汽車胎壓智能檢測系統設計實現

呂丹丹

（煙臺汽車工程職業學院車輛運用工程系，山東煙臺 265500）

近幾年隨著科學技術和人們物質生活水平的不斷提高，汽車在日常生產生活中得到普及應用，成為一項不可或缺的交通工具，隨之而來的各種交通事故日益突出。人們對汽車的安全性能及穩定性的要求不斷提高，安全性成為衡量汽車質量的一項重要因素。在影響汽車行駛安全的眾多因素中，輪胎壓力會對汽車的安全性、舒適性、燃油經濟性產生不同程度的影響，出現異常的胎壓未被發現將會對車內人員的生命財產安全帶來極大的威脅，一旦引發交通事故將帶來較大的損失，這就使對輪胎壓力異常的檢測和預警成為領域內的研究熱點之一[1]。

1 現狀分析

近幾年胎壓監控系統(TMPS)得到快速發展和完善，并已成為提高汽車安全性的一項重要安全技術，該系統主要用于對輪胎壓力及內部溫度的實時監測，在胎壓不符合標準時及時提醒駕駛員，以保障行車安全。現階段高檔汽車大多配置了直接式胎壓監測裝置，中低檔經濟型轎車配備的較少，并且胎壓檢測的準確率不高。胎壓是汽車輪胎的命門（即輪胎內部空氣的壓強），在提供正常動力保證汽車行駛性能方面發揮著重要作用。正常的胎壓是確保汽車安全穩定行駛的重要因素之一，因此汽車安全穩定的行駛需以汽車胎壓運行狀態高效準確的檢測和提示為基礎支撐。這就對汽車胎壓檢測功能提出了更高的要求，目前汽車胎壓檢測大多面臨著檢測信號傳輸的穩定可靠性不佳、傳感器耐壓性、檢測準確性不高等問題，溫度的變化會使胎壓受到動態擾動，導致傳統的胎壓自動檢測過程的準確性較低[2]。

2 汽車胎壓智能檢測系統設計

汽車胎壓自動檢測系統隨著相關標準的日趨嚴格面臨著較大的挑戰，為了使汽車安全行駛性能得到有效提高，需進一步優化完善汽車胎壓自動檢測系統。目前已取得了一定的進展，主要基于組網設計（將各胎壓傳感器同檢測系統間構建起有效連接）的汽車胎壓自動檢測系統可通過優化部署傳感節點實現胎壓無線傳感監測，例如，一種汽車胎壓檢測儀總體構架設計方案，詳細介紹了胎壓自動檢測系統的硬件設計過程，主要基于嵌入式ARM 實現對胎壓輸出壓力的傳感檢測功能，并通過模糊檢測方法對胎壓輸出數據實現模糊識別及自動檢測，但該檢測儀存在信號傳輸穩定性不佳、結果準確性較差；一種以壓力數據采集和集成控制功能作為主要設計內容的汽車胎壓自動檢測系統（基于ZigBee 組網），胎壓檢測儀硬件在DSP 集成處理環境下完成開發，使胎壓的自動檢測效率得到顯著提升，但存在自適應能力較差、檢測準確性不高的問題[3]。為此該文在現有研究成果的基礎上完成了一種汽車胎壓智能檢測系統方案的設計（基于HART 通信協議），該系統具有安全可靠、經濟實用的優勢，有效提高了檢測系統的準確性及自適應能力。

