無線輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

目錄

摘要.......................................................................I

Abstract.......................................................................................................................................II

第1章緒論................................................................1

1.1課題的目的和意義....................................................1

1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢............................................3

1.2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀....................................................3

1.2.2發(fā)展趨勢..........................................................4

1.3TPMS的分類及結(jié)構(gòu)..................................................5

1.4本文主要研究內(nèi)容....................................................6

第2章影響輪胎性能的主要因素...............................................8

2.1輪胎的分類..........................................................8

2.2爆胎的原因..........................................................9

2.3溫度對輪胎性能的影響...............................................10

2.4壓力對輪胎性能的影響................................................11

2.5本章小結(jié)............................................................12

第3章TPMS總體設(shè)計.....................................................13

3.1設(shè)計要求...........................................................13

3.2方案設(shè)計的主要問題..................................................15

3.2.1TPMS的工作環(huán)境.................................................15

3.2.2方案設(shè)計的主要問題...............................................15

3.3TPMS的方案的總體設(shè)計..............................................18

3.3.1硬件的總體設(shè)計...................................................18

3.3.2輪胎模塊軟件的總體設(shè)計...........................................19

3.4輪胎定位技術(shù)研究....................................................19

3.4.1輪胎定位和重定位問題.............................................19

3.4.2TPMS輪胎定位技術(shù)研究...........................................20

3.5TPMS方案主要芯片的選型...........................................22

3.5.1傳感器的比較與選擇...............................................22

3.5.2無線收發(fā)芯片的選擇...............................................26

3.5.3微控制器的選擇...................................................27

3.5.4電池的選擇.......................................................27

3.6本章小結(jié)...........................................................28

第4章輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計...........................................29

4.1輪胎模塊硬件設(shè)計...................................................29

4.1.1傳感器SP12電路設(shè)計.............................................29

4.1.2MAX1479射頻發(fā)射電路設(shè)計........................................33

4.1.3PIC16F636微控制器電路設(shè)計.......................................36

4.2輪胎壓力接收模塊硬件設(shè)計............................................38

4.2.1MAX1471射頻接收電路設(shè)計........................................38

4.2.2顯示報警和按鍵電路設(shè)計...........................................39

4.2.3LPC2119微控制器電路的設(shè)計.......................................41

4.3天線的設(shè)計..........................................................42

4.4本章小結(jié)............................................................46

第5章輪胎模塊軟件的設(shè)計..................................................47

5.1低功耗軟件設(shè)計的考慮...............................................47

5.2輪胎模塊軟件的設(shè)計..................................................48

5.2.1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計.................................................48

5.2.2數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計.................................................50

5.2.3數(shù)據(jù)發(fā)射程序設(shè)計.................................................51

5.2.4輪胎模塊主程序設(shè)計...............................................57

5.3本章小結(jié)............................................................59

結(jié)論.....................................................錯誤！未定義書簽。

參考文獻.................................................錯誤！未定義書簽。

攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文.........................錯誤！未定義書簽。

致謝.....................................................錯誤！未定義書簽。

第1章緒論

1.1課題的目的和意義

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，交通越來越便利，而隨之引發(fā)的交通事故

也在不斷增多，其中由于輪胎的壓力引起的比例非常高，這就使得人們需要

對行駛中的輪胎壓力進行關(guān)注。輪胎壓力影響著汽車的使用性能和輪胎的壽

命。當(dāng)前，輪胎爆胎，疲勞駕駛，超速行駛已經(jīng)成為高速公路事故的三大殺

手。其中，輪胎爆胎由于其不可預(yù)測性和無法控制而成為首要因素。有人曾

經(jīng)用一句話來概括輪胎的重要性：當(dāng)一個人坐到汽車?yán)锩嬉院螅@個人實際

上就交給了汽車；一旦汽車行駛起來，這個人實際上就全部交給了汽車。在

汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也

是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因⑴。

據(jù)統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起

的，而在美國這一比例則高達80%o怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個

重要課題。據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心的專家分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的汽車輪胎

氣壓正常與穩(wěn)定和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。而汽車輪胎壓力監(jiān)

測系統(tǒng)(TirePressureMonitoringSystem,簡稱TPMS)毫無疑問將是理想

的工具。在客車和輕型卡車上必須安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)以便在輪胎壓力低

于規(guī)定值時發(fā)出警報。于是，汽車輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生⑵。

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要用于在汽車行駛時實時對輪胎氣壓進行自動監(jiān)

測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警；是駕駛員和乘客的生命財產(chǎn)安全保障預(yù)

