汽车轮胎压力监测系统的实现★

刘灿，王文炜，龙祖强，许岳兵

(湖南衡阳师范学院 物电系, 湖南衡阳，421008）

0 引言

轮胎是汽车的重要组成零部件，事关行车安全。安全专家指出：时速超过160km以上，爆胎而造成的死亡率几乎接近100%。在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，每年有26万起交通事故是由于轮胎压力偏低、偏高或渗漏引起的，造成巨大的经济损失和生命危害[1]。但汽车爆胎问题已不是轮胎厂家单独所能解决的。我国目前还没有防止爆胎的相关强制性国家标准，但是中国企业正在研发比美国的汽车轮胎压力监视系统更为先进、安全的系统，不仅能自动监测胎压，而且还能对爆胎后实施安全救助。国内目前中科院自动化研究所和三角轮胎公司正在合作进行，采用声表面波技术研制开发汽车轮胎监测技术这方面的研究工作。上海交通大学也在进行TPMS(Tire Pressure monitoring System，汽车轮胎压力监测系统)的开发研究，他们推出的SAW传感器能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据，不仅实现了智能轮胎信息的无源测量和无线传输，而且将拥有中国人自主的知识产权。

本文在对汽车轮胎压力监测系统的工作原理和所涉及的关键技术做了深入地研究后，提出了SP30+TDK5100F―TDA5210+MCU的实现方案。此方案最大的优点是低功耗、高集成，有极高的可靠性和方便的人机交互能力[2]。

1 汽车轮胎压力监视系统的实现方案

汽车轮胎压力监测系统的总体设计方案如图1所示。

胎压遥测模块以MEMS压力、温度集成传感器SP30为核心器件，实现轮胎压力和温度的检测，以及测量数据的处理，通过超高频发射器将采集的数据进行无线传输。中央监视器模块由超高频接收器和HT49R50A-1微控制器构成，完成信号的接收、解调、处理、显示和报警。系统实时监测轮胎气压，当轮胎状态异常时，立即发送轮胎状态信息，中央监视器模块微控制器对报警信息进行接收确认，随后向驾驶员发出声光警报并提示轮胎出现异常状况，继续行驶会使轮胎损害或产生危险[3]。

2 轮胎压力监视系统的硬件实现

汽车轮胎压力监测系统的硬件电路按系统功能划分，可分为胎压遥测模块和中央监视模块两大部分。其中，胎压模块整体安装在轮胎内，主要完成轮胎压力和温度数据的采集、数据的初步处理以及信息的无线传输功能。中央监视模块安装在汽车驾驶室内，主要完成信息的无线接收、数据的分析处理、声光报警控制等功能[4]。

2.1 胎压遥测模块硬件设计

在不断高速旋转的轮胎内部封闭工作环境中，要求轮胎模块体积尽量小、重量尽量轻。为此，根据胎压遥测模块实现的系统功能，将其细分为胎压数据采集、处理电路和发射电路两部分。其中胎压数据采集、处理核心单元是SP30传感器，射频发射芯片TDK5100F内部自带的功率放大器与其匹配的外围器件一起构成发射电硬件电路，原理框图如图2所示。

图1 TPMS系统设计框图

图2 胎压遥测模块硬件电路框图

2.2 中央监视器硬件电路设计

位于汽车驾驶室内的中央监视器模块，主要完成信息的接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。因为中央监视器的供电来自汽车内部自供电，所以接收端可以不考虑功耗问题。中央监视器模块是设计轮胎压力监视系统的核心部分，由射频接收电路、微处理器电路、LCD显示电路、数据存储电路、声光报警电路及人机交互功能的按键电路6部分组成[5]。中央监视器硬件电路框图如图3所示。为了简化接收端的设计，将接收解调芯片输出直接连接HT49R50A-1的外部中断INT0输入端。由图3可以看出，TDA5210与单片机之间只要一条数据线连接，实现数据接收。从射频电路设计的角度考虑，增强中央监视器接收电路的前端电路性能是设计的关键。电路设计时要特别注意天线和输入电路的匹配，考虑LNA（Low Noise Amplifier，低噪声放大器）的地线和电源滤波因素，尽量减少信号衰减。

图3 中央监视器硬件框图

2.3 人机交互功能设计

人机交互，涉及到最终用户使用的方便、简洁，关系到系统的推广，甚至影响到系统的开发是否成功。在轮胎压力监视系统中，首要的是中央监视器模块能向驾驶员提供必要的信息：轮胎压力、轮胎温度、轮胎模块电源状态等；在报警时，能同时进行声光报警，迅速提请驾驶员的注意；并且可以根据用户的需求，可以设置胎压报警门限，适应不同车辆的需求。系统人机交互中包括3部分：声光报警部分、LCD显示部分和按键输入设置部分[6]。现就声光报警部分做详细说明。

