼（即用于區分別的模塊的身份編碼），調制后通過無線信號發射出去。

由于輪胎內環境嚴酷，發射模塊必須有很強的耐高低溫、抗振動、防腐蝕、密封性好等特性要求。

發射模塊外殼通過一個固定支架及綁帶和輪輞緊密連接如圖4所示，其特點是：

a） 固定支架和發射模塊之間有一定的空隙，發射機不直接與輪輞接觸，起到了隔熱的效果，同時空隙有利于散熱。

b） 固定支架通過3M膠粘在輪輞上，使發射模塊不發生相對滑動。

c） 綁帶穿過固定支架，綁帶采用旋鈕式鎖緊結構，可以適應14至24英寸的輪輞結構。

2.3 接收模塊

接收模塊對發射模塊傳送的數據進行處理，并將處理結果發送至CAN總線上，由儀表進行顯示。接收模塊由接收天線、接收射頻電路、數據處理器MCU、數據存儲EEPROM、ID身份信息通訊接口、CAN總線通訊接口組成，可以實現對10個輪胎的監測。

接收模塊外接12 V或者24 V車載電源，接收天線負責接收無線信號，RF接收電路將高頻信號解碼后送給中央處理器。

身份識別接口讀取對碼工具（或設備）中存儲的該車輪胎的身份及位置信息，并保存至EEPROM中。當接收模塊收到信息時，系統首先提取其中的ID身份信息，和EEPROM中保存的本車輪胎身份信息進行比較。如果是本車輪胎信息，則進行處理；不是，則丟棄。

MCU將接收到的信息，根據J1939協議的要求進行處理，并予以保存。如果TPMS系統異常，則立即發送數據給CAN總線；如果正常，則按照一定時間間隔發送數據給CAN總線。

通過CAN總線連接給車載控制系統，將輪胎的數據發送到總線上，由汽車端的CAN總線進行處理和顯示。總線協議遵循SAE J1939協議進行。SAE J1939協議中規定了輪胎部件的相關格式。SAE J1939中規定了輪胎信息的數據格式。29位擴展幀格式如表2所示，數據場如表3所示。

如果需要額外地改變一些傳輸信息，CAN總線的傳輸協議需要和車廠及儀表廠商商議確定。

2.4 接收天線

由于重型車輛上的電磁環境比較復雜（重型車輛的鋼結構很多，對電磁信號產生一定影響），而且重型車輛的輪胎壁中含有大量的鋼絲，對發射機發出的信號產生屏蔽，因此建議在重型車輛車底布天線，且天線盡可能靠近輪胎，保證接收效果。

2.5 輪胎定位及對碼

2.5.1 定位處理起源

直接式TPMS要在儀表上正確地顯示對應輪胎氣壓、溫度等參數，則必須將各軸上的輪胎相關發射模塊參數正確地寫入接收模塊中。通常在乘用車輛上，采用固定安裝發射模塊的方式來處理，即發射器必須安裝在固定的輪胎上。而重型車輛輪胎數量較轎車多，如常見的6×4車型為例，則有10個輪胎，且輪胎在生產線及售后均為混裝模式，無法實現轎車的操作模式進行傳感器及輪胎的對應安裝。考慮生產節拍的影響，采用了發射模塊不做區分，僅在安裝完成后，采用定位的技術來實現輪胎定位的方式。

2.5.2 LF低頻喚醒技術

為了便于對發射機進行管理以及輪胎的定位，在發射機中增加了LF接收電路。LF低頻喚醒技術應用于TPMS系統，其實質是利用低頻的近場效應可以在有效的近區范圍單獨喚醒每個發射模塊，這樣可以實現低頻喚醒、輪胎定位和管理、給發射機發送命令等功能。

如圖5所示，LF低頻驅動發射電路，經過曼徹斯特編碼的串行數據通過LF驅動電路調制到低頻的載波，最后功率放大后由低頻天線發射出去。

該發射機上的低頻天線收到調制信號后，LF喚醒電路解調出數據，并喚醒發射機的MCU進行輪胎壓力溫度的測量。至此，主動喚醒發射機的過程完成。

被喚醒的發射機完成壓力溫度的測量后，再將數據調制到RF頻率發射出去。接收機收到RF數據后解調并處理數據。

2.5.3 輪胎的定位

根據LF低頻喚醒技術，我們可以設計一套工具，實現對發射機及輪胎的管理。

生產線上，將發射機安裝在輪胎內，輪胎安裝到車軸之后，啟動輪胎定位喚醒系統設備。該設備一次觸發安裝在每個輪胎附近的LF低頻天線，一次喚醒輪胎，收到輪胎的數據后，可將該輪胎中的發射機的身份信息和該輪胎的位置信息形成一一對應的關系保存下來，然后該設備將整輛車的輪胎身份位置等信息下載給安裝在車上的接收系統，接收系統便可以對該車輪胎進行實時監控了。

