1、自動化儀表大作業輪胎胎壓自動監測系統 在線檢測胎內壓力和溫 度，具有實時液晶顯示及報警功能 學校：洛陽理工學院 專業：自動化 日期： 2013年 5月12日摘 要: 輪胎壓力監測報警系統 (Tire PressureMonitoring System)(TPMS) 是汽車安全領域重要電子裝置 ,近年來已開始獲得廣泛應用 ,但傳統的 TPMS 產品多為內置式 ,安裝在輪胎內 ,安裝和維護時需要拆卸輪胎造 成很大不便 ,同時輪胎里的金屬輪輞對位于胎內的壓力傳感器和無線 發射裝置有很強的屏蔽作用 ,信號衰竭很快 ,要保證信號傳輸到位于駕 駛室內的接收器 ,必須提高發射功率 ,從而大大縮短發射器的電池

2、使用 壽命。針對這些技術問題 ,提出了一種新型外置直接式數字胎壓監測 系統,它的胎壓監測節點核心器件 MCU 選用 Infineon 的專用壓力處理 器芯片SP30該芯片內置MEMS壓力傳感器可通過外連氣門芯直接 測量胎內氣壓 ,再通過無線方式與上位接收器進行無障礙無線傳輸通 信 ,避免了信號屏蔽 ,延長了電池和產品的使用壽命以及安裝成本。給 出了新型外置直接式 TPMS 產品的具體硬件設計、 軟件流程和通信協 議。測試表明該系統的無線信號傳輸可靠、抗干擾能力強、輪胎位置 識別準確、反應靈敏、安裝與維護方便及組態靈活等特點、有著廣泛 的市場應用前景。關鍵詞:無線傳輸；胎壓監測;壓力傳感；編碼；

3、TPMS胎壓監測系統(TPMS)能在汽車行駛期間實時監測輪胎內氣壓變 化 ,并對胎壓和溫度異常進行報警,有效避免爆胎事故的發生。目前,TPMS系統分為兩種類型：(1)間接式TPMS通過汽車ABS的輪速 傳感器來比較輪胎之間的轉速差別 ,以監視胎壓變化 ,這種方式可靠性 不高；(2)直接式TPMS利用安裝在每個輪胎上的壓力傳感器來直接測 量胎壓 ,并與駕駛臺的監視器無線通信 ,實時顯示每個輪胎內的氣壓 , 這種方式簡單可靠。但是 ,許多汽車廠商只是在生產新車時采用內置 安裝方法配置直接式 TPMS,這樣不可能從根本上解決保有車輛加裝 TPMS 的問題 ,安全隱患依然存在 1-2 。直接式輪胎壓力

4、監測系統是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳 感器來直接測量輪胎的氣壓。很明顯,直接傳感系統更有效 ,是當前TPMS 的主流和發展趨勢。直接式輪胎壓力監控系統又分為主動式 (Active)和被動式(Passive兩種。被動式輪胎壓力監控系統的傳感器是 采用聲表面波(SAW)來設計的，雖然此技術不用電池供電，但是它需要 將轉發器(Transponder整合至輪胎中，這牽涉到各輪胎制造商需建立 共同的標準才有可能。利用該技術研發的產品由于通訊距離短 ,需要 在每個輪胎旁安裝發射天線 ,所以應用范圍受到限制 3。主動式 TPMS 是采用在硅基上利用 MEMS 工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器 , 將壓

5、力傳感器安裝在每個輪胎上 ,通過無線射頻的方式將信號傳送出 去,安裝在駕駛室里的無線接收裝置接收到該壓力信號 ,經過一定的信 號處理 ,顯示出當前的輪胎壓力。主動式技術的優點是技術比較成熟,開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎 4。本文介紹一種新型外置直接式數字胎壓監測系統,該系統的胎壓監測節點安裝在輪胎氣嘴上 ,直接監測胎內氣壓 ,再通過射頻信號傳送 至駕駛室內的上位接收機 ,實時顯示每個輪胎內的瞬壓 ,當輪胎氣壓不 正常時及時發出警報 ,保障行車安全。該系統在通信可靠性、實時性、 靈活性等方面有著明顯的優勢，填補國內TPMS后裝市場的空白，有著 廣泛的應用前景。1 TPMS系統原理和總體結構

6、TPMS系統主要由胎壓監測節點和接收機兩部分構成 ，系統結構框圖如圖1、圖2所示）石”一肚.糾jj 一| 莊 1W. 電笊兇I 畔比常旳詁&申怦-倦杓圖圖1中，壓力傳感器采集輪胎壓力和溫度信號，經A/D轉換,MCU獲得 壓力值和溫度數據，遵循特定的通訊協議進行編碼后，再由RF發射芯 片和天線將編碼后的數據發射出來；圖2中,安裝在駕駛室內的接收機 接收到胎壓監測節點發射的高頻信號，經去噪濾波后，射頻接收芯片解 調出該信號，送至接收機MCU,接收機MCU再遵循特定的通訊協議， 將接收到的信號進行解碼，讀取各個輪胎的方位和對應的壓力、溫度 值,然后進行分析、存儲和顯示，并對故障輪胎發出實時報