本系统通过蜂鸣器、系统状态LED灯来实现系统报警功能。报警电路框图如图4所示。

图4 报警单元总体设计框图

LED灯报警电路如图5所示。LED灯报警电路中，绿色LED是系统运行状态指示灯，红色LED是轮胎状态信息指示灯。当轮胎气压、温度达到预警门限时，红色LED开始闪烁，直到驾乘人员按键清除报警状态，起到对驾乘人员预警的作用。

图5 LED灯报警电路

蜂鸣报警电路如图6所示，当系统检测到轮胎的异常工作状态时，中央监视器的MCU同时向PA5、PA7端口发射控制指令，红色LED闪烁、同时蜂鸣器开始蜂鸣发出报警信息，提醒驾驶员及时检查轮胎故障原因[7]。

图6 蜂鸣报警电路

3 汽车轮胎压力监测系统的软件实现

软件设计是汽车轮胎压力监视系统研究工作的重要组成部分。本系统的轮胎温度和压力数据的采集，人机交互，射频信号的收发，数据分析、显示和报警，都需要通过软件来实现的。因此开发性能优良、工作稳定的应用软件是整个系统能够正常和可靠运行的基本前提。系统软件的设计就是为了在硬件电路基础上实现系统的应用智能化，在汽车轮胎压力监视系统的软件设计中，必须要考虑到系统应用的实际情况和具体技术性能要求，才能设计出符合现场要求的应用系统[8]。本系统软件总体设计包括胎压遥测模块的软件设计和中央监视器模块的软件设计，其功能结构如图7所示。

图7 系统软件框图

图7中，中央监视器和胎压遥测模块的初始化软件主要完成系统硬件的初始化以及系统的一些初始信息的提取。数据采集模块主要是通过控制传感器芯片SP30传感器完成对轮胎气压和温度的检测，获取温度压力信息。无线发射模块与无线接收模块一起，完成数据的无线通讯功能，将信号由轮胎模块传送到接收器模块。接收信号处理软件完成接收信号的处理，判断应该报警还是实时循环显示轮胎的温度、压力。数据显示和报警软件要求在轮胎正常情况下，进行压力和温度循环显示，在异常情况下，采用语音和灯光两种形式向驾驶员进行警报。按键设置软件模块完成用户设置监视系统的功能，满足各种用户的需要。各个功能模块分别在轮胎模块和接收器模块的主控程序统一协调下发挥自己的作用，确保汽车轮胎监测系统总体功能得到实现。

4 汽车轮胎压力监测系统方案的测试

测试目的：无障碍通信测试

测试环境：中央监视器放置在汽车驾驶室内，车载12V电源供电；胎压遥测模块安装在轮胎内，对轮胎充气到3Bar；在驾驶室外，用场强仪测定发射功率，记录功率值；在驾驶室内，用场强仪测量接收灵敏度，记录功率值。

测试步骤：编写测试测序，胎压遥测模块监测到气压大于标准大气压时，间隔10s采集发射数据，中央监视器接收到信号，立即显示并进行蜂鸣报警。

测试结果：气压在2.5Bar时，场强仪测量结果如表1所示。

表1 功率实验测试结果

由表1可得如下两点结论：1）汽车轮胎、驾驶室壳体对发射器功率衰减均为10dB；2)系统可以正常进行通信，中央监视器接收灵敏度<-73dBm。

上述两点结论说明本文所采用SP30+TDK5100F― TDA5210+MCU实现汽车轮胎压力监测系统的方案切实可行。另外，由于本系统采用了SP30芯片，所以可以实现低功耗、高集成，有极高的可靠性。

5 结论

本文采用SP30+TDK5100F―TDA5210+MCU实现汽车轮胎压力监测系统，设计了胎压遥测模块、中央监视器模块和人机交互功能模块的硬件电路，给出了系统的软件框图并进行了相关的测试，测试证明该方案切实可行，具有极大的开发前景。

[1] 刘桂飘.轮胎爆裂突发交通事故成因及预防措施[J].广东公安科技,2000(1):59-61.

[2] 李凯.轮胎压力传感器优缺点比较分析与选择[J].国外电子元器件,2007(1):69-72.

[3] 权晓鹏.汽车轮胎压力监视系统研究与开发[D].太原:中北大学,2008.

[4] 周玉兰,赵宁,赵晓东.基于多传感器信息融合的轮胎压力监测系统[J].计算机测量与控制,2005,13(3):241-243.

[5] 李珊.基于SP12的汽车轮胎状态监测系统设计[J].电子元器件应用,2007,9(3):42-44.

[6] 孙宏伟.汽车轮胎爆胎预警系统的研制[D]. 长春:吉林大学,2005.

[7] 王文涛.单片机语音报警系统的设计[J].长春光学精密机械学院报,1999(3):68-70.

[8] 李文印,周斌,伶志臣.轮胎压力监测系统设计及实现[J].汽车技术,2004(2):23-27.