集成TPMS功能的電動汽車儀表盤設計

于良杰 ， 馬建輝 ， 侯冬冬 ， 王 崗

（1.山東省汽車電子重點實驗室 山東 濟南 250014；2.山東省科學院自動化研究所 山東 濟南 250014）

儀表盤是一個多方位的汽車信息顯示平臺，它是駕駛員與汽車進行信息交流的窗口，電動汽車儀表盤是一種適應電動汽車電子化、數字化、信息化發展的高新技術產品，作為一個多信息顯示平臺[1]，顯示車速、檔位狀態、電機轉速、電機狀態、電池組狀態等其他電動汽車特定的信息，同時實現電機故障報警、電池組低壓、不均衡報警等功能。TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是汽車輪胎壓力監視系統，用于在汽車行駛時對輪胎氣壓及溫度進行實時自動監測，以保障行車安全，屬于汽車主動安全部件。目前得到廣泛應用的是直接式TPMS，它利用安裝在每一個輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調制發射到安裝在駕駛臺的接收器及監視器上。由于汽車結構和內飾的限制，TPMS的接收器和監視器的安裝位置成為一個比較困難的問題，目前有兩種解決方案，一種是電池供電或汽車點煙器供電的獨立接收器和監視器，一種是將接收器和監視器集成在導航儀或多功能內后視鏡或儀表盤中。第一種方式由于安裝位置不固定，在行駛時存在安全隱患，且會帶來一定的成本問題，但由于獨立性強，可以適用于各種車型；第二種方式安裝位置固定，且能降低成本，但需要定制來滿足集成要求，不具有適用性。

本文通過在儀表盤中以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤上實現輪胎溫壓的接收，通過儀表盤LCD、LED及蜂鳴器進行輪胎溫壓的數據顯示及報警，避免TPMS接收器和監視器的獨立設計和安裝。同時可根據不同車型的要求方便地加載或卸載TPMS接收器。

1 系統結構

系統包括4個TPMS發射器和儀表盤兩個部分，發射器的MEMS芯片是TPMS系統的核心[2]，本方案采用英飛凌的SP37設計TPMS發射器，負責完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測，并通過無線調制將數據發送到接收器[3]。信息的采集和顯示是儀表盤的核心功能，其顯示接口包括步進電機及其指針、LED、LCD和蜂鳴器，儀表盤以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤上實現輪胎溫壓的接收，通過LCD、LED及蜂鳴器進行輪胎溫壓的數據顯示及報警，避免TPMS接收器和監視器的獨立設計和安裝。當某輪胎的溫度或壓力低于一定閾值時可以通過LED和蜂鳴器聲光報警，通過儀表盤上的模式按鍵可以查看4個輪胎的溫度和壓力值，同時可根據不同車型的不同要求方便地加載或卸載TPMS接收器。其系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

2 TPMS發射器設計

本方案采用英飛凌的SP37設計TPMS發射器，做為集成胎壓傳感器、MCU和射頻發射器的MEMS芯片，SP37完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測，并通過無線調制將數據發送到接收器[4]，具體功能設計部分在此不再贅述，文中重點介紹下發射器的天線設計要點。

發射器的天線設計是發射器設計的關鍵，決定了整個TPMS系統的準確性和實時性，同時也決定了發射器的使用壽命。如果由于發射天線設計不當，那么內置式的胎壓監測發射器將通過提高發射頻次的方法來提高系統的準確性和實時性，這將極大地消耗電池電量，從而減少使用壽命。

本文通過采用輻射金屬片異形天線實現無線數據的發射，其長度接近發射器無線發射頻率的1/4波長，通過改變發射器金屬片天線的厚度、形狀和長度來提高無線發射效率，降低發射功率，延長發射器電池的使用壽命，該金屬片天線直接注塑到發射器外殼內，在制作發射器外殼時置入其中，只有天線的發射端與接地端與電路板相連，從而減小發射器厚度并降低生產成本，天線本身受外殼塑料包覆，能耐受輪胎內部的高溫高壓，且不會因為受到輪胎的高速旋轉而變形，具有高度的可靠性和穩定性。