2.1 系統總體功能架構設計

基于傳感信息采集和網絡組網實現的車胎壓自動檢測功能對傳輸網絡的質量及效率要求較高，無線傳感器網絡成為構建高效的檢測系統網絡組網的重要技術，結合運用合適的網絡協議完成檢測系統組網結構模型的構建，在此基礎上使檢測過程的準確性、無線傳感性、智能性得到顯著提高。該文主要從硬件模塊化和檢測算法兩方面完成了汽車胎壓智能檢測系統（嵌入式）的優化設計過程，該智能檢測系統的開發設計過程在集成DSP 信號處理器中完成，系統的總體架構示意圖如圖1 所示，主要由胎壓傳感器、VIX 總線、無線傳感網絡組網、中央處理器（集成控制，嵌入式ARM 處理器設計）、檢測輸出及人機交互等模塊構成，基于HART 通信協議通過綜合設計智能檢測系統的硬件電子線路及相應組網體系實現了胎壓檢測信息與結果的高效準確的網絡傳輸過程，具體通過使用壓力傳感器完成對胎壓數據信息的檢測與采集，并在檢測汽車胎壓時通過時鐘控制電路實現對時鐘采樣和中斷復位功能的有效控制，檢測系統的中央集成控制功能通過嵌入式ARM處理器的綜合運用實現，控制指令傳輸與集成信息處理主要由VIX 總線模塊負責完成。根據檢測系統的實際應用環境對檢測系統的技術指標進行研究和分析，系統以DSP 和RAM 作為核心處理器，采用檢測系統數據信息的智能化處理過程通過中央處理器模塊實現，并在此基礎上實現系統正交解調控制模塊的建立，檢測系統的主要功能模塊（包括外圍結構）在ARM 處理器的控制下完成開發過程，自動檢測胎壓時通過VIX 總線模塊的構建實現接口模塊的有效設計與使用，采用上位機通信協議在嵌入式人機交互環境下完成系統網絡的模塊化設計以及檢測模塊的組網設計，胎壓智能檢測系統功能架構示意圖如圖2 所示，根據功能模塊的構成對各模塊中的指標參數進行逐一分析，據此實現檢測系統框架的功能[4]。

圖1 胎壓智能檢測系統總體架構示意圖

圖2 檢測系統功能模塊組成

2.2 技術指標設計

該文胎壓檢測系統的技術指標為:1）在自動檢測汽車胎壓過程中需進行介于-20～+20 dB 的動態增益范圍內的DA 信息轉換，電壓調節的幅度為±10 V，構建放大器、放大量（總線控制）為40 dB，MAC 層同上位機間通過使用talk-when-ready 函數實現高效通信，以自動檢測到的傳感壓力信息為依據自動調節汽車胎壓；2）采用8 通道同步并可異步輸入的功放管和變壓器，由胎壓信息傳輸基陣完成總線調度（通過AD 采樣，信息的采樣率大于或等于200 kHz），檢測的A/D 分辨率≥24 位，輸出信號的分辨率≥12 位，程序交叉編譯功能通過采用可編程邏輯控制函數（8 位和16 位）實現；3）胎壓自動檢測的負載功率最小為240 W，該文在設計系統程序處理器時選用STM32F101 作為主控芯片，系統的物聯網組網基于ZigBee 組網環境完成設計過程[5]。

3 系統核心模塊的設計與實現

3.1 檢測算法的優化設計

3.1.1 胎壓數據分析

針對胎壓智能檢測系統綜合運用信號檢測和大數據信息分析法實現相應的信號采樣與胎壓監測功能，使用大數據融合方法完成對由胎壓傳感器自動提取到的胎壓數據信息的自動檢測與識別，并通過使用相干性調制方法對檢測過程中的動態擾動問題進行有效地抑制處理，在此基礎上提取出檢測數據的統計特征量由φ=(φ1,φ2,…,φn)表示（一種自適應特征分布矢量集），模糊決策向量由α=(α1,α2,…,αn)T表示，再將胎壓檢測數據采用傳感融合跟蹤識別方法實現加權分布矩陣的獲取，具體表達式如下[6]：

上述統計特征量代表對汽車胎壓狀態的評估，再對胎壓數據通過相關性融合方法完成統計分析，進而從中提取出關聯特征量，據此完成汽車胎壓的狀態檢測和評估，胎壓自動檢測過程結合運用DSP，然后求取胎壓采樣數據的統計平均值，自適應濾波處理輸出信息，胎壓檢測數據的統計平均量通過采用聯合時頻分析方法獲取，具體表達式如下：

由汽車胎壓的正交向量構成的φ同屬于正交矩陣，針對胎壓評估的信息融合矩陣滿足φTφ乘積等于單位矩陣的條件，實時動態檢測過程以胎壓輸出的異常信息為依據，結合運用16 位傳感陣列檢測方法（具備超低功耗優勢的MSP430 系列）獲取由α=φTx表示的胎壓檢測的傳感信息輸出，具體表達式如下[7-8]：

對胎壓特征向量（n個）通過大數據挖掘方法的使用完成胎壓數據分布集的挖掘過程，從中選取n個由A=(φ1,φ2,…,φn)表示的檢測信息的變換矩陣，針對汽車胎壓數據根據實際需要采用相關信息檢測方法完成關聯規則挖掘及濾波檢測處理。

