轮胎压力与温度检测系统设计.docx

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轮胎压力与温度检测系统设计

汽车轮胎压力和温度监测系统设计

摘要

在汽车高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。

保持标准的压力和温度是防止爆胎的关键。

轮胎压力温度监视系统（TPMS）主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压温度进行自动监测，对异常情况进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。

目前TPMS主要有两种类型：

间接式和直接式．从测量精度和实时性来说．直接式优于间接式。

TPMS系统主要有二个部分组成：

安装在汽车轮胎里的传感器模块和安装在汽车驾驶台上的系统主机。

一个TPMS系统有4个传感器模块。

系统主机向传感器模块发送激励信号，传感器模块响应系统主机发送回波信号，系统主机处理信号后把轮胎的压力和温度信息数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。

如果轮胎的压力或温度出现异常，则报警，提醒驾驶者采取必要的措施；同时驾驶员可以根据实际情况设定温度和压力报警上下限。

关键词：

TPMS，自动监测,传感器,主机系统

Abstract

High-speeddrivinginthecar,tirefailurewasmostworriedaboutallthedriversandthemostdifficulttoprevent,anditisimportanttosuddencausestrafficaccidents.Maintainthestandardpressureandtemperaturearethekeytopreventpuncture.Tirepressureandtemperaturemonitoringsystem（TPMS）ismainlyusedinthecardrivingonthetirepressurewhenthereal-timeautomaticmonitoringoftemperature,warningofabnormalsituationstoensuretrafficsafety,isthedrivers,passengers,protectionoflifeandsafetyofearlywarningsystems.CurrentlytherearetwotypesofTPMS:

indirectanddirectstyle.Accuracyandreal-timefromit.Directisbetterthanindirect.TPMSsystemhastwomainparts:

theinstallationofsensorsinthecartiresinthemodulesandinstalledinthecaronthebridgeofthesystemhost.ATPMSsystemhasfoursensorsmodules.Systemofthehosttosendtheexcitationsignalsensormodule,sensormodulesendsechoresponsesystemhost,thehostprocessingsystem,signalthetirepressureandtemperatureinformationanddatadisplayedonthescreenforthedriverinformation.Ifthetirepressureortemperature,abnormal,thenthealarmtoalertthedrivertotakethenecessarymeasures;whilethedrivercansetthetemperatureandpressureoftheactualsituationofalarmlimits.

Keywords:

TPMS，automaticmonitoring，sensor，Hostsystem朗读

第1章引言

1.1课题背景

随着汽车工业的飞速发展，人们在享受汽车高效便捷的同时，交通事故率也在不断提高，据统计，在高速公路上发生的交通事故有70％-80％是由于爆胎引起的。

怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。

据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。

而TPMS系统无疑将是理想的工具．TPMS主要用于在汽车行驶时对轮胎气压温度进行实时自动监测[1]，及时发现车胎漏气并发出警报，在事故发生前帮助驾驶者采取相应措施，防止爆胎以减少或避免交通事故的发生，是驾驶者、乘车人及道路行人生命安全的保障预警系统[2]。

TPMS是当前汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车智能安全及环保节能的发展方向，将成为汽车必备的全驾驶配备之一；TPMS具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益，它的广泛应用将是一个永恒的主题。

1.2课题研究的意义

轮胎压力监测系统可以带来显著的社会效益和经济效益。

轮胎压力监测系统的社会效益包括两方面：

1）大大减少因交通事故引起的人身伤亡和经济损失。

轮胎安全对汽车安全行驶的影响极大，在轮胎出现故障或异常时通过轮胎压力监测系统—TPMS及时地对驾驶员进行预警，可以提高轮胎的安全性能，进而可以有效地降低汽车行驶，特别是高速行驶时发生交通事故的可能性。

2）减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问题。

据世界卫生组织最新统计结果，目前全世界每天有超过500万条废轮胎被丢弃。

由于废旧轮胎回收和处理上的困难，目前全球己有数以亿万计的轮胎等待处理，成为了环保的一大顽疾。

另外实验证明，轮胎压力和汽车的燃油经济性有着密切的关系。

行驶相同的距离，轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油，同时也排放出更多的尾气。

通过使用轮胎压力监测系统及时的发现轮胎气压的异常，就可以有效的解决因轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。

