場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)在TPMS自動(dòng)定位中的應(yīng)用

韓文斌，韓云霄，傅國(guó)峰，徐長(zhǎng)武

（上海群英汽車電子有限公司，上海 201619）

1 TPMS系統(tǒng)原理和國(guó)內(nèi)外定位技術(shù)介紹

1.1 TPMS系統(tǒng)原理

針對(duì)轎車的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （Tire Pressure Monitor System，簡(jiǎn)稱TPMS）主要由4個(gè)發(fā)射模塊和1個(gè)TPMS接收機(jī)組成。如圖1所示，F(xiàn)L、FR、RL、RR四個(gè)發(fā)射模塊安裝在4個(gè)輪胎內(nèi)，可以監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)的氣壓和溫度等信息，并將發(fā)射模塊的ID、氣壓、溫度等信息通過射頻信號(hào)發(fā)送出來(lái)；TPMS接收機(jī)安裝在車上合適的位置，用于接收4個(gè)發(fā)射模塊的射頻信息，信息經(jīng)過處理后得到對(duì)應(yīng)輪胎的壓力和溫度信息，最后將4個(gè)輪胎的壓力和溫度信息通過CAN總線 （根據(jù)車輛總線設(shè)計(jì)可以選擇其它通信方式）顯示在汽車儀表上。當(dāng)任意一個(gè)輪胎的壓力異常時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警。

1.2 國(guó)內(nèi)外的定位技術(shù)介紹

在TPMS應(yīng)用中，由于信號(hào)的無(wú)線傳輸是多點(diǎn)發(fā)射一點(diǎn)接收，接收機(jī)如何區(qū)分不同發(fā)射模塊的信號(hào)并準(zhǔn)確定位將是首要解決的問題。首先，每個(gè)發(fā)射模塊都編有一個(gè)獨(dú)特的ID，便于接收機(jī)區(qū)分。該ID一般由4個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)構(gòu)成，這樣將有40多億的不同發(fā)射模塊，大大減少了發(fā)射模塊重復(fù)的概率。其次，當(dāng)TPMS各個(gè)模塊在車輛上安裝完畢，必須將車輛上4個(gè)發(fā)射模塊對(duì)應(yīng)ID學(xué)習(xí)進(jìn)入車上的TPMS接收機(jī)后，接收機(jī)才能接收和顯示正確位置的輪胎氣壓和溫度信息。

在現(xiàn)代化的汽車制造和使用中，如何實(shí)現(xiàn)發(fā)射模塊的ID學(xué)習(xí)和定位功能，一直是影響TPMS批量生產(chǎn)和售后維護(hù)的關(guān)鍵步驟。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用手動(dòng)定位和自動(dòng)定位2種方式。

1.2.1 手動(dòng)定位

圖2為國(guó)外比較常見的一種通過低頻診斷工具手動(dòng)實(shí)現(xiàn)ID學(xué)習(xí)的系統(tǒng)。該低頻診斷工具為TPMS專用工具，它具有LF低頻觸發(fā)功能，發(fā)射125kHz的低頻信號(hào)，可以近距離喚醒輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊。通過該低頻診斷工具依次喚醒各個(gè)輪胎的發(fā)射模塊后，各個(gè)ID將會(huì)被保存在低頻診斷工具中，最后由該工具通過有線傳輸?shù)姆绞浇尤胲囕v的OBD端口，將ID學(xué)習(xí)進(jìn)入TPMS接收機(jī)內(nèi)，這樣接收機(jī)就可以正確接收對(duì)應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊信號(hào)了。

與此類似的手動(dòng)學(xué)習(xí)ID和定位的方式，還有低頻工具觸發(fā)或者放氣觸發(fā)的無(wú)線學(xué)習(xí)方法，即根據(jù)車輛使用說(shuō)明書，將TPMS系統(tǒng)設(shè)置為學(xué)習(xí)狀態(tài)，此時(shí)按照順序依次對(duì)FL、FR、RR、RL進(jìn)行低頻診斷工具的觸發(fā)或者對(duì)輪胎放氣觸發(fā)，每個(gè)被觸發(fā)的輪胎內(nèi)發(fā)射模塊會(huì)即時(shí)發(fā)送高頻信號(hào)出來(lái)，此時(shí)處于學(xué)習(xí)狀態(tài)的TPMS接收機(jī)接收到學(xué)習(xí)狀態(tài)的發(fā)射模塊信號(hào)后，會(huì)將該發(fā)射模塊的ID信息直接保存下來(lái)，從而避免了通過OBD端口有線學(xué)習(xí)的過程。