警系統(tǒng)⑶。在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛員最為擔(dān)心和最

難預(yù)防的，是造成突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因之一，由此產(chǎn)生了對

TPMS系統(tǒng)應(yīng)用研究。

TPMS系統(tǒng)主要作用如下：

1.可有效預(yù)防輪胎爆胎事故。除特殊機械故障外，汽車行駛安全最重

要的兩大因素就是剎車裝置和輪胎。因為輪胎氣壓形成輪胎強度，輪胎低壓

行駛時，變形下沉，將加大對輪胎胎肩的磨損。同時，各部件膠于簾布層，

簾布層之間剪切力增大，生熱加劇，使膠層與簾線的物理性能下降，輪胎使

用壽命縮短。若胎壓長期低于正常氣壓的80%,在高速行使時，輪胎會急

劇升溫而脫層，最后導(dǎo)致爆胎。輪胎超壓行駛時，輪胎與地面接觸的面積減

少，單位壓力增高，輪胎胎面的中部磨損增加。室內(nèi)試驗證明：氣壓超出

25%,輪胎壽命降低15~20%；降低氣壓25%,壽命降低約30%o汽車輪

胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大，輪胎磨損增加。TPMS可于行駛

時實時對輪胎氣壓、溫度進行自動監(jiān)測報警，可有效防止輪胎爆胎事故的發(fā)

生⑶。

2.提供“事前主動”型安全保護。汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、安

全氣囊等均是“事后被動”型安全保護，即事故已經(jīng)發(fā)生時保護人和汽車的安

全，降低傷害程度。而TPMS是“事前主動”預(yù)警系統(tǒng)。連續(xù)的壓力、溫

度監(jiān)測系統(tǒng)保證車輛在正確的負(fù)載中行駛。避免因輪胎壓力過低或過高，溫

度的異常，造成的爆胎；避免由于輪胎壓力不平衡，造成的駕車容易跑偏的

現(xiàn)象；能最大限度的減少因輪胎故障導(dǎo)致的半路拋錨及交通事故的可能性。

將事故消滅在萌芽狀態(tài)，確保汽車行駛中始終處于安全狀態(tài)⑸。

3.具有經(jīng)濟效益和綠色環(huán)保作用。輪胎氣壓和溫度過高，胎冠會加速

磨損；輪胎壓力過低，汽油損耗量增加。而保持正常氣壓行駛可節(jié)省油費開

支。除此以外還能避免由于爆胎引起的車輛損壞的修理費、新胎或輪軸的購

置費用，以及因為輪胎原因發(fā)生故障所造成的有形或無形的損失⑹。輪胎氣

壓過低對輪胎的影響如表1-1所示。另外，低壓行駛將增加行駛阻力、燃料

消耗和廢氣排放。過快磨損的橡膠粉塵也將增加環(huán)境污染。

4.保障整車的性能與壽命。正確的輪胎壓力有助于優(yōu)化車輛整體性

能，如：轉(zhuǎn)性能，剎車性能，對方向操縱的響應(yīng)，顯示車輛負(fù)載能力等；延

長發(fā)動機及底盤、掛、輪胎的壽命，提高整車壽命與舒適性

表1-1壓力對輪胎的影響

Tablel-1Theeffectsofpressureonthetires

輪胎壓力低于標(biāo)準(zhǔn)值單位汽油行程數(shù)的下降輪胎使用壽命下降

30%6.25%37%

20%4.50%28%

15%3%20%

10%2%15%

-2-

1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)有關(guān)專家的分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防

止爆胎的關(guān)鍵。TPMS系統(tǒng)無疑將是理想的工具。凡世通(Firestone)輪胎

的質(zhì)量問題，造成了超過千人的傷亡，此事引起了業(yè)界和美國政府的高度關(guān)

注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650萬只輪胎。據(jù)美國汽車工程

師學(xué)會的調(diào)查，美國每年有26萬交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成

的，另外，每年75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。由于

每年造成的經(jīng)濟損失巨大，美國政府要求汽車制造商加速發(fā)展TPMS系

統(tǒng)，以求減少輪胎事故的發(fā)生網(wǎng)。

因此，在2000年美國國會通過了TREAD(TransportationRecall

EnhancementAccountabilityandDocumentationAct)法案。TREAD法案的要

求之一是到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系

統(tǒng)。2000年11月1日美國總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國會關(guān)于修改聯(lián)邦運輸法

的提案，要求2003年后所有的新車都需把這種系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置?；貞?yīng)