出廠后，當需要更新輪胎或者更換輪胎位置時，系統中輪胎身份信息和位置信息發生了變化，需要重新確認。可以通過手持式閱讀器喚醒相應的輪胎內的發射機，發射機立即將相關數據發送給手持式閱讀器，手持式閱讀器處理數據后保存。手持式閱讀器留有相應的接口，如果需要，可以將數據通過一定的方式傳輸給電腦或者其他存儲器（如RS232、K總線等），以便于管理。手持式對碼手柄（輪胎閱讀器）的使用如圖6所示。

2.6 擴展性

卡車系統和轎車系統相比有一個明顯的特點，那就是卡車系統存在著大量的車頭和拖車相互更換的現象。對于TPMS而言，也就是說同一套系統的發射機存在著頻繁更換的現象，如何解決好這個問題，成為了卡車TPMS系統的關鍵。

對于此，我們觀察后不難發現有兩點可以確定：一是車頭和拖車雖然經常性更換，但單就車頭而言和單就拖車而言，兩者實際上是相互獨立的系統；二是車頭和拖車之間有電氣連接。利用這兩點，我們針對車頭和拖車設計相對獨立的TPMS系統，他們之間可以通過電氣連接線進行數據交流。這樣的話拖車TPMS負責監控拖車的輪胎，車頭TPMS負責監控車頭的輪胎，而顯示則可以全部在車頭。當更換拖車后，拖車便將拖車輪胎的數據發送給車頭，這樣就實現了對整車輪胎的監控。

3 TPMS系統的功能描述

3.1 高低壓報警

根據J1939協議，氣壓范圍共有5個級別，分別為超高壓（000）、高壓（001）、正常氣壓（010）、低壓（011）、超低壓（100）。系統根據氣壓的范圍，將該輪胎的氣壓狀況提供給CAN總線。

5個級別的氣壓范圍值需要和整車廠商根據輪胎的型號及車輛的載重狀況進行商議確定。

3.2 高溫報警

車在行駛中溫度高于80 ℃時，發射機每4 s發射一次數據。根據J1939協議，沒有問題異常的提示，因此，系統只發送溫度信息，但不發送溫度報警信息。

3.3 正常檢測

當車輛在行駛狀態下，發射機4 s檢測一次數據，如果輪胎的氣壓/溫度正常，則發射機大約30 s發射一次數據，如果異常，則每4 s發射一次數據，直至氣壓恢復正常。

當車輛在駐車情況下，發射機30 s檢測一次數據，如果氣壓低于0.66 bar，則將一直不發送數據；如果氣壓高于0.66 bar，每1 min發射一次數據。

3.4 快漏檢測

車在行駛中且壓力在正常范圍內， 16 s內漏氣≥0.33 bar， 發射機立即發送數據，直到氣壓恢復至設定的正常范圍。

3.5 報警信息處理

當TPMS系統處于異常時，不管CAN總線是否喚醒TPMS系統，均會發送異常信號至CAN總線。

3.6 氣壓變動檢測

輪胎壓力4 s內變化大于0.165 bar且小于0.33 bar，發射機立即發射數據但不產生報警信號。

3.7 收不到信號檢測

運行工況（收到過慣性開關短接后發送的數據）下，在20 min內未收到某輪胎數據時，通過特定圖表方式報警，直到收到該輪胎數據后自動返回正常模式。

4 結束語

目前該TPMS系統已在某重型車上應用，并進行了驗證。結果證實裝配了TPMS系統的車型，可以有效地告知駕駛員輪胎行駛中的狀態，大大提高了駕駛員的行駛安全，為安全行駛提供了可靠保證。但因該系統成本很高，此系統在重型車上應用還不是很多。目前也是部分廠家在進行淺嘗輒止，考慮到成本問題，該系統目前普遍應用的可能性較小。但是該系統會越來越受到廠家的重視，在今后重型卡車向高端發展的時候，越來越多的重型汽車即將應用TPMS系統。

參考文獻：

［1］ 德國BOSCH公司編. BOSCH汽車工程手冊［M］.顧柏良，唐振聲，譯.北京：北京理工大學出版社，2004.

［2］ SAE J1939，汽車工程協會定義SAEJ1939協議［S］.