多无线传感模式的TPMS设计*

梁　涛，杨伟达，杨玉坤，王　睿（河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130）



多无线传感模式的TPMS设计*

梁涛*，杨伟达，杨玉坤，王睿
（河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130）

摘要：据统计，轮胎气压异常是导致汽车发生交通事故的主要因素，而事实已经证明轮胎压力监测系统TPMS（Tire Pres⁃sure Monitoring System），能有效的监测轮胎的实时气压状况，并在轮胎气压出现异常时对驾驶者做出预警，以保障行车安全。然而，目前市场上应用的轮胎压力监测系统需要接入汽车的总线网络并通过汽车仪表盘来完成胎温胎压数据的显示，这样就造成实时监测数据的更新延迟，而不能保证驾驶人员有足够充裕的时间来应对轮胎气压出现的问题。为了解决这个问题，介绍设计的一种不依附于汽车总线网络和仪表盘的多无线传感模式的轮胎压力监测系统，主要包括总体方案、硬件设计、软件设计、预测控制算法、测试结果。经试验和测试表明：此轮胎压力监测系统监测能快速高效的监测轮胎的实时气压和温度，并降低了轮胎压力监测系统的造价成本，有很强的实用性。

关键词：TPMS；胎压监测传感器；ID学习机；数据接收终端

项目来源：河北省科技支撑计划项目（14214902D）

轮胎爆胎由于其突发性和不可预测性，成为了导致行驶中的汽车发生交通事故的首要因素。保持标准的轮胎气压以及及时发现轮胎气压出现的异常状况是防止爆胎的关键。轮胎压力监测系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System），是一种利用安装在汽车轮毂上的胎压监测传感器实时采集汽车轮胎的压力、温度、加速度等信息，并将胎温胎压数据信息利用无线传输技术传送到数据接收终端上实时显示，且在轮胎出现异常时对驾驶者进行预警的汽车主动安全系统［1-5］。

针对目前市场上应用的TPMS的不足，设计了一种多无线传感模式的轮胎压力监测系统，通过对系统硬件的设计以及多种无线通信协议的规划，实现了一套高效的TPMS应用方案。

1　总体设计方案

此TPMS系统的结构图如图1所示，主要包括安装在汽车轮毂上的内置式胎压监测传感器、ID学习机和数据接收终端。

图1　总体设计

安装在轮胎轮毂上的内置式胎压监测传感器主要负责实时监测汽车轮胎内的温度和压力，并将监测到的数据信号以无线方式传输给数据接收终端处理，数据接收终端将处理过的胎温胎压数据通过LCD显示屏直接显示在驾驶人员面前。而ID学习机作为独立于汽车的辅助设备，主要负责以无线方式来读取安装在汽车各个轮毂上的胎压监测传感器ID号（胎压监测传感器的唯一身份标识），并将各个胎压监测传感器的ID号以及相关的位置信息，以无线方式传输给数据接收终端，实现数据接收终端对各个位置的胎压监测传感器的识别与定位［6-9］。

2　系统硬件设计

2.1胎压监测传感器硬件设计

由于胎压监测传感器处于强压力、强湿度、强电磁干扰、强震动的工作环境下，故设计的胎压监测传感器采用固化整体设计，通过塑料外壳对电路板进行密封，并在塑料外壳与电路板之间填充硅胶，成型的胎压监测传感器仅通过露出塑料外壳的气门嘴来发射无线数据信号。胎压监测传感器硬件框图如图2所示。设计的胎压监测传感器以集成了加速度传感器、温度传感器、压力传感器、电池电压检测模块、MCU、内部时钟和数模转换器于一体的SP30传感器为核心，主要用来感应轮胎内的实时压力和温度信息，并将其转化为电信号后进行数字化处理；SP30传感器将处理后的数据信号经FSK方式调制后通过气门嘴天线发射出来，其发射出来的信号中心频率为434 MHz。胎压监测传感器也能通过低频天线来感应ID学习机发出的125 kHz无线唤醒信号，信号经滤波电路的滤波和数模转换器的转换，转换成数据信号由SP30的MCU来处理，MCU判别数据信息的准确性，并做出应答。电池采用3 V纽扣电池，为SP30传感器提供所需电能。