TREAD法案，美國公路交通安全局(NTHTSA)要求到2007年，所有在美

國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車生產(chǎn)商的執(zhí)行時

間表：美國市場出售的汽車，2004年占10%,2005年占35%,2006年占

65%,2007年達到100%⑼。美國每年的汽車銷量約為1500萬輛(包括轎車

和卡車)，全球每年約5000萬輛，平均每輛車需要4.2個輪胎(不包括備用

胎)叫

受該法案驅(qū)動，各大公司及許多研究機構(gòu)都己經(jīng)開始研究相應(yīng)的TPMS

方案，如Motorola,GE等都已經(jīng)研制出適用于TPMS的MEMS傳感器及

相應(yīng)的TPMS技術(shù)方案。國外的TPMS產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠經(jīng)受5~7

萬公里的使用測試°"。

在2003年11月24日頒布的中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)——《機動車運

行安全技術(shù)條件(征求意見稿)》中，對安裝輪胎壓力檢測裝置做出了說明：

“車長大于6米的長途客車和旅游客車、最大設(shè)計總質(zhì)量大于1.2噸的載貨

汽車和載貨牽引車應(yīng)安裝輪胎壓力報警裝置”，“有關(guān)部分機動車應(yīng)安裝輪胎

壓力報警裝置的要求，自本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起第25個月開始對新注冊車實

施”。由于目前國家沒有強制性規(guī)定必須安裝TPMS裝置，而載貨汽車的所

有權(quán)大多屬于貨運公司，載貨汽車輪胎數(shù)量多，安裝TPMS裝置費用高

昂，一般貨運公司不愿意承擔(dān)如此高的費用而家用轎車輪胎使用環(huán)境

遠比載貨汽車好，且城市路面質(zhì)量高，輪胎可能造成的威脅比較小，私家車

主通常不夠重視。因此無論前裝市場還是后裝市場，TPMS都處于尷尬的地

位。但是著眼未來，國家遲早會頒布強制性TPMS安裝規(guī)定。尤其大型載

貨汽車，安裝TPMS是非常必要的。因此市場前景廣闊，目前大部分廠家

都處在研究開發(fā)階段，出貨量不高。全國開展TPMS研究的廠家接近200

家，專業(yè)的TPMS廠家大約為30家“刃。

TPMS的研究在中國剛剛起步。目前各廠家的重點并非是如何開拓市

場，而是如何提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。目前國內(nèi)的TPMS系統(tǒng)問題不少：車

內(nèi)需配備專用的主機、顯示屏；需要在車內(nèi)固定和接線，安裝繁瑣、影響美

觀、整車廠難以配裝；不能設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)胎壓、無法保障輪胎合理使用；不具備

抗干擾的清晰語音提示報警功能，會造成駕駛員視線轉(zhuǎn)移：因射頻效率、編

碼糾錯性能差、在惡劣環(huán)境下漏報嚴(yán)重。直接式TPMS產(chǎn)品無線信號傳輸

的穩(wěn)定性可靠性不足，電池壽命問題，傳感器壽命和耐久性問題。此外，

TPMS零組件主要靠進口，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品“可。

1.2.2發(fā)展趨勢

目前國外帶電池的TPMS系統(tǒng)相對己經(jīng)比較成熟，主要在進行無源

TPMS系統(tǒng)的研究，如利用SAW這類無源器件頻率的變化來監(jiān)測輪胎壓力

變化[⑸。米其林集團公司、固特異輪胎橡膠公司己經(jīng)開發(fā)出在輪胎制造時

的成形工序中，將壓力、溫度監(jiān)測和信號發(fā)射裝置被埋入輪胎胎壁內(nèi)，它在

輪胎的整個壽命期間（一般為1?7年）發(fā)揮作用；作為信號接收裝置做成如

手機的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車時插裝在車上，下車后隨身攜

帶。以RFID技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國固特異輪胎橡膠公司就是

其中的一員。該公司和西門子VDO汽車配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕

扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、

胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號外，還具有標(biāo)識輪胎的功能，也

就是說，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測，還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄

[161o上海交通大學(xué)也開始基于聲表面波技術(shù)的TPMS開發(fā)研究，這種能同

時測量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)的SAW傳感器，不僅可實現(xiàn)智能輪胎

-4-

信息的無源測量和無線發(fā)送，并且將擁有中國人自主的知識產(chǎn)權(quán)1⑺。

1.3TPMS的分類及結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作原理的本質(zhì)區(qū)別可以將輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)分為間接式TPMS

