基于滑動平均濾波的胎壓監測系統設計

鄧汝奎，范 毅，李光平，禤旭旸，吳詩林

（南寧學院，南寧 530200）

0 引言

輪胎壓力異常是影響汽車行駛安全性、燃油經濟性、乘坐舒適性的重要因素[1]。駕駛員對于胎壓異常的疏忽，往往容易造成嚴重的人身傷害和財產損失。車輛行駛路面情況復雜，輪胎扎釘造成輪胎氣壓偏少最為常見，如果不能及時處理，造成輪胎過度磨損。汽車胎壓長期過低，容易引起輪胎溫度升高，致使輪胎壓力增大，當車速較快時，容易發生爆胎事故。因此，對于輪胎壓力異常的預警，顯得十分必要。目前市場上配置在汽車上的胎壓裝置主要為直接式胎壓監測裝置[2,3]，而且集中在高檔汽車上，對于中低檔經濟型轎車，胎壓監測系統的配置仍存在非常大的市場空白。

本文提出一種基于滑動平均濾波算法的間接式胎壓監測系統，硬件裝置與車輛OBD診斷接口連接，實時采集車輛CAN BUS中的四輪轉速數據，基于滑動平均濾波算法，提高系統運行速度，實現胎壓異常實時預警效果，經過一系列的道路實驗，證明具有很高的經濟性和便捷性。

1 裝置設計方案及工作原理

基于滑動平均濾波的胎壓監測系統采用CAN總線通信技術，通過車輛OBD診斷接口實時讀取車輛診斷系統中的輪速數據，運用滑動平均濾波對輪速數據進行過濾，得到能夠穩定反應胎壓變化的輪速動態數據。通過對輪速數據的運算處理，及時監控胎壓數據變化，并對胎壓異常的情況進行預警。胎壓監測系統采用STM32F103控制器為核心，集成了CAN BUS通信電路、胎壓異常預警電路、電源降壓電路。CAN BUS通信電路通過OBD診斷接頭連接車輛CAN BUS系統，讀取車輛輪速動態數據，傳輸至STM32F103，用于滑動平均算法運算。電源降壓電路將車輛電壓12V轉換為3.3V，供STM32F103單片機系統使用。胎壓異常預警電路集成LED指示燈和蜂鳴器，通過光電和聲音兩種方式同時發出胎壓異常警報。裝置設計原理如圖1所示。

圖1 裝置總體設計方案

2 硬件設計

OBD診斷口1號針孔有12V的常電，可以作為系統電源，采用AMS1117作為電源轉換芯片，將車輛12V電壓轉換為3.3V電壓，為胎壓監控系統提供電源，另外OBD診斷口4號和5號針孔為負極接口，提供系統負極 回路[4]。

系統采用的STM32F103主控制器為ARM 32位內核，數據處理能力強，最高工作頻率可以到達到72MHz，內部存儲空間最高達512kb[5]，能夠滿足胎壓數據實時存儲需求。具備CAN通信接口，能夠實現車輛CAN數據采集，具備睡眠、停機和待機模式，能夠在車輛熄火后進入休眠模式，降低能耗，避免車輛蓄電池虧電。

將STM32的CAN_RX管腳和WKUP管腳連接，關閉點火鑰匙后，STM32接收不到CAN信息后，將會進入休眠模式；當打開車輛鑰匙時，CAN通信系統恢復通信，WKUP管腳接收到CAN_RX中的上升沿信號，STM32從休眠模式中喚醒。

CAN通信電路由TJA1050作為CAN信息收發器[6]，連接STM32F103的CAN收發接口，并通過OBD診斷連接接頭接插到車輛OBD診斷接頭,為提高CAN總線通信的穩定性，提高裝置的抗干擾能力，在CAN_H和CAN_L之間接120Ω的電阻[7]。

胎壓異常報警電路包括LED指示和蜂鳴器，LED采用共陽極接法，通過STM32的IO口控制LED負極通斷實現。蜂鳴器通過STM32的IO口驅動三極管0805控制蜂鳴器負極實現。電路原理如圖2所示。

