胎壓監測系統設計與應用

雷 偉，常久鵬，閆 明，張 有

（濰柴動力上海研發中心，上海 201114）

1 概述

汽車輪胎氣壓監測系統 （TPMS），能實時監測汽車胎壓參數，并以視覺和聽覺信號進行顯示和報警，以提高汽車安全性，并可減少因氣壓不足或過高造成的輪胎加速磨損和車輛能耗增加。

美國是首個以強制性標準推廣應用TPMS的國家，標準于2007年9月1日起開始實施；歐盟也于2012年出臺了TPMS強制性標準，隨后韓國、臺灣等國家和地區也都出臺TPMS強制標準并要求車輛強制安裝；2015年伊朗也出臺了TPMS強標。中國在2017年10月針對M1類載客車出臺強制標準：GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監測系統的性能要求和試驗方法》。其中要求自2019年1月1日起，中國市場所有新認證乘用車必須安裝TPMS，自2020年1月1日起，所有在產乘用車開始實施強制安裝要求。

直接式胎壓監測系統，是利用安裝在輪胎上的壓力傳感器來測量輪胎的氣壓和溫度，能直接采集各個輪胎實時胎壓數據，準確度高，反應比較靈敏，不容易出現誤報。目前國內外車型多采用直接式胎壓監測系統，下文胎壓應用實例，講述的就是直接式胎壓監測系統。

2 總體設計

2.1 工作原理

胎壓傳感器安裝在每一個輪轂上，它由壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、MCU、射頻發射芯片、電池、LF低頻接收電路和天線組成，觸發條件滿足時能實時監測輪胎的氣壓和溫度，通過超高頻 （433 MHz）發送數據。傳感器可以接收125 kHz的低頻喚醒信號，根據低頻喚醒信號或加速度傳感器信號，發射器在睡眠模式和工作模式之間切換。

胎壓控制器單獨或者集成到BCM里安裝在儀表臺內，接收胎壓傳感器433MHz的高頻信號，把高頻信號解調后，將四輪胎壓和四輪的溫度信息以及判斷的低壓、高壓報警，高溫報警，傳感器電池電量低和傳感器丟失信息轉換為CAN總線信號發送給儀表，儀表根據CAN總線信息進行對應的顯示和報警。

2.2 胎壓報警裝置設計

GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監測系統的性能要求和試驗方法》中第4節，對胎壓監測系統進行了分類，其主要差異以及各項描述見表1。胎壓報警裝置多集成在組合儀表中，點亮時為黃色。無論哪一類胎壓監測系統，故障報警試驗時，10 min內必須點亮故障報警裝置。

2.3 胎壓傳感器工作模式設計

胎壓傳感器隨輪胎旋轉，不能通過整車蓄電池供電，傳感器內集成的紐扣電池電量僅有200 mAh-300 mAh，無法支撐胎壓傳感器不間斷工作。為了滿足胎壓傳感器不低于5年的使用壽命同時兼顧報警及時性，將傳感器做成分時工作模式，當條件達到跳轉閾值時進行狀態切換，結合傳感器的工況，可以將工作狀態設定為靜止狀態、旋轉狀態等5種，具體設定見表2。

2.4 胎壓傳感器信號設計

胎壓傳感器發送的高頻信號為法規對民用開放的433 MHz的無線電磁波信號，目前調制、解調方式有ASK和FSK兩種，為了提高數據抗干擾性胎壓傳感器多采用FSK方式。為了實現有效的發送和接收，需要設計階段定義數據的通信協議，胎壓監測系統對數據編碼采用曼徹斯特編碼方式，高頻數據以幀為一個大單元進行數據的傳輸，每幀由13個字節組成，每一個字節的時間長度0.832ms。數據結構定義見表3。

表1 胎壓報警裝置分類 （胎壓監測系統）

表2 胎壓傳感器工作模式

表3 胎壓傳感器報文格式

2.5 胎壓傳感器激活方式設計

胎壓傳感器與車輛的配置具有隨機性，需要在車輛下線時用下線設備學習各輪上的胎壓傳感器ID值，因此需要設計定義無線激活條件，以確保能正確讀取胎壓傳感器ID，目前行業普遍采用125 kHz的低頻信號作為激活源。激活源與胎壓傳感器的距離一般在幾十厘米且激活的次數不多，對抗干擾性要求不高，因此多采用ASK的調制、解調方式。胎壓激活的信號編碼同樣也采用曼徹斯特編碼方式，和高頻數據傳輸協議同理來定義低頻激活的數據幀格式，數據幀內容主要是約定激活方式，為防止外界125 kHz的信號誤激活胎壓傳感器導致反復被激活引起虧電，數據幀里可定義握手ID。

2.6 胎壓控制器策略設計

1）使能條件：ON擋信號有效。

2）觸發條件 （a&b）：①接收到胎壓傳感器發送的信息并且校驗碼正確；②核對Type以及ID，若Type=“自定義固定值”且ID已被本車學習。

3）執行輸出 （a&b）：①BCM對TPMS信號進行解析，提取出信號報文中的壓力、溫度等信息，進行報警判斷；②將TPMS信號及報警信息發送到總線上。

4個車輪的TPMS信息通過一幀CAN報文即可完成數據傳遞，胎壓控制器通過定義報文的車輪標識位來區分不同的車輪，胎壓控制器收到一幀信號便發出一幀報文，胎壓控制器若收到TPMS傳感器連續發的信號，便按500 ms的周期連續發出報文。

胎壓故障報警信息涉及行車安全性，因此需要設計故障的優先級，優先級按照如下順序：壓力報警＞信號丟失＞傳感器電池電量低＞傳感器錯誤。由于胎壓傳感器只是作為信號的采集端，不會對各種信息進行判斷和計算，因此用胎壓控制器來定義故障信息：每一個傳感器用一個3bit的8狀態值 （表4）來區分不同的報警信息，多個故障時顯示優先級高的故障，如此便容易區分和顯示故障優先級。

表4 報警信息列表

2.7 胎壓控制器學習流程設計

根據ISO 14229《道路車輛統一診斷服務 （UDS）規范和要求》，設計開發診斷儀和胎壓控制器，參照圖1的設計流程對胎壓控制器進行學習，以綁定各個胎壓傳感器的ID。

3 胎壓監測系統應用

胎壓監測系統從設計到裝車再到售后，其中每個環節都十分關鍵，在實際應用過程中難免會出現各種問題，表5是直接式胎壓監測系統常見的故障實例。

4 總結

汽車輪胎氣壓監測系統 （TPMS）能提高行車安全，但是胎壓監測系統不能解決爆胎或快速漏氣引起的方向失控問題，其功能主要是輪胎氣壓異常時提示駕駛員，需要駕駛員主動排除故障，該系統屬于被動安全不能過分依賴。溫度和海拔突然變化可能會導致胎壓異常報警，當胎壓出現故障時需要謹慎，務必按照使用說明書對車輛進行排查，同時輪胎的日常保養需要到正規4S店進行。

圖1 胎壓監測系統學習流程

表5 故障列表