和直接式TPMS。

間接式TPMS,這種系統(tǒng)通過車輛安裝的防抱死制動系統(tǒng)（ABS）來確

定輪胎壓力的變化。ABS通過車速傳感器來確定車輪是否抱死，從而決定

是否啟動防抱死系統(tǒng)。對于在4個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統(tǒng)來

說，此類軟件的升級可以用于監(jiān)測車速的變化，輪胎壓力變低也會導(dǎo)致車速

發(fā)生變化。當(dāng)輪胎壓力降低時，車輛的重量會使輪胎直徑變小，這反過來會

導(dǎo)致車速發(fā)生變化。經(jīng)過正確計算，這種車速變化可用于觸發(fā)警報系統(tǒng)來向

司機發(fā)出警告“3該類型系統(tǒng)的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣

的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。間接系統(tǒng)相對便宜，只

需對ABS軟件進行升級就可以實現(xiàn)。但是，目前這類系統(tǒng)沒有直接系統(tǒng)準(zhǔn)

確率高，它根本不能確定故障輪胎，而且系統(tǒng)校準(zhǔn)極其復(fù)雜。此外，在某些

情況下此類系統(tǒng)會無法正常工作：例如同一車軸的2個輪胎氣壓都低，或者

是行車速度超過100公里/小時的情況口力

目前，直接式TPMS方案主要有單向通信和雙向通信兩種。

單向通信系統(tǒng)只有一條通信鏈路，由輪胎模塊將檢測的輪胎數(shù)據(jù)發(fā)送給

中央接收模塊，一般采用無線發(fā)射芯片和無線接收芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射和接

收。無線射頻通信是一種高頻通信方式，TPMS所占用的頻段在不同的地區(qū)

有不同的標(biāo)準(zhǔn)，北美為315MHz,歐洲433.92MHz,韓國448MHz,目前我

國還沒有制定TPMS占用的頻段標(biāo)準(zhǔn)，很多廠商參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)即

433.92MHz實現(xiàn)高頻通信。單向通信成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但是由于系統(tǒng)是

輪胎模塊單向地與接收模塊通信，接收模塊不能控制輪胎模塊的工作，只能

被動地接收輪胎數(shù)據(jù)，其重點要解決的問題是輪胎模塊的定位設(shè)計和信號免

碰撞功能設(shè)計

雙向通信主要有兩種，雙向高頻通信和高頻/低頻通信。雙向高頻通信

為系統(tǒng)增加了另一條高頻通信鏈路，通過向系統(tǒng)增加額外的發(fā)射芯片和接收

芯片或者集收發(fā)于一體的無線收發(fā)芯片實現(xiàn)，該系統(tǒng)要解決的主要問題是系

統(tǒng)能耗問題。而高頻一低頻通信為系統(tǒng)增加了一條低頻通信鏈路，通過向接

收模塊加入了4個低頻觸發(fā)器、向輪胎模塊分別加入了一個低頻接收器實

現(xiàn)，接收模塊可以通過低頻觸發(fā)器發(fā)射低頻信號來控制輪胎模塊的工作狀

態(tài)，該系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)輪胎模塊的自動定位以及信號的免碰撞功能，但

是該系統(tǒng)成本較高，而且需要將4個低頻觸發(fā)器安裝在輪胎附近，安裝復(fù)雜

[21]

O

直接式TPMS工作原理的本質(zhì)在于是利用安裝在每一個輪胎里的壓力

傳感器和溫度傳感器來直接測量輪胎的壓力和溫度，并對各輪胎氣壓進行顯

示及監(jiān)控。它的優(yōu)點是在輪胎壓力過高、過低、輪胎緩慢漏氣或溫度異常變

化時可以及時向無線接收模塊報警，有效防止爆胎；可以同時監(jiān)測所有輪胎

的狀況，并且系統(tǒng)對汽車的行駛速度沒有要求；缺點在于無線電波容易受到

干擾，輪胎壓力監(jiān)測模塊需要的電池存在使用壽命的問題A幻。

直接式TPMS系統(tǒng)主要有二個部分組成：安裝在汽車輪胎里的輪胎壓

力監(jiān)測模塊（以后簡稱輪胎模塊）和安裝在汽車駕駛臺上的中央接收模塊

（以后簡稱接收模塊）。直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度的輪胎

模塊，將測量得到的信號調(diào)制后通過高頻無線電波發(fā)射出去。一個TPMS

系統(tǒng)有4個或5個（包括備用胎）輪胎模塊。接收模塊接收輪胎模塊發(fā)射的

信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪

胎的壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的報警信

號，提醒駕駛者采取必要的措施31。

1.4本文主要研究內(nèi)容

由上面有關(guān)內(nèi)容可知，直接式TPMS系統(tǒng)可以直接顯示出每個輪胎內(nèi)

