汽車輪胎壓力監測系統的設計與實現

Design and Realization of the Tire Pressure Monitoring System

趙　霞1　王業通1　袁康鵬1　何亞波2

(同濟大學電子與信息工程學院1，上海　200092；上海雋通電子科技有限公司2，上?！?00092)

汽車輪胎壓力監測系統的設計與實現

Design and Realization of the Tire Pressure Monitoring System

趙霞1王業通1袁康鵬1何亞波2

(同濟大學電子與信息工程學院1，上海200092；上海雋通電子科技有限公司2，上海200092)

摘要：汽車輪胎壓力監測系統(TPMS)是機動車輛必備的安全裝置之一，可實時了解輪胎的溫度和壓力，從而防止爆胎、節省汽油并延長輪胎使用壽命。在國內外已有的TPMS分析、研究基礎上，依照美國現行TPMS規范，采用性能更好的器件，自主研發、設計了一套直接主動式TPMS系統,實現了加速度喚醒、間隔測量和數據發送、雜波濾除、報警顯示等功能。結果表明，系統不但實現了既定功能，還保證了發射機極端情況下連續使用4年的極低功率損耗。

關鍵詞：TPMS壓力傳感器微控制器無線傳輸低功耗

Abstract：Tire pressure monitoring system (TPMS) is one of the necessary safety devices of the vehicles, it can find out the temperature and pressure of the tires in real time, to prevent puncture, save gasoline and prolong the useful life of tires. The existing TPMS around the world are analyzed and researched, on this basis, in accordance with current standard in the States， by adopting components with better performance, the direct active TPMS is independently developed. The system implements functions including acceleration awakening, interval measurement and data sending, filter out the clutters, as well as display and alarm, etc. The result shows that the system realizes all the predicted functions, and guarantees the transmitter can be used continuously for 4 years under most extreme conditions with very low energy consumption.

Keywords：TPMSPressure sensorMCUWireless transmissionLow power consumption

0引言

在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是交通事故發生的重要原因。汽車輪胎壓力監測系統(tire pressure monitor system,TPMS)可在汽車各種狀態對汽車所有輪胎的壓力和溫度進行實時監測，并提供聲、光報警及顯示，可以有效地提高汽車行駛的安全性[1-3]。

歐美發達國家開發生產的TPMS較為成熟，而國內銷售的是國外的TPMS系統或生產的TPMS基本是靠引進國外開發平臺、生產線，沒有自主知識產權。隨著國家對汽車安全的重視及TPMS的廣泛使用，開發擁有自主知識產權的TPMS意義重大。

系統的發射機嵌入輪胎內部，實時測量輪胎內部壓力、溫度等參數，并將數據發射到接收機。接收端置于車室內，依靠RF接收輪胎的無線數據，進而完成邏輯判斷、智能預警等工作。該系統較之國內現有的TPMS系統有很大的優勢[4-7]。

1TPMS組成及其設計要求

1.1　組成

TPMS主要分為兩類:一種是基于車輪速度的間接式 TPMS，通過比較各個車輪之間轉速的不同，間接判斷輪胎的氣壓狀態；另一種是基于壓力傳感器的直接式TPMS，通過在輪胎內部安裝傳感器，測量輪胎內部的溫度和壓力，通過無線的方式將數據發送到中央系統進行處理。直接式TPMS解決方案主要有以下三種。

① Motorola MPXY80X0 series方案：使用MPXY80x0傳感器+MC68HC908RF2無線發射器+MC68HC908KX8 MCU進行系統設計。該方案須購買Motorola專用的開發環境。

② GE NovaSensor的NPX方案：NPX是GE Nova Sensor公司推出的TPMS專用芯片，是由一塊帶有大量外圍器件的Philip 8 bit RISC內核組成的高集成度芯片。所有傳感器、RF發射電路等都整合在一塊芯片上。以高集成度為顯著特征的GE NovaSensor NPX方案也須購買專門的開發環境。

③ Infineon 方案：基于SP12傳感器 + TDK5100F無線發射器 + PIC16F628A MCU 進行單向(Simplex TPMS)系統設計的方案。此方案開放度高，無須專門開發環境，器件入手方便。

鑒于實現優勢及成本考慮，本設計采納直接式TPMS及Infineon 方案進行系統設計。TPMS框圖如圖1所示，TPMS分為發射機和接收機兩部分，采用單工方式進行數據傳送。

圖1　TPMS框圖

發射機嵌在輪胎里面，測量輪胎內部的氣壓和溫度，并通過無線調制的方式將所需數據發送到接收機，發射機主要包含傳感器、MCU和RF發射電路及供電電池。由于發射機置于輪胎內部，更換電池不方便，在汽車高速行駛時，輪胎內部的溫度極高，所以發射機模塊的小型化、寬工作溫度范圍以及低功耗設計顯得尤為重要。本課題采用Infineon作為中央處理器。發射機中傳感器采用SP12[8]，無線發射短波采用TDK5100F芯片，中央處理器采用Microchip的8位單片機PIC16F628A，鋰電池供電。以上3款芯片均可以在汽車工業級條件下使用，MCU的最低功耗為納瓦級[9]。