7、警。2 TPMS系統硬件設計與實現2. 1胎壓監測節點胎壓監測節點采用輪胎氣嘴上安裝的外置式安裝方式，所以要求 胎壓監測節點小型化，傳感器采集精確、響應快，功耗低，無線通信效果 好，性能可靠。為此，胎壓監測節點的主控芯片采用Infin eon公司生產 的SP305,它是一款嵌入式RISC處理器，采用8位哈佛結構，二級流水 線指令，快速的執行時間大大降低功耗，適用于電池供電的設計。SP30 內置傳感器硬模、看門狗定時器、多通道15 bitADC和兩個片上振蕩器,支持空閑掉電等多操作模式，支持低頻喚醒(Low FrequencyWakeup)和內部時鐘喚醒(In-tervalTimerWakeup

8、)中斷機制等等，因為微控制器外設功能全面，所以硬件設計電路非常簡單，從而提高了胎壓監測節點的穩定性。胎壓監測節點硬件設計框圖電路如圖 3所示。働傳穆器| - P1(JRrFfrttiW 1 ;11 ;RISCIM件存儲a?GP1O 啲 |"和丼陪1 片上掠苗訥|LROMII1冷歆TXF>J KMTH) DXTA PAOUTM1CKFL12圖3胎壓監測節點硬件設計框圖壓力傳感器芯片內部將兩個低成本 的硬模直接封裝在一起，通過芯片內的增壓管直接測壓力和溫度，芯片 內部嵌入低噪聲放大器和 ADC,采集精度高。MCU使用固件(Fireware) 直接控制AD轉換和讀取胎內氣壓值與溫度。

9、MCU使用軟件中斷方 式調用固件，以執行ROM中的LIB函數，LIB函數中大量的特殊循環 控制和循環移位指令優化了代碼，SYS(軟件中斷)的機制隱藏ROM的 字節傳送，使得固件在應用程序中不可見，大大簡化了固件讀取模擬量 的軟件編寫工作。獲取輪胎壓力值和溫度后，胎壓監測節點通過射頻發射芯片向接 收機發送報文，本設計中射頻發射芯片選用Micrel公司生產的MICRF1126,其操作電壓范圍為1. 83. 6 V,適用于電池供電；發射頻 率范圍為380MHZ-450MHz,輸出功率最大可達+10 dBm,可選擇調制ASK或FSK的編碼數據，數據（ASK, 433. 92 MHz,曼徹斯特編碼數據）

10、 傳輸率高達50 kbit/s。該芯片功能強大，射頻信號傳輸可靠、抗干擾能 力強。為保證胎壓監測節點的可靠運行，SP30使用芯片內部的看門狗 定時器，它能阻止系統故障和掉電時的電池放電。在胎壓監測節點發 生故障時，看門狗定時器溢出，SP30強制進入掉電模式。進入掉電模式 后，內部時鐘開始計數，直至計數溢出，同時產生一個RESET中斷復位 微處理器（也可通過低頻喚醒直接產生一個RESET中斷復位微處理器）。胎壓監測節點預留有一個 Monitor接口，既可用于芯片編程，又可 在線監控胎內氣壓、溫度、電量等模擬量的采集和校驗精度，調試方便靈活。2. 2 TPMS接收機TPMS接收機安裝在汽車的駕駛室

11、內，而胎壓監測節點安裝在輪 胎上,行駛過程中節點在不停的旋轉運動，還受到氣候影響變化，所以兩者之間的通信環境非常惡劣，這就要求TPMS接收機必須能夠高靈 敏度地響應節點發送的射頻信號。本設計選用Micrel公司生產的MICRF2117作為射頻接收芯片和 Mirco-chip公司的生產 PIC16F8868作為接收機處理器。接收機硬件電路圖如圖4所示。MKRF11II 際FT K 3JPT,M i 16IIf API *.圖4接收機硬件設計框圖MICRF211僅需要很少量的外圍器件就能構成一個完整的射頻接 ASK或00K的編碼數據,MICRF211芯片抗 干擾能力強，接收效果非常出眾線，接收靈敏

12、度可達 -110 dBm。PIC16F886是一款的高性能RISC微控制器，處理速度快，200ns執行一 條指令，芯片內置高耐用性閃存單元、增強型USART模塊、看門狗定 時器和主同步串行口(Master Synchronous Serial Por,t MSSP)模塊，功 能強大，抗干擾晶顯示器實時顯示節點方位、壓力值、溫度和電量狀 態,使用菜單式界警胎壓、巡檢頻率、功能模式、操作優先級等)，這些參數通過PIC16F886的MSSP模塊保存在 EEPROM芯片24 LC169 里。為保證接收機可靠運行，PIC16F886使用芯片內部的看門狗定時器 在處理器發生故障，看門狗定時器溢出，同時產生