图2　胎压监测传感器结构框图

2.2数据接收终端硬件设计

数据接收终端主要包括无线信号天线、信号转换模块、MCU、电源模块、滤波电路，如图3所示。数据接收终端主要用来接收、处理胎压监测传感器发来的无线监测信号以及ID学习机发来的无线定位信号；将胎压监测传感器发来的实时监测信息通过LCD显示屏显示给驾驶人员，且通过已存储的ID与相关的位置信息来判别接收到的胎压监测传感器发来的无线信号的位置归属，所以TPMS系统进行胎压监测前需要用ID学习机将胎压监测传感器的ID号和相关的位置信息以无线方式写入到数据接收终端中存储。

图3　数据接收终端结构框图

无线信号接收天线接收胎压监测传感器发出的无线监测信号或者ID学习机发出的无线定位信号；无线信号经过滤波电路的滤波后传输到以CC1101芯片为核心的信号转换模块，CC1101芯片能将电信号转化为数据信号，并通过SPI通讯方式将转换后的数据信号传送给MCU（MK60DN512ZVLL10嵌入式微控制器）处理。MCU将接收到的胎压监测传感器发来的监测数据与已存储的胎压监测传感器ID号和相关的位置信息对比，并在LCD显示屏上对应位置处显示轮胎的实时气压和温度。电源模块采用并联的6节1.5 V电池组成的电池组以及AS1358-BTTT-33升压芯片，AS1358-BTTT-33升压芯片将1.5 V电压转换为3.3 V电压为MCU和信号转换模块供电。

2.3ID学习机硬件设计

ID学习机为TPMS辅助设备，主要用于完成数据接收终端与已安装在不同轮胎内的胎压监测传感器之间的定位工作。

ID学习机主要包括无线信号天线、唤醒信号发射模块、无线信号收发模块、MCU、电源模块，如图4所示。

图4　ID学习机结构框图

MCU产生唤醒胎压监测传感器所需的125KHzPWM波，经唤醒信号发射模块中的TC4425芯片的放大后通过LC震荡模块调制并发射以正弦波为载波的信号波，来唤醒胎压监测传感器得到胎压监测传感器发回的无线数据信号。胎压监测传感器发出的无线数据信号由ID学习机的无线信号接收天线接收，经以CC1101芯片为核心的无线信号收发模块中的CC1101芯片转换为数字信号，并以SPI通讯方式传送给MCU（MK60DN512ZVLL10嵌入式微控制器）处理，存储。当汽车上所有的胎压监测传感器的ID和位置信息存储完毕后，MCU将处理过的ID以及相关的位置信息按照一定的数据格式，以SPI通讯方式传输给CC1101芯片，经过转换后通过无线信号天线发射出去。电源模块为并联的6 节1.5 V电池组成的电池组以及AS1358-BTTT-33升压芯片，AS1358-BTTT-33升压芯片将1.5 V电压转换为3.3 V电压为MCU和无线信号收发模块供电。

3　系统软件设计

为了保障通信的可靠，建立了主从结构的通信模式。其中，以数据接收终端为通信系统的主节点，以ID学习机和胎压监测传感器为通信系统的从节点。该系统的软件设计主要包括胎压监测传感器的软件设计、ID学习机的软件设计、数据接收终端的软件设计。系统的信源编码采用占空比为1∶1，且具有良好的抗干扰性能和自同步能力的曼彻斯特编码，如图5所示。

图5　曼彻斯特编码方式

3.1胎压监测传感器软件设计

由于SP30传感器内部集成有加速度传感器，故可以通过判断汽车的启动、运行、停止状态来控制胎压监测传感器所处的状态，以降低功耗。其胎压监测过程中的软件流程图如图6所示。