接收機的主要工作是接收發射機發送的數據并進行顯示和告警，主要包括RF接收電路、MCU和顯示報警用LCD顯示模塊。RF接收電路接收發射機發出的無線信號并由中央處理器負責軟件濾波，并將處理后的數據顯示在LCD上，將測量值與設定值比較。如果達到報警門限，就在LCD上顯示報警信號，并配合LED閃爍，蜂鳴器報警。RF接收電路使用的是TDK5210，中央處理器使用PIC877A，LCD為128×64的普通LCD。

1.2　設計要求

① 發射機低功耗。輪胎模塊的使用壽命要求達到3~5年，每個組件必須長期處于電流極低的待機模式或關閉狀態，測量和發送時的工作效率要高。

② 接收機的數據接收和處理要求

接收機處于駕駛室內，對系統功耗的要求較低，只要求能夠及時地接收到發射機發送的信號。可以在汽車底盤下安裝天線，以提高信號接收能力。另外，要能對數據及時分析處理并及時報警。

③ 發射機溫度、壓力等參數測量范圍如表1所示。

表1　參數測量范圍

2TPMS的軟件設計

2.1　發射機軟件設計

發射機主要包括3個部分：傳感器、MCU和RF發射電路。傳感器和MCU之間使用SPI通信協議。由于系統對發射機的功耗要求較高，故在軟件設計方面應特別注意。

2.1.1使用傳感器SP12實現工作模式轉換

本文采用的傳感器有4種工作模式：調試模式、初始化模式、睡眠模式和測量模式。配合MCU可實現4種模式之間的轉換，以達到節省功耗的目的。其工作模式轉換關系如圖2所示。

圖2　傳感器SP12的工作模式轉換關系圖

首先系統上電初始化，MCU向傳感器發送測量命令，使傳感器進入測量模式，MCU接收到傳感器發送的數據就發命令使傳感器進入休眠模式。MCU完成后面的工作后進入休眠模式，每隔6 s傳感器發出一個Wake Up信號，作為MCU的中斷源喚醒MCU，MCU向傳感器發送測量命令，如此循環。

2.1.2MCU的功能設計

MCU的總體功能如下。

① 管理所有外圍設備。MCU是系統的重要部分，連接著系統其他各個部分，與各個外圍器件之間進行數據傳送，并對各個外圍器件進行電源管理，使外圍器件在工作模式和休眠模式之間切換，達到省電的目的。

② 進行壓力、溫度、加速度、電池電壓的測量，以及傳感器狀態的檢測。

③ 無線發射控制。

④ 電源管理。發射機處于輪胎內部，不能經常更換電池，系統的功耗必須盡量降到最低。

系統的低功耗設計主要體現在以下幾個方面。

① MCU喚醒的實現。傳感器SP12無論處在工作模式還是休眠模式，其內部的2.5 kHz低頻計數器都處于工作狀態，每隔6 s發出一個低電平脈沖信號。該信號作為MCU的中斷源信號，在MCU休眠狀態下可以實現喚醒。

② 系統加速度喚醒的實現。當汽車靜止時，并不需要進行壓力、溫度等參數的測量，實現加速度喚醒可以使發射機在汽車行駛狀態下工作，達到省電的目的。當系統發送完無線數據之后，各個芯片都處于休眠狀態。SP12的Wake Up信號首先喚醒MCU，再由MCU發送命令給SP12進行加速度測量。如果汽車處于靜止狀態，不需要測量壓力、溫度，也不需要無線發送數據給主機，而是直接進入休眠模式，直到下一次喚醒。

③ 無線發射次數的選擇。無線發射比較消耗功率，所以軟件必須盡量控制和降低測量和發送的頻率。將本次測量值與臨界值比較，再與上一次測量值比較，如果參數處于正常范圍并且與上次測量值相差不大，就不需再次發送數據。但也必須保證接收端在一定時間內能收到信號，所以即使設定參數在正常范圍內，每次變化也不大，也能保證30 s向接收端發送一次數據。

發射機端MCU的軟件流程框圖如圖3所示。

圖3　發射機MCU軟件流程框圖

2.2　接收機軟件設計

主機上電后，MCU首先初始化。由于在無有效信號時RF接收電路將受到雜波干擾，故MCU以10倍于發射比特頻率的速度不斷檢測接收電路中TDK5210的數據位，并進行數據極大似然值處理。在收到一個有效的信號包后，將輪胎號、溫度、壓力值讀出，并將各值送至LCD上顯示，如果參數值超過設定閾值則產生報警。接收機MCU軟件流程框圖如圖4所示。