13、一個信號復位微處理 器。芯片還留有ICSP調試口，可以編程和在線監測處理器的運行，調試 簡單方便。由于接收機和胎壓監測節點之間采取433.92MHz載頻進行信號傳輸，因此在PCB設計時應遵循高頻電路設計規則10-11,對發 射和接收天線也應仔細匹配與調整12。接收機和與氣門嘴相連的胎壓監測節點實物圖如圖5和圖6所示圖5接收機和傳感發射器實物圖圖6胎壓監測節點實物圖3 TPMS系統軟件設計及通信協議數字式TPMS系統軟件分為胎壓監測節點軟件和接收機軟件，其中每 個胎壓監測節點的軟件控制策略和通信協議是保障 TPMS系統正常 工作的關鍵13。3. 1胎壓監測節點軟件設計及通信協議胎壓監測節點軟件流

14、程如圖7所示:首先初始化微控制器SP30的 寄存器的參數，看門狗定時器打開，MCU直接進入運行模式，先測量輪 胎壓力和胎內溫度，遵循特定的通訊協議進行校驗碼計算和數據幀編 碼,然后無線發送N次相同的數據幀；發送完成后，延時等待看門狗定 時器溢出,CPU進入掉電狀態；2 min后,SP30內部時鐘定時喚醒,CPU 從掉電模式進入運行模式，如此循環反復執行。圖 7 胎壓監測模塊軟件流程圖胎壓監測節點與接收機通信協議是通過無線數據幀來實現的。 胎壓監 測節點向接收機發送數據幀采用固定的數據幀長度進行,具體數據幀格式如表 1 所示。表 1 TPMS 系統無線通信數據幀格式數據幀 7 6 5 4 3 2

15、 1 0字節 1 Un used 電量值 ID12 ID11 ID10 ID9 ID8字節 2 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0字節 3 壓力值字節 4 溫度值字節 5 校驗碼3.2 TPMS 接收機軟件設計接收機的軟件流程如圖 8 所示 ,TPMS 接收機上電復位后 ,初始化PIC16F886的內部寄存器，等待接收數據幀；接收到數據幀后，先判斷數 據幀是否有效 ,如果校驗不對 ,則將數據丟棄 ;如果數據幀是有效的 ,再 判斷接收機是否處于自學習狀態 ,如果處于自學習狀態 ,則調用自學習 模塊,將 ID 信息保存至接收機內 ,如果處于普通工作狀態 ,則實時顯示 壓

16、力值和溫度 ,如發生故障就報警。為解決輪胎位置識別問題和保證I丄電業心i-4竽特搖收效辦鎖h-r*長1圖人自供號awJ I t1學習站丸H安裝方便，胎壓圖8接收機軟件流程圖 監測節點外殼貼有LF(LeftFront)左前輪、RR(RightRear)右后輪等標簽， 而且接收機處在自學習狀態時，必須將液晶顯示的輪胎位置和標簽對 應,自學習完成后勿需再做修改。實踐證明，采用接收機自學習方式組 態靈活，完全能解決TPMS系統輪胎位置識別問題。4胎壓監測節點機械結構設計胎壓監測節點安裝在輪胎外面的氣嘴上，稱為/外置式0安裝方式，因此 節點的體積小、重量輕、防漏氣和安全防盜是機械結構設計的關鍵問 題。胎

17、壓監測節點的機械結構如圖9所示。圖9胎壓監測節點的機械結構圖具體的胎壓監測節點安裝過程為：把胎壓監測節點的A部位旋入到輪 胎的氣門嘴上，空心柱頂開氣嘴的心軸，氣體溢出，通過空心柱中心孔 傳到密封墊上部的氣室中，再由氣室中的壓力傳感器芯片檢測胎壓；胎 壓監測節點的外殼和底蓋密閉，保證傳感器芯片、線路板、電池和天 線的防塵防水和節點模塊的防盜功能。設計中采用可更換電池的方法 和外置式的安裝第9期楊旸閔云龍等:基于MEMS壓力傳感器的外 置式數字胎壓監測系統技術，即使電池電量耗盡或者更換輪胎，節點模 塊也能反復使用，與同類TPMS產品相比，極大提高了產品的使用壽命， 也大大降低了成本。5系統測試結果

18、5.1操作臺模擬測試在數字TPMS系統的軟硬件設計完成以后，在操作臺上進行發射和接 收系統的模擬測試，從示波器上讀取發射和解調數據幀，如圖10所示, 其中圖10 (a)、10(b)是經過調制的發射數據幀，10(c)是接收到的相應 解調數據。5.2 TPMS車載測試TPMS車載測試為高速路面，汽車行駛速度為60120 km/h，環境溫度 為2528e胎壓監測節點每次發送兩幀數據，每次時間間隔為2 min,在6 h內，氣壓和溫度數據 接收數在 330 幀以上,信號接收可靠度超過 91%,已完全達到了設計的 預定要求。5.3 可靠性測試數字 TPMS 系統安裝在臺架上 ,并接入 TPMS 專用數據測試系統進行 可靠性測試。環境溫度為 2230e,4 個輪胎的充氣氣壓值分別為左前 胎32.4 ps,i右前胎34. 1 ps,i左后輪34. 7 ps,i右后輪33. 6 ps。胎壓監 測節點發射無線數據的時間間隔為5 min,輪胎正常狀況下無線傳感器每次發送一幀數據，臺架旋轉速度為60180 km/h,在4 h內,氣壓和