图6　胎压监测传感器的软件流程图

在胎压监测过程中或者在接收到ID学习机发来的正确无线唤醒信号后，胎压监测传感器均发送如表1所示的无线数据帧信号。其中，2个字节的前导码由SP30自动生成，1个字节的标识码用来标识此无线数据帧信号来自胎压监测传感器；4个字节的ID号表示胎压传感器的身份信息；1个压力字节表示轮胎的实时压力；1个温度字节表示轮胎的实时温度；1个校验和字节；校验和字节为从标识码到温度字节经过X8+X5+X4+1得到的CRC校验码，用于判别数据的准确性。

表1　SP30传感器发出的无线数据帧信号格式

3.2数据接收终端软件设计

数据接收终端作为整个通信系统的主节点需要预存ID学习机发来的各个胎压监测传感器的ID和对应的位置信息。在实时监测过程中的数据接收终端的软件流程图如图7所示，数据接收终端实时接收各个胎压监测传感器发来的胎温胎压监测信息，经过数据分析和处理后通过LCD显示屏显示出来。

图7　数据接收终端的软件流程图

安装胎压监测系统的汽车在出厂前或者在汽车4S店进行胎压监测传感器的重定位时，都需要ID学习机来实现数据接收终端对各个位置的胎压监测传感器的识别与定位，并将相关信息写入数据接收终端中存储。

ID学习机的软件流程图如图8所示，其发射的唤醒胎压监测传感器的125 kHz无线唤醒信号的信号帧格式如表2所示，经过胎压监测传感器对无线唤醒信号的前导码和同步头的校准，以及对唤醒ID和数据的验证来确定是否返回对应的无线数据帧应答信号。ID学习机将数据写入到数据接收终端的无线数据帧信号格式如表3所示，其中起始位和结束位做为数据帧传输开始和结束的标识，标识码用来标识此无线数据帧信号来自ID学习机；ID1、ID2、ID3、ID4，分别表示汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的ID号。

表2　无线唤醒信号帧格式

表3　无线数据帧信号写入格式

4　预测控制算法设计

为了充分保障车辆行驶的安全性，系统采用了一种预测控制算法，针对轮胎气压的快速变化做出反应，并依据轮胎气压数据变化趋势，预测对汽车产生的影响，当轮胎气压出现异常及有相应趋势时为驾驶人员提供预警［10-13］。

设计的轮胎胎温胎压数据更新时间为1 s，而每采集10次胎温胎压数据即t=10 s时，则计算一次轮胎气压的平均值和变化速率以及趋势：

P1=p1+p2+……+p9+p10；ΔP1=P1/t；

P2=p11+p12+……+p19+p20；ΔP2=P2/t；

ΔP1*=（ΔP2-ΔP1）/t；

P3=p21+p22+……+p29+p30；ΔP3=P3/t；

该系统体积小，重量轻，成本低廉可应用于未来的光伏发电系统，只需依据光伏组件的实际数量做出具体调整即可.并且证明该系统使用的传感器测量的电流、电压信号的精度高、可靠性好.因为该传感器延时短可以即时发现光伏发电系统的故障节点，更加方便工作人员及时对光伏阵列进行维护与检修，进而在保证生产成本的基础上提高了光伏发电效率.