部壓力和溫度的實時數(shù)據(jù)，使駕駛者直觀了解輪胎的使用狀況，從而能更好

地預(yù)防輪胎爆胎，因此，決定針對直接式TPMS進行相關(guān)的研究。

其工作原理為：首先是放置在輪胎內(nèi)部的發(fā)射系統(tǒng)對輪胎內(nèi)部的壓力和

溫度進行在線的測量，然后把測量到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理后，通過無線傳輸

的方式發(fā)送到位于駕駛室中的接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)

的處理，然后在顯示面板進行數(shù)據(jù)的顯示，如果輪胎壓力和溫度出現(xiàn)異常情

況的話，進行相應(yīng)的聲光報警。

由于現(xiàn)有方案及產(chǎn)品大部分在功耗管理，無線數(shù)據(jù)通信可靠性以及產(chǎn)品

價格等方面還有待改進，所以本課題的研究內(nèi)容主要集中在以下述兒個方

面：

1.分析比較當(dāng)前國內(nèi)外TPMS系統(tǒng)的現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，為TPMS整體方

-6-

案的設(shè)計提出參考。

2.確定TPMS的整體方案和應(yīng)該實現(xiàn)的功能和性能。

3.根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和功能要求，需要系統(tǒng)具有體積小、抗干擾能

力強、低功耗的特點，因為輪胎模塊是放置在輪胎內(nèi)部，還需要具有耐高

壓、耐高溫、耐腐蝕等特點。按照這些要求，來進行輪胎模塊和接收模塊的

硬件設(shè)計。比如元器件選擇上需要選用體積小、集成程度高、可靠性高的芯

片；并采取相應(yīng)的硬件可靠性措施，設(shè)計抗干擾能力強的功能電路；選用容

量大的專用TPMS鋰亞電池以提高輪胎模塊的電池使用壽命等。

4.研究TPMS系統(tǒng)中，測量、處理數(shù)據(jù)和傳輸?shù)母咝仕惴捌滠浖?/p>

實現(xiàn)，延長輪胎模塊電池的使用壽命和提高系統(tǒng)可靠性。

-7-

第2章影響輪胎性能的主要因素

輪胎是汽車的主要部件，價值昂貴，在機械成本和運營費中約占

20%?30%；另一方面，輪胎又是易損件，耐磨性能和耐切割性能較差，

使用壽命較短，使用條件相對苛刻。要想采取有效措施保證行車安全，就必

須分析對輪胎性能有影響的因素。

2.1輪胎的分類

汽車輪胎按用途可分為:轎車輪胎、重載車輪胎和特種車輛及工程機械

用輪胎等。按輪胎結(jié)構(gòu)特點可分為：斜交輪胎、子午線輪胎和帶束斜交輪

胎。按輪胎花紋可分為：普通花紋輪胎（橫溝花紋輪胎與縱溝花紋輪胎），混

合花紋輪胎（橫溝與縱溝兼有花紋輪胎）和越野花紋輪胎（砌塊花紋輪胎）。按

輪胎內(nèi)空氣壓力大小可分為：高壓輪胎（氣壓為490?686kPa）、低壓輪胎

（氣壓為196?490kPa）和超低氣壓輪胎（氣壓為196kPa以下）。此外，還可

按輪胎簾線類型分為:鋼絲輪胎、尼龍輪胎、人造絲輪胎和聚酷簾線輪胎

等。以上各類輪胎又可分為有內(nèi)胎與無內(nèi)胎的兩種基本形式。

無內(nèi)胎輪胎的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，由氣密層、密封膠和特殊結(jié)構(gòu)的胎圈

等部分構(gòu)成1冽。

0

54

1一橡膠密封層2—自粘層3—槽紋4

一輪輛5—氣門嘴

圖2-1無內(nèi)胎輪胎結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2-1Schematicdiagramoftubelesstires