圖2 胎壓監測裝置原理圖

3 軟件設計

3.1 胎壓監測實現原理

根據汽車滾動半徑r公式：

式中s為輪胎滾動圓周，由式(1)有：

式(2)中l為輪胎行駛的距離，n為輪胎轉速，r為輪胎滾動半徑，t為行駛時間。當輪胎氣壓減少時，r變小，假設左右兩輪的行駛阻力一樣，車輛保持直行，對于四個輪子來講t相同，為保證車輛能夠保持直行，同軸兩輪行駛距離l必須一致。根據式(2)可知，胎壓半徑小的輪胎，轉速n將會增大，當輪胎轉速提高，四輪輪速差距到一定的閥值時，通過對輪速的判斷，判斷輪胎胎壓是否過低。

3.2 輪速數據采集

輪速數據通過車輛CAN BUS總線數據采集，以某車型為例，將CAN分析儀連接到車輛OBD診斷接口的CAN_H和CAN_L，設置CAN通訊速率為500kb/s，正常通訊后，界面如圖3所示。該CAN BUS總線為車輛驅動總線系統，即發動機系統、ABS系統、變速器系統、氣囊系統在同一CAN總線網絡內。通過該CAN通信網絡，可以采集到車輛ABS系統中的輪速數據。根據該車系CAN通信協議可知四輪輪速包含在CAN數據幀ID號為0284和0285中，其中ID號為0284的數據域前兩字節為右前輪速數據，第三和第四字節為左前輪速數據；其中ID號為0285的數據域前兩字節為右后輪速數據，第三和第四字節為左后輪速數據。以右前輪為例，其數據位于ID號0284中數據域前兩位字節，該數據幀8位數據依次為：1F 40 1F 34 0D A5 ED D1 轉速為40km/h時，該輪CAN數據為十六進制0X1F40，轉換為十進制后為8000，即CAN數據中的輪速數據除以200后就可以計算出實際的輪速數據值。輪速數據傳輸的速率為50幀/秒，能夠快速反映輪胎轉速變化。當輪胎胎壓減少時，輪胎半徑變小，直接影響輪速變化，可以從CAN數據中快速識別，達到實時監測胎壓變化的效果。輪速獲取依靠ABS ECU獲取輪速傳感器脈沖信號計算，脈沖信號受行駛路面影響，比較容易產生波動，數據跳動幅度較大，不利于CPU識別處理，因此，需對輪速數據進行濾波處理。

圖3 CAN數據采集

3.3 滑動平均濾波[8]

滑動平均濾波算法的主要原理為，設輪速{xt|t=1,2,3,…,n}輪速數據包含兩種信號成分，一種是短期干擾信號成分ei，比如輪胎瞬間打滑、過不平路面等；另外一種是長期有效信號fi。

輪速數據yi可以表示為：

yi為了降低短期信號對胎壓判斷的影響，必須要對ei進行平滑濾波處理，簡單來講就是對不穩定數據進行平均處理。將n個數據長度分為m個長度為L的小區間，滑動平均處理式可表示為：

由于CAN BUS總線中輪速數據發送可以達到每秒50幀，端點的值取零，在很短的時間內端點數據就被采集進來的數據覆蓋，不會影響胎壓數據的判斷。

假設L=5時，

由上式可知，每收集到一個數據將CPU進行一次5個數據的累加，然后再計算出平均值。當L取值較大時，需進行L次累加運算，滑動平均運算將會非常耗費CPU資源，影響系統的響應速度，為此將上式改為：

采用式(3)運算方式后，只需在第一次求滑動平均將滑動區間的L個數據累加，之后的滑動平均數值僅需加入新采集的數據減去最舊的數據后平均運算即可，大大降低了CPU的運算次數，提高系統運算速度。

車輛氣壓降低時，輪胎半徑減小，輪速增大，可以從輪胎氣壓滑動平均值算出。以左后輪輪速計算為例，輪速數據每秒發送50幀，數據更新速度快，為獲取平穩數據，將滑動平均的數據長度取100個數據。數據前100位取0，僅2秒就可以正常進行實際數據的滑動平均運算，不會影響到胎壓監控的實時性和系統響應性。濾波前和濾波后的數據對比如圖4所示，濾波后，數據更加平順，特別是輪速出現干擾時，采用滑動平均濾波后能夠很好的將干擾過濾。