圖4　接收機MCU軟件流程框圖

2.3　通信及協議

(1) 數據幀格式

發射機和接收機之間的通信采用固定長度的數據幀，其格式如表2所示。

表2　數據幀格式

① 前導碼：接收端在沒有信號時會受到雜波的干擾，設置同步起始位可以使接收端區別雜波數據，并開始接收數據。

② 輪胎號：汽車的4個工作輪胎都裝有發射機(備用胎可選)，當發射機向接收機發送數據時，接收機根據輪胎號進行輪胎的識別。

③ 傳感器狀態位：0=no error，1=error。

(2) 通信設置

系統無線通信的載波頻率選用433.92 MHz，發射速度為20 kbit/s，采用FSK調制方式。發射前先對數據幀進行曼徹斯特編碼，這樣可以減小發射信號的直流分量，降低誤碼率，提高通信距離。

3TPMS的實現

對TPMS進行無線傳輸數據試驗。在距頻譜儀0.3 m和9 m處，發射機發射數據，接收機采得的頻譜波形如圖5所示。

圖5　0.3 m和9 m處無線發射數據頻譜

從圖5(a)可以看出，峰2和峰3為FSK調制的兩個頻率點，頻率分別為434.03 MHz、433.9 MHz。接收到的功率約為-36 dBm。從圖5(b)可以看出峰2和峰3的頻率保持不變，仍分別為434.03 MHz、433.9 MHz。接收到的功率有所下降，約為-80 dBm。

系統電流及功率消耗分析如下。

① 傳感器的電流及功率消耗

考慮最不利條件(3 V，120 ℃)，此時休眠模式的消耗為19.5 μA，工作電流為3.8 mA，壓力檢測時間為6 ms，溫度檢測時間為1.5 ms，加速度檢測時間為6 ms。考慮汽車在行使過程中傳感器每次都要檢測加速度、溫度和壓力，取工作時間為14 ms。

② 無線發射芯片的電流及功率消耗

取FSK工作電流的最大值30 μA?？紤]輪胎氣壓或溫度異常，需要6 s發送一次數據，一個數據包24 bit，波特率為20 kbit/s，則一次發送時間為1.2 ms。

微處理器16F628A的待機電流典型值為100 nA，工作電流典型值為120 μA,工作時間取16 ms。

③ 發射機的平均電流

I=(3.8×14+0.03×1.2+0.12×16+0.019 5×5 986+

0.000 1×5 984)/6 000(mA)=0.028 7 mA

(1)

鋰電池的電池容量為600 mAh,則發射機電池的最少使用時間為：

t=600/0.028 7(h)≈20 905.9 h≈871天

(2)

若汽車的欠壓時間一般占總時間的60%，則電池的實際使用時間為：

T=871/0.6 (天)≈1 451.6天≈4年

(3)

上述結論均為最差情況，實際上汽車的行駛時間不到總時間的30%，所以電池使用時間還可以更持久。

4結束語

本課題采用的Infenion方案功耗低，穩定性較好，能同時檢測汽車加速度、輪胎氣壓、溫度以及電池電壓等關鍵參數。當胎壓或溫度異常時，系統會報警，從而保障行車安全。此外，接收機模塊還可以通過擴展如語音報警等模塊，與汽車控制系統相連，進一步增加系統的功能，適應不同用戶的要求。

參考文獻

[1] 劉全有,趙福全,楊安志,等.TPMS的研究現狀及發展趨勢[J].農業裝備與車輛工程,2010(12):3-5,10.

[2] 隨辰揚,潘宏博,馮明,等.基于智能手機的汽車胎壓監測系統[J].傳感器與微系統,2014(6):114-116.

[3] 邵軍,譚勵,王曉垚,等.汽車胎壓監測系統的設計及其通信抗干擾研究[J].測控技術,2014(3):11-14,21.

[4] 張猛,張多,張動力.汽車輪胎壓力監測系統綜述[J].汽車實用技術,2014(1):33-35.

[5] 王澤鵬,薛風先,高峰,等.基于Motorola芯片的輪胎氣壓監測系統設計[J].自動化儀表，2005，26(3)：39.

[6] 盧從娟，邵毅明，呂先洋，等.汽車輪胎壓力監測技術的發展[J].公路與汽車，2012(1).

[7] 張艷紅，張兆華，劉理天.TPMS的研究和設計[J].儀器儀表學報，2005(8)：8.

[8] 黃賢武.傳感器原理及應用[M].成都:成都電子科技大學出版社,1999.

[9] 施慶隆.PIC16F87X單片機原理與專題應用[M].北京:北京電子工業大學出版社,2003.

中圖分類號：TP23

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502025

修改稿收到日期：2014-10-15。

第一作者趙霞(1974-)，女，2003年畢業于哈爾濱工業大學導航、制導與控制專業，獲博士學位，副教授；主要從事信號處理、控制系統設計等的研究。