雖然手動(dòng)學(xué)習(xí)和定位的方式比較復(fù)雜，且易于出錯(cuò)，但由于TPMS系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低而普遍采用。使用該定位方式的車型有：別克 (Buick)的Lesabre、Luceme等；卡迪拉克 (Cadillac)的Escalade-ESV等；雪佛萊 (Chevrolet)的Trailblazer、Suburban、Corvette等。

1.2.2 自動(dòng)定位

目前較常見的自動(dòng)定位方式是采用4個(gè)低頻天線的方法，如圖3所示。將FL、FR、RL、RR四個(gè)低頻天線安裝在靠近輪胎的位置，由TPMS接收機(jī)啟動(dòng)低頻驅(qū)動(dòng)電路，并依次由各個(gè)低頻天線發(fā)送低頻喚醒信息給對(duì)應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊，發(fā)射模塊再將自己的ID和壓力等信息通過射頻發(fā)送給接收機(jī)作為響應(yīng)信號(hào)，由此構(gòu)成低頻觸發(fā)和射頻反饋的雙向系統(tǒng)，TPMS接收機(jī)就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪流查詢和定位功能。

這種學(xué)習(xí)ID和定位的功能，都是TPMS系統(tǒng)自動(dòng)完成的。當(dāng)需要進(jìn)行輪胎內(nèi)發(fā)射模塊更換、輪胎換位時(shí)，客戶不再需要額外的操作和學(xué)習(xí)定位過程，方便、簡(jiǎn)單，也無(wú)需專業(yè)人員和設(shè)備。但由于系統(tǒng)中有4個(gè)低頻天線需要安裝，低頻天線和TPMS接收機(jī)之間還需要布線和通信，系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本比較高，一般在某些高端車輛的設(shè)計(jì)中才會(huì)采用。例如寶馬 （7系、5系、X5等）、 奧迪 （A8、A6等）、奔馳 （E class、S class等）等。

2 具有場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)的TPMS接收機(jī)設(shè)計(jì)

本文所要介紹的場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)，是指在TPMS系統(tǒng)中，安裝在4個(gè)輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊相對(duì)于TPMS接收機(jī)而言，處于不同的位置，由于高頻信號(hào)傳輸路徑和距離不同，每個(gè)發(fā)射模塊發(fā)出的高頻信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)就有強(qiáng)弱之別，因此，如果TPMS接收機(jī)能夠?qū)γ總€(gè)發(fā)射模塊的高頻信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，那么就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位的功能了。

具有場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量功能的接收機(jī)框圖如圖4所示。當(dāng)射頻信號(hào)經(jīng)過低噪放大、混頻、中頻濾波后，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)字信號(hào)送給處理器MCU，最后處理器MCU一方面得到射頻信號(hào)解調(diào)后的數(shù)字信息，另一方面得到該信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量功能?；趫?chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行TPMS自動(dòng)學(xué)習(xí)或者自動(dòng)定位的車型有Chrysler(300C)、 Dodge(RAM Truck)、 Jeep(Grand Cherokee)等。

2.1 基于MC33596接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)

MC33596是高集成度、多功能、高接收靈敏度的射頻接收芯片，可編程的鎖相環(huán) （Phase Locked Loop，PLL）用于多頻率的信號(hào)接收；信號(hào)強(qiáng)度指示電路 （Received Signal Strength Indicator， RSSI）用于射頻信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量；數(shù)據(jù)管理模塊 （Data Manager，DM）用于對(duì)解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、編碼、發(fā)送等處理。

圖5為MC33596與MCU的接口電路。其中SEB、SCLK、MOSI、MISO是串行設(shè)備接口 （Serial，Peripheral Interface，SPI），通過此接口，MCU可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MC33596的配置、寄存器數(shù)據(jù)的讀取等功能；CONFB是從機(jī)選擇線，當(dāng)MCU將CONFB端口設(shè)置為低電平時(shí)，MCU為主機(jī)，MC33596為從機(jī)，此時(shí)MCU就可以對(duì)MC33596內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置或讀寫；RSSIC用于對(duì)射頻信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試采樣模式的控制，當(dāng)RSSIC電平處于下降沿時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試為單點(diǎn)測(cè)試 （Sample Mode），RSSI寄存器將保持該采樣點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)；當(dāng)RSSIC保持高電平時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試為連續(xù)測(cè)試 （Continuous Mode），RSSI寄存器的值將隨著間隔式的連續(xù)采樣而不斷被更新。

該芯片對(duì)射頻信號(hào)測(cè)量方式的特殊之處是根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱分段測(cè)量，當(dāng)射頻信號(hào)強(qiáng)度小于-50 dBm,RSSI采樣來(lái)自中頻濾波處，并將場(chǎng)強(qiáng)保存在RSSI場(chǎng)強(qiáng)寄存器的低半字節(jié)；當(dāng)射頻信號(hào)強(qiáng)度在-50~-20 dBm時(shí)，RSSI采樣直接從低噪放大的輸出得到，并將場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)保存在RSSI場(chǎng)強(qiáng)寄存器的高半字節(jié)。由此看出，該RSSI得出的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)并不是線性的，而是對(duì)數(shù)放大后的強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的相對(duì)值，這樣更容易實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)的定位功能。