3 儀表盤設計

汽車電子電控單元軟件設計的工作量占其整個產品設計的80%，所以文中重點介紹下儀表盤的軟件設計要點，步進電機控制是儀表中量表顯示的核心功能，下面以步進電機控制算法為例介紹下儀表盤的軟件設計。

文中所設計儀表盤采用步進電機驅動指針進行車速、工作電流、電池組電壓的顯示，由于步進電機存在最小步距角的限制，且沒有位置反饋，很容易出現抖動、過沖、失步、信息指示不準確一系列問題，本文通過在底層控制上運用細分技術和加減速控制技術，在微觀的層面上實現對步進電機的單步和單段控制，并且在底層控制技術的基礎上進一步設計自適應控制算法，實現長時間跨度上的步進電機連續控制，保證步進電機式汽車儀表盤各個指針在整個工作時間段內、各種工況下的平穩運轉[5]。具體算法設計如下：

首先根據汽車儀表應用的最小細分粒度需求設計步進電機線圈電流正弦規律變化的細分控制表[6]，通過調節控制表索引步距實現對底層步進電機的細分控制；在指針調度控制上，以可變長時間槽的形式劃分調度周期對指針進行分時段控制，設計指針在單個調度周期內的轉動方式為加速啟動、勻速運轉、減速停止、慣性消止4個階段。通過在轉動角速度控制、指針位置更新、線圈電流調節步距、運轉調度周期時長、啟動加速度、停止減速度、慣性消止時間上進行設計，實現了汽車儀表盤各個指針的平穩啟動和停止，實現對快速變化信息的迅速響應以及對緩慢變化信息的平滑反映，可以快速啟動和平穩停止且在低速運轉時無抖動。算法流程如圖2所示。

圖2 步進電機自適應控制流程Fig.2 Stepper motor adaptive control algorithm processes

4 結束語

文中分析了集成TPMS功能的電動汽車儀表盤的系統結構[7]，介紹了TPMS發射器的天線設計，分析了儀表盤步進電機自適應控制算法的設計，該儀表盤經裝車試驗，運行穩定，功能可靠，現已經進入小批量預生產階段，具有很高的實用價值。

[1]劉源楊，馬建輝，于良杰，等.μC/OS-Ⅱ平臺電動汽車儀表盤的設計與實現[J].電子產品世界，2012（12）:48-49.LIU Yuan-yang，MA Jian-hui，YU Liang-jie，et al.Design and implementation of EV dashboard based on uC/OS-II[J].Electronic Engineering&Product World， 2012（12）:48-49.

[2]肖文光，李艷華.基于SP37的新型TPMS系統設計[J].電子設計工程，2011（6）:86-88.XIAO Wen-guang，LI Yan-hua.Design of a new style TPMS system based on SP37[J].Electronic Design Engineering，2011（6）:86-88.

[3]張宏財，肖文光，張春芳，等.基于SP37和MAX1473的胎壓監測系統設計[J].電子產品世界，2011（11）:59-60.ZHANG Hong-cai，XIAO Wen-guang，ZHANG Chun-fang， et al.TPMS design based on SP37 and MAX1473[J].Electronic Engineering&Product World，2011（11）:59-60.

[4]楊曉沸.步進電機細分控制的PWM實現 [J].機電一體化，2008（10）:51-52.YANG Xiao-fei.PWM controlling realization of step motor subdivided driver[J].Mechatronics， 2008（10）：51-52.

[5]山東省科學院自動化研究所.一種步進電機式汽車儀表指針自適應控制算法:中國，201210325523.4[P].2012-12-26

[6]鄭宇.步進電機細分控制的單片機實現[J].貴陽師范大學學報:自然科學版，2012，30（2）:106-109.ZHENG Yu.Researchonthemicrosteppingdmosof stepmotor using single-chip computer[J].Journal of Guizhou Normal University:Natural Sciences，2012，30（2）:106-109.

[7]張海龍，馮森，李建祥，等.電動汽車充換電服務網絡運營管理系統的研究與設計[J].陜西電力，2011（11）：47-50.ZHANG Hai-long，FENG Sen，LI Jian-xiang，et al.Research and design of electric vehicle charging net management system[J].Shaanxi Electric Power，2011（11）：47-50.