3.1.2 胎壓檢測輸出

檢測胎壓時使用相干性調制方法有效抑制存在的擾動問題，采用大數據挖掘方法處理提取出的統計特征量獲取胎壓向量估計值x的表達式如下[9-10]：

接下來通過使用信道補償控制方法完成參量估計，分析胎壓的檢測誤差時使用聯合回歸分析方法（包括單分量和多分量），誤差分布的表達式如下：

采用分組樣本回歸分析方法得到ε2的最小值，統計分析胎壓采樣數據并對其進行特征提取，得到由bi表示的檢測統計量需滿足：

在此基礎上求得胎壓負載分布模型，根據大數據挖掘結果獲取胎壓特征量的分布情況，表達式如下[5]：

接下來計算特征分布的協方差矩陣，假設R表示特征分布區間，監測的特征值在R上的第j個原始特征向量值由λ（j其所對應的原始特征向量值由φj表示）表示，誤差的均方差表達式如下：

3.2 硬件模塊化設計

在完成上述胎壓自動檢測算法設計的基礎上，在DSP 處理芯片中通過使用程序加載控制方法完成該算法的寫入過程，據此設計胎壓檢測系統包括傳感信息采集、總線控制、集成控制、信號分析等在內的主要硬件模塊，并采用HART 通信協議實現檢測系統的物聯網組網設計，在ADSP21160 處理器環境下完成以下系統模塊設計：1）胎壓傳感信息采集模塊，主要負責完成對胎壓數據的自動檢測與分析，具體通過使用嵌入式硬件設計技術完成，汽車胎壓的原始數據信息主要通過使用傳感器完成采集過程，并基于HART 通信協議完成總線傳輸結構模型的構建，以便有效實現網絡傳輸控制過程，進而實現同檢測系統其他模塊間的通信功能，該智能檢測系統使用總線傳輸方法（132 Mb/s）完成對傳輸鏈路總線的設計。2）集成控制模塊（構成整個檢測系統的關鍵部分），通過ADSP21160 處理器進行集成控制，該模塊選用BSRAM 作為底層芯片實現對智能檢測系統的信道的均衡配置（基于HART 通信協議），使用BPSK 調制技術設計信道均衡器，系統的程序加載及自適應控制功能通過綜合運用交叉編譯控制技術實現[11-12]。3）信號分析模塊，主要通過全雙工的同步串行接口的構建完成集成信號處理功能，通過端口A/D 模塊（兼容SPI）實現對自動檢測信號的高速A/D接收，系統的時鐘采樣功能通過使用PXI 觸發總線實現。4）總線控制和人機交互模塊，在HART 通信協議下，主要用于實現系統數據信息的傳輸集成控制和交互功能（具有自適應的特點），電平轉換通過構建的時鐘電路完成，通過4 路聯合Cache的使用實現系統的物聯網組網設計（在功率放大器的輸出端），在此基礎上實現總線控制和人機交互功能[13-14]。

4 系統測試與結果分析

設計仿真實驗對文中所設計的胎壓檢測系統的自動檢測功能的有效性進行測試，先基于Visual DSP++完成實驗環境的構建，測試時間設為120 s，采樣點數為1 024 點，設置120 dB 的D/A 轉換控制增益，檢測組網和Sink 的節點數分別為4 和2 個，胎壓監測功能在人機交互模塊中實現，將文中方法同文獻[3]和文獻[4]中的方法進行對比，實驗檢測結果如圖3 所示，文獻[3]方法的穩定性及檢測準確率較低，文獻[4]方法的穩定性較好但準確率不高，相比其他兩種方法該文方法自動檢測的穩定性及準確率得到明顯提高（平均準確率在92%左右），表現出良好的檢測性能。該文系統的胎壓檢測結果輸出如圖4所示，基于HART 通信協議有效實現了系統的物聯網組網設計功能，實驗結果驗證了該文系統的可行性，具有一定的實際應用價值[15]。

圖3 胎壓智能檢測系統準確率對比結果

圖4 胎壓檢測結果輸出

5 結束語

該文主要設計了一種汽車胎壓智能檢測系統和胎壓自動檢測算法，基于HART 通信協議通過無線傳感器網絡的使用實現了針對檢測系統的網絡組網設計以及檢測系統組網結構模型的構建，在提升無線傳感器組網能力的同時使自動檢測的準確性得到有效提高，對提取出的汽車胎壓數據通過采用相干性調制方法使檢測時的擾動問題得以有效避免，在此基礎上將胎壓檢測數據的統計特征量有效提取出來，測試結果表明本文所構建的檢測系統具有較高的準確率和時效性，能夠更好地滿足汽車胎壓檢測要求[16]。