氣密層是貼于胎里表面并延伸至胎圈底部的一層厚約0.5?3mm的膠

層，其作用是防止壓縮空氣滲入胎體引起脫層。由于它與胎體形成一體，并

不像內(nèi)胎那樣受到拉應(yīng)力，所以受傷后并不會迅速擴大裂口，使氣壓下降。

無內(nèi)胎輪胎胎圈底部斜度較大，胎圈直徑較輪轂直徑小，與輪轂邊緣相接觸

的“密封膠”部位的曲率較輪^邊緣曲率大，因此胎圈能與高精度的帶有金

屬氣門嘴的輪桐I之間形成可靠的密封。

由無內(nèi)胎輪胎結(jié)構(gòu)可知，無內(nèi)胎輪胎具有以下優(yōu)點：

1.在汽車批量生產(chǎn)中，輪胎安裝更簡單，更快捷。

2.氣密性能好，輪胎受小的損傷時能自動封閉。

3.減少汽車因輪胎故障在路上停留時間（不必更換內(nèi)胎，修理時輪胎

不必從輪上卸下來，修理簡單）。

4.沒有內(nèi)胎和襯墊，結(jié)構(gòu)簡單，且沒有內(nèi)胎與簾布層的摩擦，提高輪

胎壽命。

目前，轎車已廣泛使用無內(nèi)胎輪胎，一些新型載重汽車己開始使用無內(nèi)

胎輪胎，但目前的應(yīng)用尚不十分普遍。這主要有兩個原因:一是很多司機局

限于以往的經(jīng)驗和眼前需要，不愿更換;另一是無內(nèi)胎輪胎需要安裝在深式

輪^上，而這種深式輪輛與目前所用的輪^不能互相替換。因此運輸公司為

了換用無內(nèi)胎輪胎存在著投資損耗和編制問題，從而使無內(nèi)胎輪胎在載重汽

車上的普遍使用受到了限制。但是無內(nèi)胎輪胎在諸多方面的優(yōu)勢使它成為輪

胎的發(fā)展趨勢，相信在不久無內(nèi)胎輪胎將會在各種車輛上得到廣泛得應(yīng)用。

本文正是基于無內(nèi)胎輪胎設(shè)計的一款輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。無內(nèi)胎輪胎的

良好應(yīng)用前景也為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了保障

2.2爆胎的原因

汽車爆胎是指因輪胎某一局部機械強度被嚴(yán)重削弱，胎壓失去平衡而突

然爆破的故障.爆胎一旦發(fā)生，輕則汽車將發(fā)生劇烈的側(cè)滑、甩尾，重則汽

車將連續(xù)翻滾.這樣，不僅危及爆胎汽車自身安全，而且也會引起與附近車

輛和行人發(fā)生連續(xù)碰撞，造成重大交通事故。

汽車發(fā)生爆胎事故的原因是多方面的。歸納起來，主要有以下幾個方

面：

1.汽車高速行駛時，因輪胎胎體變形而發(fā)熱，相應(yīng)的輪胎內(nèi)壓升高;同

時輪胎在負(fù)荷作用下彎曲變形，簾線、鋼絲和橡膠產(chǎn)生疲勞，胎體整體強度

-9-

下降，因此，當(dāng)輪胎碰到障礙物時，胎體受到過大的單位面積沖擊力，輪胎

就發(fā)生爆裂。

2.汽車高速行駛時，輪胎的流動阻力隨行駛速度的增加而增大，達到

一定的程度輪胎便發(fā)生駐波現(xiàn)象，輪胎不再是圓形，而是呈波浪形，胎體內(nèi)