圖4 左后輪胎壓數據濾波對比圖

四個輪胎胎壓數據過濾前和過濾后波形如圖5所示，四輪輪速在直線行駛狀態下，經過滑動平均濾波之后，輪速數據能夠清晰的反應出四輪胎壓之間的差異。

圖5 車輪胎壓數據濾波對比圖

3.4 預警閥值確定

右后輪分別為0.24MPa，0.22MPa, 0.20MPa, 0.18MPa，其他三輪胎壓皆為0.24MPa時，輪速經過濾波后，設右前輪速為n1，左前輪速n2，右后輪速為n3，左后輪速n4，四輪平均輪速為右后輪輪速與四輪輪速平均值比值Kn，，當右后輪輪速值大于四輪輪速平均值時，Kn將長期穩定在大于1的比值范圍。道路測試車速分別采用車輛在市區常用時速40kM/h，村鎮公路時速80kM/h，高速時速120kM/h進行。

試驗結果如表1所示，根據實驗數據，當右后輪胎壓為0.18MPa時，在三種車速下，右后輪速與四輪輪速平均值的比值能夠穩定，因此設定當車輛四輪輪速中出現某一輪速高于四輪輪速平均值，且連續出現5次，則判定該輪胎氣壓過低。

表1 胎壓與車速測試結果

3.5 程序流程設計

在程序設計中，為避免胎壓異常的錯誤報警，當某一輪速與四輪輪速平均值差值連續5次大于閥值時，胎壓監測系統將進入報警模式。同時為避免因信號干擾，錯誤退出報警模式，在進入報警模式后，同樣，當某一輪速與4輪輪速平均值差值連續5次大于閥值時，退出報警模式。程序流程如圖6所示。

圖6 程序設計流程圖

3.6 休眠模式

車輛熄火后，如果靜態電流過大，電能消耗過多，容易顯現蓄電池虧電。一般要求車輛靜電流不能超過0.02A，胎壓監測裝置在車輛診斷座12V電源取電，該電源為常電，如果不能有效控制胎壓監測裝置的能耗，將對蓄電池壽命造成很大的損害。因此，設計胎壓監測系統在點火鑰匙關閉后進入待機模式。點火鑰匙關閉后，車輛CAN通信也終止，可通過該信息作為STM32F103進入待機模式的觸發信號。當STM32F103接收不到CAN信息時，系統進入待機模式，達到最低電能消耗，此時STM32F103待機電流1.0μA。當打開點火鑰匙后，CAN總線正常通信，WKUP管腳接收到上升邊沿信號，STM32F103退出待機模式。

為防止STM32F103在運行過程中，因信號干擾出現“跑飛”，啟動“看門狗”程序，當STM32F103出現死機時，可以進行自動復位。

4 結論

本設計中的胎壓監測系統硬件設計簡單，對車輛整車電路系統無損害，使用便捷，采用滑動平均濾波算法，使得系統簡潔，響應快，運行穩定。經過多次實車道路測試，車輛在直線行駛時，當某一胎壓低于0.18MPa時，胎壓監測系統能夠準確判斷胎壓過低的輪胎具體位置，有較高的實用價值。

[1] 王龍.胎壓異常工況下車輛行駛穩定性試驗研究[D].山東：山東理工大學,2013.

[2] 彭何歡,鄭紅平,麻則運.基于CAN總線與無線傳感器的轎車胎壓監測系統[J].制造業自動化,2011,02.

[3] 王婷.汽車胎壓監測系統技術與發展[J].汽車工程師,2015,01.

[4] 朱玉龍.汽車電子硬件設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,2011.

[5] 楊光祥,梁華,朱軍.STM32單片機原理與工程實踐[M].武漢：武漢理工大學出版社,2013.

[6] 牛躍聽.CAN總線嵌入式開發—從入門到實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社,2012.

[7] 羅峰,孫澤昌.汽車CAN總線系統原理、設計與應用[M].北京：電子工業出版社,2010.

[8] 裴益軒,郭民.滑動平均法的基本原理和應用[J].火炮發射與控制學報,2001(1)：21-23.