随着经济的增长和汽车整体价格的下降，将会有越来越多的消费者具有购买汽车的能力和愿望。

另一方面，随着因轮胎压力问题引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加，越来越多的厂家开始重视轮胎压力与温度监测问题，目前已经有国家出台法律规定要求在汽车中配置轮胎压力监测系统。

在不久的将来，轮胎压力监测系统将会和ABS、安全气囊一样成为汽车的标准配置。

巨大的需求将会产生巨大的市场，许多与轮胎压力监测系统相关的企业将会出现，创造巨大的经济效益。

1．3TPMS的历史、现状和发展趋势

轮胎压力监测系统—TPMS的概念出现在上世纪80年代，到90年代已经有部分欧洲的高档轿车配备了用于测量轮胎温度和压力的传感器。

到90年代末，轮胎压力和温度问题开始备受人们关注，这是因为当时的一些汽车组织对1995年汽车事故的研究过程中发现，在1995年发生的致命的汽车交通事故中，有647次与汽车轮胎胎压有关。

美国《轮胎商业》杂志对766辆汽车的统计表明，有72．3％的汽车的轮胎胎压不足。

由此可见，一方面轮胎压力和温度对交通安全有重要影响；另一方面，缺少一种可以方便的帮助汽车驾乘人员查看汽车轮胎压力和温度状况的设备。

所以，轮胎压力监测系统开始迅速发展。

最初的轮胎压力监测系统是间接式TPMS，它的最大优点是不受压力传感器的限制。

随着传感器技术的发展，压力传感器产品已经能够满足TPMS系统的要求，从此以后直接式TPMS开始迅速发展。

在国际市场，2000年5月，直接式TPMS在美国上市；许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中。

国内汽车制造巨头也已开始考虑将TPMS作为原厂装备的标准配置。

在已有的TPMS系统中，有直接式和间接式两种类型。

直接式TPMS系统首先需要传感器实时测量每一个轮胎中的压力和温度，然后利用无线通信方式与TPMS主机进行通信，主机可以显示各个轮胎的气压和温度信息，并且在轮胎气压过低、过高、有漏气或轮胎内温度异常时发出声音警报。

间接式TPMS系统的依据是：

当行驶中的汽车的轮胎气压变化时，车身的重量会使轮胎直径变化，轮速也会发生变化；此时通过汽车ABS（自动防抱死系统）的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，就可以达到监视胎压的目的。

和直接式TPMS系统相比较，间接式TPMS系统相对便宜，已经装备了4轮ABS（每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级即可使用间接系统。

但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，而且无法监测出多个轮胎同时低压或高压的情况，这些缺陷限制了间接式TPMS系统的发展。

另一方面，随着传感器技术的发展，压力传感器的成本已经大幅度下降。

由此可见，在未来的TPMS系统中，直接式TPMS系统必将占据主导地位[3]。

第2章TPMS原理及分类

2.1间接式TPMS系统

间接式TPMS不需要另外安装传感器。

它主要通过建立轮胎压力与车轮转速或轮胎的周向扭转刚度的关系模型来间接求出轮胎压力。

目前主流间接式TPMS是借用ABS中的轮速传感器来获得4个轮胎的转速。

当某个轮胎的气压下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大。

系统通过比较两条对角线上车轮转速的总和（右前和左后轮速的总和与左前和右后轮速的总和）来判断是否出现气压下降。

这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。

如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统就会发出错误报警。

目前主流间接式TPMS存在明显的缺陷，这主要表现在：

1）当前间接式的TPMS系统必须比较处于对角线上的两轮速度之和，不能比较前后两车轮的速度。

2）当4个轮胎同样胎压不足时或者同一轴上两轮，同一边的两轮同样胎压不足时，系统不能够监测出来，而只能当两轮处于对角线上能监测出来；当速度超过100km／h的情况时，系统就不能够正常工作了；只有在单个轮胎或对角线上的两个轮胎以及3个轮胎的气压低于其他轮胎气压的30％以上，才能监测到低压现象。