2.2 實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的接收機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖6為接收機(jī)軟件流程。該接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要有MC33596的配置流程、MCU接收數(shù)據(jù)的SPI中斷流程。

當(dāng)CONFB控制端為低電平時(shí)，MC33596處于內(nèi)部寄存器配置模式，此時(shí)MCU為主機(jī)，MC33596為從機(jī)，通過SPI數(shù)據(jù)端口實(shí)現(xiàn)對(duì)MC33596內(nèi)部寄存器的配置，包括對(duì)射頻信號(hào)頻率選擇、信號(hào)調(diào)制方式設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置、信號(hào)前導(dǎo)碼設(shè)置、場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試模塊使能等。對(duì)MC33596配置完成后，設(shè)置其進(jìn)入接收模式，此時(shí)MC33596將進(jìn)入SPI的主機(jī)模式，MCU進(jìn)入從機(jī)模式，等待SPI中斷接收數(shù)據(jù)。

SPI中斷發(fā)生后，MCU進(jìn)入中斷程序接收SPI數(shù)據(jù)，等待整個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完畢并通過校驗(yàn)后，MCU再設(shè)置MC33596進(jìn)入配置模式，從RSSI寄存器讀取當(dāng)前信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)，最后再配置MC33596進(jìn)入接收模式，MCU結(jié)束中斷進(jìn)入休眠。

3 通過場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)TPMS自動(dòng)定位的方案設(shè)計(jì)

綜合車輛復(fù)雜的環(huán)境分析，通過場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)TPMS的自動(dòng)定位功能必須考慮以下難點(diǎn)。

1）發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，射頻信號(hào)的傳輸并非空間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，而是首先經(jīng)過了輪胎的衰減，再經(jīng)過車輛底盤和路面等環(huán)境的反射和干擾，最后空間衰減才使射頻信號(hào)到達(dá)接收天線。那么4個(gè)輪胎內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過大幅衰減后，微弱的射頻信號(hào)是否能夠讓接收機(jī)可靠地識(shí)別不同距離的信號(hào)。

2）發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)，該發(fā)射模塊的發(fā)射天線隨著輪胎的旋轉(zhuǎn)而不斷變化，這樣相對(duì)于接收機(jī)而言，每次測(cè)量的射頻信號(hào)強(qiáng)度是不穩(wěn)定的，且不斷變化。

3）即使針對(duì)同一輪胎內(nèi)同一個(gè)發(fā)射模塊，其射頻信號(hào)是隨著外界環(huán)境 （如溫度、濕度、天氣、周圍建筑物等）的變化而變化。如何使接收機(jī)能夠識(shí)別這些變化而準(zhǔn)確定位也是一個(gè)難題。

綜上分析，TPMS接收機(jī)必須在車輛運(yùn)行中連續(xù)采樣各個(gè)輪胎內(nèi)發(fā)射模塊的射頻信號(hào)強(qiáng)度，并分析其變化規(guī)律，才能實(shí)現(xiàn)通過場(chǎng)強(qiáng)定位的功能。

3.1 通過分布式高頻接接收天線實(shí)現(xiàn)TPMS自動(dòng)定位

該分布式高頻接收天線是指在車輛的4個(gè)輪胎附近分別安裝一個(gè)高頻接收天線，如圖7所示。每一個(gè)高頻接收天線可以惟一接收其最近輪胎內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)射出的高場(chǎng)強(qiáng)的射頻信息，其它3個(gè)輪胎的相對(duì)位置比較遠(yuǎn)，所以場(chǎng)強(qiáng)信息就比較弱，這樣每個(gè)高頻接收天線就可以定位對(duì)應(yīng)的輪胎內(nèi)發(fā)射模塊，最后所有高頻接收天線將定位信息通過總線發(fā)送給中央主控模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)定位功能。

圖8為右后 （RR）位置輪胎附近的RR高頻接收天線在車輛運(yùn)行中連續(xù)采樣4個(gè)發(fā)射模塊射頻信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)。從場(chǎng)強(qiáng)采樣 （該場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)是強(qiáng)弱信號(hào)的相對(duì)值）折線圖可以得到以下結(jié)論。

1）最靠近RR高頻接收天線的輪胎內(nèi)發(fā)射模塊（RR發(fā)射模塊）的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。但信號(hào)隨著車輛的運(yùn)動(dòng)及環(huán)境變化影響，場(chǎng)強(qiáng)幅度變化很大。