部組織間的摩擦加劇，胎體溫度升高，胎體內(nèi)的簾線、鋼絲和橡膠性能下

降，部件間的附著力降低，導(dǎo)致各部件之間的分離、脫落，直到爆裂。

3.輪胎氣壓不足時，胎面接觸地面面積增大，胎面與地面摩擦阻力加

大，同時胎體各部件的變形量變大，輪胎內(nèi)部組織間的摩擦也進一步加劇，

這些因素都進一步加劇胎體升溫。另一方面，因胎肩變形量大，容易引起簾

線、鋼絲和橡膠等材料扯斷、拆裂，導(dǎo)致胎體強度下降，溫度上升或強度下

降到■■定程度就發(fā)生爆胎。

4.車輛超載時，輪胎負(fù)荷過大。每條輪胎都標(biāo)有該輪胎的負(fù)荷指數(shù)，

如果輪胎超負(fù)荷運行，胎內(nèi)氣壓增大，則輪胎變形增大，使胎冠剝離，簾布

破裂，胎體溫度迅速升高，更容易爆胎。

5.車輛超速行駛時，由于輪胎與路面的摩擦加劇，輪胎屈撓頻率升

高，使輪胎溫度與內(nèi)壓上升，加速了簾布膠質(zhì)老化和簾線疲勞，造成早期脫

層和爆裂，出現(xiàn)行車事故。由上可見，爆胎現(xiàn)象與輪胎壓力和溫度的異常有

著密切的關(guān)系，只要能及時發(fā)現(xiàn)輪胎壓力和溫度的驟變，就能避免爆胎事故

的發(fā)生。

2.3溫度對輪胎性能的影響

汽車行駛中，輪胎連續(xù)不斷的發(fā)生伸縮變形，橡膠與簾線，簾線與簾

線，外胎與內(nèi)胎及胎面與地面等均會發(fā)生摩擦，產(chǎn)生大量的熱量；此外輪胎

的構(gòu)成材料并不具有良好的彈性，這些材料在輪胎的行駛過程中也吸收能

量，并將其轉(zhuǎn)化為熱量，具有較大的“滯后損失”；而輪胎本身不易散發(fā)熱

量，于是胎體溫度逐漸上升，導(dǎo)致橡膠及簾線的強度下降。試驗表明，當(dāng)溫

度由升到100℃時，橡膠的強度及簾線的附著力大約降低50%,不同材

料的簾線，其強度也有不同程度的下降。溫度升高引起材料疲勞，強度降

低，當(dāng)應(yīng)力超過簾線的強度時，簾線就會折斷。輪胎變形使簾布層之間產(chǎn)生

剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過簾布與橡膠之間的附著力時，就會出現(xiàn)簾布松散或局

部簾布脫層。溫度超過125℃時，輪胎就會脫空分層發(fā)生爆破。

另外，輪胎溫度升高還將造成輪胎氣壓隨之升高，使簾線所受的應(yīng)力加

-10-

大輪胎的正常工作溫度應(yīng)為105℃左右，當(dāng)大氣溫度為25℃時，則允許輪胎

溫升為80℃o在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，氣溫每升高5℃,輪胎氣壓增加5?lOkPa。

此外，輪胎比正常工作溫度每升高1℃,磨損強度增加2%。一般在同一路

面、同一車速下行駛，氣溫升高5℃,輪胎使用壽命縮短45%。

輪胎的生熱和溫升不僅影響其使用性能，而且對汽車油耗也有很大的影

響。據(jù)報道，輪胎的能量損失占轎車總能量損失的5%,占載重汽車總能量

損失的10%o

由上可見，輪胎的溫升對其安全性能和使用壽命的影響很大。因此，對

輪胎的溫度進行實時監(jiān)測，當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時對司機提出報警，提示

司機進行相應(yīng)處理，可以有效地降低爆胎事故的可能性并提高輪胎的壽命。

需要注意的是，當(dāng)行駛中發(fā)現(xiàn)輪胎溫度過高時，不應(yīng)通過放氣或潑冷水

的方式進行處理，而應(yīng)降低車速，將車停在陰涼通風(fēng)處降溫。原因是當(dāng)輪胎

的溫度升高到吸熱量與散熱量平衡時，其溫度和壓力就不再升高。若采用放

氣的辦法來降溫降壓，結(jié)果會適得其反，輪胎的溫度不僅不會降低，反而會

由于氣壓降低，變形增大而繼續(xù)升高，致使氣壓也隨之升高，直到輪胎的散

熱量與吸熱量達到新的平衡為止。如果這時再次放氣，則輪胎的溫度會上升

得更高，從而給輪胎帶來嚴(yán)重?fù)p害，大大降低輪胎的使用壽命。若用潑冷水

的辦法降溫，則會因降溫過快導(dǎo)致輪胎胎面和胎側(cè)膠層收縮不均，產(chǎn)生裂

紋，縮短輪胎的使用壽命。

2.4壓力對輪胎性能的影響

在影響輪胎性能的諸多因素中，充氣壓力是極其重要的一個。輪胎氣壓

對輪胎的承載性能、高速性能、制動性能、防浮滑性能、耐久性能、抗刺穿

和耐爆破性能都有著重要影響，可以說，氣壓是輪胎的生命。具體影響有一

下幾點：

1.氣壓過低對輪胎性能的影響：氣壓過低，輪胎接地面積增大，胎側(cè)

屈撓點改變，外層伸張，內(nèi)層壓縮，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，隨著胎溫升高，易使膠