NHTSA在调查中发现，使用目前间接型TPMS的轮胎，在处于明显低压状态时，只有占调查总数的50％发生了报警，而直接型TPMS都能发出报警。

2．2直接式TPMS系统

直接式TPMS利用安装在每一个轮胎里的压力传感器直接测量轮胎内气压，当轮胎欠压或者有渗漏时，系统报警。

它由多个发送端和一个接收端两部分组成，如图2-l所示。

发送端安装在轮胎上，由温度传盛器、压力传感器、MCU、无线发射器和电池组成。

MCU对采集到的数据进行分析处理，控制射频发射器向接收端发送数据。

接收端安装在驾驶室的面板上，由无线接收器、MCU、人机接口以及声光报警装置组成，负责接收、显示轮胎状态信息，在轮胎状态异常时发出警报，并提供系统设置功能。

图2-1直接式TPMS示意图

直接式TPMS按照发射端安装位置的不同分为外置式和内置式。

外置式TPMS一般安装在轮胎的气门芯上，内置式TPMS的发射端安装在轮胎内部，一般是轮毅上，也有将发射端在生产轮胎时就埋入轮胎胎壁内的。

直接式TPMS按原理的不同又可以分为机械式TPMS、基于MEMS工艺传感器芯片的主动式TPMS、基于SAW技术和基于RFID技术的被动式无源TPMS等。

在此着重介绍下基于SAW技术的无源TPMS。

SAW是由英国物理学家瑞利在1885年发现的，即在弹性晶体表面能发出某种频率的表面声波，也称为瑞利波。

科学家们利用SAW研制出各种不同的SAW组件，可产生不同的频率响应。

SAW型传感器[4]是在轮胎的表面嵌入薄石英片，通过压电效应将压力信号转换为相应的响应频率信号，并在询问频率的诱发下，返回相应频率，从而测量行驶种汽车的压力和温度等参数。

发射机发射RF信号给SAW。

当轮胎内的压力或者温度变化时，SAW发射回来的高频信号也相应变化，天线接收到这些变化了的RF信号后，送入处理器，根据特定的算法就可以知道轮胎内的压力、温度情况。

由于SAW是无源器件[5]，所以无需电池，而且质量较小，可在高温等恶劣环境下工作。

目前，基于SAW的产品还在研发阶段。

第3章系统设计要求

TPMS系统由采样发射模块和接收主机构成。

采样发射模块安装在轮胎内，接收主机安装在车厢内。

接收主机通过激励信号实现对传感器的有效激励，信号被传感器的天线接收后，由IDT经逆压电效应转换成SAW信号在基底表面传播，SAW信号被反射器所反射．反射信号再经过IDT的压电效应转换成电信号，并通过与IDT相连的天线转换为一系列RF脉冲回波信号。

接收主机的解调电路将发射模块发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给微控制单元。

微控制单元做出相应的处理，如更新当前压力值，声光报警等，从而实现轮胎的压力显示和监控。

由传感器、微控制单元、接收等主要芯片组成TPMS系统。

3．1系统工作环境

轮胎压力监测系统是用于测量轮胎压力、温度。

它的发射部分被埋置于轮胎内部，工作在轮胎封闭的环境中[6]。

故而轮胎的压力信息传递必须通过无线通信来解决。

工作时轮胎处于高速旋转的状态，因而必须固定牢靠。

此外，目前汽车轮胎大部分为无内胎轮胎，发射装置可固定在轮毂上。

当发射部分随着轮胎转到背向主机时，由于金属轮毂对信号有屏蔽作用，接收灵敏度将有所下降。

3.2系统功能要求

胎压、温度监测系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力、温度异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警。

本课题研究的系统是被动直接式轮胎压力监测系统。

系统在汽车行驶状态下通过激励信号实现对传感器的有效激励，传感器模块实时测量轮胎压力和温度，将测得的状态信息发送到安装在驾驶室内的系统主机，并通过主机的液晶显示器显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，出现异常则发出报警信号。