ΔP2*=（ΔP3-ΔP2）/t；

…；

Pn=p［10*（n-1）+1］+p［10*（n-1）+2］+…+p［10* （n-1）+9］+p［10*（n-1）+10］；ΔPn=Pn/t；

ΔP（n-1）*=［ΔPn-ΔP（n-1）］/t；

其中pn（n>0）表示第n次监测的轮胎实时压力；

①当pn（n>0）高于轮胎气压安全范围上限时，或者pn（n>0）低于轮胎气压安全范围下限时，数据接收终端均做出相应的报警。

②依据ΔPn（n>0）以及ΔP（n）*（n>1）的来判别轮胎气压升高或者降低的状态，分析出轮胎是否漏气，并根据所处的状态做出报警。

③依据ΔPn（n>0）以及ΔP（n）*（n>1），可以对轮胎气压走势做出预测，在轮胎气压出现异常前对驾驶人员做出警告提示。当ΔPn（n>0）接近安全范围的上限时，且ΔP（n）*（n>1）>0，则表明轮胎气压将要到达安全范围上限，需要给驾驶人员提供相应警告；当ΔPn（n>0）接近安全范围的下限时，且ΔP（n）*（n>1）<0，则表明轮胎气压将要到达安全范围下限，需要给驾驶人员提供相应警告。

图8　ID学习机的软件流程图

5　测试结果

①依靠国内某大型汽车生产商提供的测试环境，选择城市普通的平直公路，分别在不同测试环境下，进行大量验证测试，得到如表4所示的测试结果。

表4　测试结果

由于此系统工作在强电磁干扰的环境下，故系统应用的各种无线数据信号都容易受到外部信号的干扰而发生失真，因此很难保证无线数据信号100%可靠的传输。而测试结果显示，此系统在不同的温度、湿度环境下对各种无线信号的传输均能得到95%及以上的可靠度，说明系统具备较强的抗干扰能力，达到市场应用所需的标准。而且由于系统不依附于汽车总线和仪表，而是直接将接收到的胎温胎压数据进行显示，这样就使得数据的更新速度有了400 ms以上的提高，这对行驶中的汽车来说有十分重要的意义。

②对不同状态下的轮胎，通过数显胎压计和测温仪，测试轮胎的胎温胎压并与数据接收终端更新的胎温胎压数据进行对比，数据结果如表5所示。

表5　数据测试结果

测试结果表明数显胎压计和测温仪，测试的轮胎胎温胎压数据与接收终端更新的胎温胎压数据在误差允许的范围内基本一致，表明设计的此TPMS性能可靠，有很强的应用价值。

6　结论

设计的此多无线传感模式的轮胎压力监测系统，采用多种无线传感的方式，实现了可靠度95%

及以上的TPMS设计，能有效对汽车轮胎进行胎温胎压监测，使驾驶人员能实时监测轮胎气压所处的状态及变化趋势，以预防爆胎的发生，为汽车的行驶安全提供了有力的保障。

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梁涛（1975-），教授，博士，从事自动控制、汽车电子、计算机智能控制和现场总线技术的研究；

杨伟达（1990-），硕士研究生，从事嵌入式应用开发、汽车电子、无线通讯等方面的研究。

TPMS Design Based on Multiple Wireless Sensing Mode*

LIANG Tao*，YANG Weida，YANG Yukun，WANG Rui
（School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Abstract：Accordingto the statistics，abnormal tire pressure is amajor factor leadingto automobile traffic accidents，and the facts have proven that tire pressure monitoringsystem（Tire Pressure Monitoring System，TPMS），can monitor the real-time pressure situation effectively，when an exception occurs in the tire pressure it also makes a warning to the driver to ensure driving safety. However，the application of the current market tire pressure monitoring systems need access to bus network and through the car dashboard to complete the tire temperature tire pressure datadisplay，which resulted in the real-time monitoringdataupdate delay，but can not guarantee that the driver has enough ample time to deal with tire pressure problems.To solve this problem，introduce a multiple wireless sensing mode tire pres⁃sure monitoringsystem，which not depend on the bus network and the car dashboard，includingthe overall program，hardware design，software design，predictive control algorithm，test results.The experiment and the test showed that：the tire pressure monitoringsystem monitors the pressure and temperature in real-time monitoringof tire quickly and efficiently，which can also reduce the construction cost of the tire pressure monitoringsystem，has astrongpractical.

Key words：TPMS；Tire pressure monitoringsensors；ID learningmachine；Datareceivingterminal

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.026

收稿日期：2015-09-17修改日期：2015-11-18

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）03-0456-06