2）處于同軸位置上RL輪胎內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)RR高頻接收天線后，信號(hào)強(qiáng)度峰值相對(duì)變?nèi)酰倚盘?hào)變化幅度同樣很大。

3）遠(yuǎn)離RR接收天線的前軸兩個(gè)輪胎內(nèi)發(fā)射模塊 （FL和FR發(fā)射模塊）的信號(hào)強(qiáng)度最弱，但信號(hào)趨于穩(wěn)定。

4）需要通過軟件算法對(duì)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、數(shù)據(jù)優(yōu)化處理等方式，從而可靠地進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別和輪胎定位。

綜上所述，通過場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量、天線設(shè)計(jì)、軟件處理等過程，該方案可以可靠實(shí)現(xiàn)TPMS的輪胎定位功能。當(dāng)然在產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)中，對(duì)發(fā)射模塊功率的一致性設(shè)計(jì)將非常重要。但該方案中除了4個(gè)發(fā)射模塊和1個(gè)主控機(jī)以外，還需要在車上輪胎附近布置4個(gè)高頻接收天線，其成本也比較高。

值得注意的是，從試驗(yàn)中分析，只要天線的方向性和靈敏度設(shè)計(jì)合適，單個(gè)天線既可以場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別前軸和后軸輪胎，也可以區(qū)分同軸的左右輪胎，因此可以采用將兩個(gè)高頻接收天線對(duì)角安裝，即安裝FL、RR或者FR、RL兩個(gè)天線，也可以實(shí)現(xiàn)定位功能，這樣減少2個(gè)高頻天線的安裝，使成本降低。

3.2 場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別和加速度相結(jié)合實(shí)現(xiàn)TPMS自動(dòng)定位

將場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別和加速度技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)TPMS自動(dòng)定位功能是另外一種經(jīng)濟(jì)有效的方式，如圖9所示，該系統(tǒng)由4個(gè)發(fā)射模塊和1個(gè)接收機(jī)組成。當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，安裝在車輛兩側(cè)的發(fā)射模塊在X軸方向的加速度相反。

1）接收機(jī)安裝在車輛的后軸中央，由于前后軸輪胎與接收機(jī)的距離不同，通過場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，F(xiàn)L和FR兩個(gè)輪胎內(nèi)發(fā)射信號(hào)弱，而RL和RR兩個(gè)輪胎內(nèi)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)，所以接收機(jī)通過場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別可以區(qū)分前后軸的輪胎信號(hào)位置。

2）對(duì)左右兩側(cè)的發(fā)射模塊而言，由于發(fā)射模塊在輪胎內(nèi)的安裝位置相反，當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，發(fā)射模塊所受輪胎切線方向的加速度正好相反，因此具有加速度測(cè)量的發(fā)射模塊通過加速度分析和運(yùn)算，就可以定位發(fā)射模塊的左右信息了。

圖10為輪胎內(nèi)發(fā)射模塊的加速度在輪胎旋轉(zhuǎn)一周的分析，主要考慮以下加速度變化：ax為切線方向受力；az為向心力加速度；ag為重力加速度。通過輪胎內(nèi)A、B、C、D各個(gè)位置處加速度的分析，由于受重力加速度的影響，向心力加速度az和切線加速度ax有以下變化：①對(duì)切線加速度ax而言，在B、D位置切線加速度ax不受重力影響，在A處為最小 （ax-ag）， 在C處為最大 （ax+ag）； ② 對(duì)向心力加速度az而言，在A、C位置不受重力影響，在B位置為最大 （az+ag）， 在D位置為最小 （az-ag）。

圖11為左右兩側(cè)輪胎相對(duì)于向心力加速度的變化曲線。左右輪胎內(nèi)發(fā)射模塊切線方向加速度ax相位相差180°，方向正好相反。

綜上所述，基于場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別和加速度測(cè)量技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集和軟件算法，可以可靠實(shí)現(xiàn)TPMS自動(dòng)定位功能，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

4 小結(jié)

由于場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別在車輛環(huán)境中面臨輪胎衰減、車身環(huán)境、路面反射、天線方向等諸多不確定的因素，所以TPMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須針對(duì)確定的車型來(lái)開發(fā)，通過充分的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)采集及分析、軟件算法、天線設(shè)計(jì)等方式，使該系統(tǒng)可靠應(yīng)用于汽車環(huán)境中。特別是將場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別和加速度測(cè)量結(jié)合實(shí)現(xiàn)TPMS自動(dòng)定位的技術(shù)，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，應(yīng)用將更加廣泛。

［1］Freescale Semiconductor.MC33596 PLL Tuned UHF Receiver for Data Transfer Applications[DB/OL].http:www.freescale.com,2010.

［2］韓文斌，韓云霄，高 峰.綜合CAN和LIN通信功能的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.世界電子元器件，2009，(11):65-69.

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