此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。

但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。

为了延长轮胎的使用寿命，定期对轮胎进行换位。

轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。

因此，所设计的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能[7]。

总结该系统功能具体如下：

（1）实时监测个轮胎的压力情况；

（2）可设定各轮胎的压力报警上下限；

（3）当某个轮胎的压力过高、过低时，显示该轮胎的ID、温度和压力，并发出报警；

（4）轮胎保养换位后，各轮胎ID可重设；

（5）可手动读取各轮胎当前压力值。

3．3系统技术要求

轮胎压力监测系统的作用主要是防止在汽车高速行驶中轮胎气压过低。

发射系统处于轮胎的封闭状态中，系统体积要小；SAW传感器耦合的能量有限，故而要求功耗低。

综合起来，该产品的主要技术要求如下：

（1）体积小，尤其是发射装置的体积要尽可能的小；

（2）功耗低，尤其是发射装置的功耗要尽可能的低；

（3）仪器的抗干扰和噪声的效果要好；

3．4报警阀值设定

汽车轮胎压力监测系统应密切监视轮胎内部胎压及温度。

当胎压高于或低于标准胎压的20％时就非常危险应予报警，同时根据高温对轮胎性能的影响，得出当胎温高于85℃时应给予报警。

本文所设计的汽车轮胎压力监测系统的低压报警阀值为标准胎压的85％，高压报警阀值为标准胎压的120％，高温报警阀值为850C。

第4章系统设计

4．1声表面波传感器

4.1.1声表面波传感器介绍

声表面波器件是一种信号处理器件，包括延迟线、带通滤波器、谐振器等。

由于声表面波的传播速度通常只有电磁波传播速度的十万分之一，所以声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小许多，如1km长的微波传输线所得到的延迟，只需传输路径为1cm的声表面波延迟线即可实现。

因此，压电基片上叉指换能器的这一功能非常适合电子模拟信号处理，能实现多种模拟信号处理功能。

因此，声表面波器件凭借其高精度、高重复性、高稳定性、体积小等优点[8]，在雷达、通讯、遥测遥控和传感器等领域得到广泛应用。

SAW传感器[9][10]是SAW器件的一个应用分支，它出现在上世纪70年代，起初，人们发现外界因素如温度、压力、电场、磁场、气体和某些化学物质，对声表面波的传播特性会造成影响，所以研究这些影响与外部因素之间的数学关系。

从而出现了各种应用结构，用于测量各种化学、物理的被测参数。

随着微电子技术、集成电路技术、计算机技术和材料、微细加工技术的迅速发展，声表面波传感器研究也蓬勃发展起来。

按工作模式的不同，SAW传感器可以分为如下两种[11]：

延迟线型和谐振器型。

延迟型主要采用编码脉冲或扫频信号方式激励，而后者多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。

对于延迟型传感器，当外界被测量发生变化时，通过传感器的信号时延或相位将发生变化，检测该时延或相变，就能确定被测量大小。

谐振型声表面波传感器仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，而固有频率会根据外界被测量变化而发生变化，所以可以利用谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，确定被测量大小。

声表面波技术有如下特点[12]：

（1）声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度和波长小十万倍。

在VHF和UHF频段内，电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。

因此，在同一频段上，声表面波器件的尺寸比相应得电磁波器件的尺寸减少了很多，重量也随之大为减轻。

（2）由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度极慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上。

于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时，就容易对信号进行取样和变换。

这就给声表面波器件以极大的灵活性，使它能以非常简单的方式去完成其他技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。

（3）由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量生产，而且当使用某些单晶材料和复合材料时，声表面波器件具有极高的温度稳定性。

（4）声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，可达100dB。

这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。

4.1.2谐振器型传感器[13]

4.1.2.1谐振器型传感器的结构

谐振型声表面波无源传感器结构如图4-1所示，也是由压电基板、叉指换能器（IDT）和左右的反射栅组成。

不同的是在该结构中，每一电极的间距是相等的，为L，左、右反射栅与IDT的距离均为d。

其中声反射镜构成一个声学谐振腔，而IDT将激励的能量引入和将谐振腔中能量输出。

图4-1谐振型声表面波传感器结构示意图

一个声表面波谐振器的性能很大的程度由反射器的特性来决定。

一个高效率的反射器通常由压电电场短路的金属指条或质量负载绝缘指条构成。

由于传播方向相反的声表面波中质点的水平和垂直位移相差π／2，所以不能同时满足两个相反传播波的边界条件，不能采用通常体波的单个分离的高效的反射镜。

而必须采用基于反射元阵列的声表面波反射镜，该反射器指条阵列分布不连续，引起许多小的反射，并使这些小的反射相干叠加，形成全发射；或限制所发生反射的带宽，以便去掉与产生声体波有关的频率。

目前，有几种反射栅阵列形式，每一带条宽和间隔距离皆为四分之一波长。

4.1.2.2谐振器型传感器的工作原理

SAW谐振器用作无源无线传感器的原理是：

当谐振器基片表面的压力或周围环境温度发生变化时它的谐振频率发生相应变化，因此谐振频率的变化反映了温度和压力参数的变化，于是通过检测谐振器的谐振频率的变化便可实现对温度、压力参数的检测。

当作为敏感元件的谐振器受到无线查询信号的激励时，查询信号的能量经逆压电效应转换为SAW的振动能量，此时SAW作受迫振动；当激励信号停止后，SAW在受迫振动后残余能量的作用下作自由振动，震动频率因为被测量如温度、压力等的变化而变化，自由振动的SAW信号再经压电效应转换为电信号并被天线发射出去。

本文基于声表面波谐振型无源无线压力温度传感器展开设计。

4.2TPMS主机结构

TPMS主机[14]由发射机和接收机两部分组成。

发射机的任务是产生激励信号实现对敏感单元的有效激励；而接收机实现获取传感信息。

发射机的构成方案比较简单，其结构框图见下图。

发射机的任务是发送查询信号，其主要指标为功率和效率。

图4-2发射机结构框图

接收机的构成常使用二次变频式和一次变频式。

一次变频方式由于只需一个本振，因而电路简单，频率稳定度也较高，一次变频式的构成如图4-3所示。

图4.3一次变频结构

为了便于系统设计的实现，本系统在接收回路上采用一次变频的构成方式；接收机和发射机通过宽带匹配技术共用一根天线[15]，减少硬件成本；通过处理器来控制激励源发射查询信号；传感器信号的处理采用硬件频率测量电路和CPU软件编程相结合的实现方式[16]，用单片机控制技术实现系统控制[17]。

具体系统构成如图4-4所示。

图4-4系统构成框图

4.3系统工作原理

系统工作过程分为发射周期、接收周期和CPU数据处理。

在发射周期，由可调本征信号源产生高分辨率的控制信号，该控制信号作为高频合成芯片的信号源输入；然后通过高频合成芯片的内部倍频电路得到准确的激励信号，输出的激励信号则通过滤波和放大后经单刀双掷开关和匹配网络进入发射天线；天线辐射出去的电磁波被SAW传感器的谐振器接收后，电磁波的能量经逆压电效应转换为SAW的振动能量，此时SAW作受迫振动；当激励信号停止后，SAW在受迫振动后残余能量的作用下作自由振动，震动频率因为被测量如温度、压力等的变化而变化，自由振动的SAW信号再经压电效应转换为电信号并被天线发射出去。

在接收周期，发射信号与天线的通道由单刀双掷开关断开，转而接通回波信号与接收电路的信号通道。

发射周期结束后，在压电基片中的叉指电极不再受到激励信号的激励，则叉指电极和反射栅以本征频率作自由振动，此时压电基片中自由振动的声表面波的波速就是经过温度、压力等调制后的传播速度，所以此时的声表面波携带有温度、压力的信息；该声表面波在传播的过程中经压电效应转换成电信号，该信号通过匹配网络和与叉指换能器相连的天线辐射出去。

该信号被接收电路的天线接收后，经过放大后进行混频，实现下变频，再通过带通滤波，进入频率测量电路对该信号的频率进行测量。

测量后的结果传递给处理器，再进行后续的数据处理。

系统通过处理器控制单个通道的测量时间和各个通道的激励信号的频率输出，利用以上的工作模式可以测得各个传感器的回波信号的频率。

4.4主要器件的选择

4.4.1处理器

TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器[18]。

它们具有16位RISC（精简指令集）结构，有强大的处理能力，低电压、超低功耗等优点。

在此选用MSP430F435，该芯片具有16KB的程序Flash，512B的数据RAM；8通道12位ADC;48个I／O口;128／160段LCD；16位WDT；8bit基本定时器；16位Timer_A（3个比较/捕获寄存器）；16位Timer_B（3个比较/捕获寄存器）；1个USART接口；比较器A；温度传感器；有100引脚PZ封装。

4.4.2激励源

本系统采用直接数字式频率合成器（DDS）+锁相环（PLL）的方式作为可调本征信号源。

AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。

在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号。

以AD9854为核心，与双通道频率输出的频率合成芯片SI4133G[19]相结合可构成可调信号