料的物理性能受到破壞，從而導(dǎo)致以下影響：

a.輪胎在負(fù)荷下變形加大，胎肩與地面接觸部分的磨耗增大，胎面磨

耗不均，輪胎生熱快，造成脫層。

b.輪胎碰到障礙物時，由于沖擊力大，胎體簾線易斷裂，致使輪胎爆

破。

-11-

C.輪胎生熱高，加速內(nèi)胎損壞。

d.并裝雙胎氣壓過低，相鄰的兩胎胎側(cè)互相擠壓、摩擦而損壞。如一

胎氣壓過低，則加大另一胎的負(fù)荷而促使輪胎早期損壞。

e.外胎在輪惘上有時發(fā)生轉(zhuǎn)動，易引起氣門嘴脫落，而且驅(qū)動輪上的

輪胎易損壞。

f.輪胎滾動阻力增大，燃料消耗增加，轉(zhuǎn)向性能差。

g.在壞路面上高速行駛，造成胎冠損傷有小洞眼、花紋掉塊。

h.在氣壓過低的情況下繼續(xù)行駛，造成胎側(cè)內(nèi)壁簾布損壞、胎肩和胎

體脫離、胎里和胎體碾傷。

i.輪胎內(nèi)壓長期低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓，胎體變形，屈撓變形次數(shù)增加或移位

導(dǎo)致過度疲勞生熱，兩胎側(cè)簾線脫層松散。

2.氣壓過高對輪胎性能的影響：氣壓過高，輪胎簾線過度伸張，胎體

彈性降低，剛性增大，單位壓力增大，胎冠部接地面積減小，同時磨耗增

加，胎面花紋易裂口，行駛中一旦受到障礙物沖擊，便會產(chǎn)生內(nèi)裂或爆破。

汽車在同樣使用條件下行駛，輪胎緩沖性能差，沖擊震動大，操縱性能差，

特別是在壞路面上行駛時，輪胎易產(chǎn)生機械損傷，影響行車安全。

3.氣壓與行駛里程的關(guān)系：氣壓過低或過高都會縮短輪胎行駛里程。

氣壓過低，輪胎變形為外張內(nèi)縮，導(dǎo)致生熱增加，加速橡膠老化、疲勞，出

現(xiàn)脫層現(xiàn)象等;氣壓過高，輪胎接地面積小，磨耗量增大。

2.5本章小結(jié)

本章介紹了輪胎的分類以及發(fā)展趨勢，著重闡述了無內(nèi)胎輪胎的優(yōu)點以

及應(yīng)用前景，指出了無內(nèi)胎輪胎的廣泛應(yīng)用是必然趨勢。同時，本章分析了

爆胎的主要因素：胎壓過高、胎壓過低及胎溫過高。

-12-

第3章TPMS總體設(shè)計

3.1設(shè)計要求

根據(jù)美國法規(guī)所規(guī)定的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，TPMS能夠準(zhǔn)確

監(jiān)測汽車輪胎的壓力和溫度，當(dāng)輪胎狀況超出正常范圍時，系統(tǒng)則向駕駛員

報警。

由于安裝在一輛汽車上的系統(tǒng)有四個輪胎模塊，且裝有相同產(chǎn)品的其他

汽車上也有輪胎模塊，都工作在同一頻率上，所以系統(tǒng)應(yīng)該避免同頻率信號

之間的干擾現(xiàn)象，保證無線信號的正確傳輸。

汽車在使用過程中，由于輪胎的速度和受力不均，會造成不同輪胎的不

同程度的磨損。根據(jù)汽車輪胎保養(yǎng)手冊，必須定期對汽車輪胎進行換位，這

樣能有效地延長輪胎的使用壽命，并且保證行車安全。因此，該系統(tǒng)必須具

備在汽車輪胎換位之后的傳感器模塊重新定位功能。

在安裝該系統(tǒng)之后，有可能因為使用不當(dāng)，或者輪胎拆裝過程中不留

意，從而造成輪胎內(nèi)的傳感器模塊不工作或者硬件損壞。從經(jīng)濟方面著想，

只需要購買和更換該被損壞的傳感器模塊，所以系統(tǒng)必須具備更換新的傳感

器模塊之后的重新學(xué)習(xí)功能。

本文設(shè)計的TPMS系統(tǒng)，設(shè)計要求如下：

1.以四輪小型汽車為設(shè)計目標(biāo)。

2.直接式。輪胎模塊定位于輪胎氣門嘴。整套系統(tǒng)由四個輪胎模塊和

一個接收模塊構(gòu)成。

3.后裝式。供應(yīng)后裝市場，輪胎模塊與接收模塊之間采用無線通信的

方式。

4.系統(tǒng)為有源TPMS,輪胎壓力檢測模塊由電池供電。接收模塊顯示

各個輪胎的壓力和溫度參數(shù)，當(dāng)某個輪胎的壓力過高或過低和溫度過高時，

發(fā)出報警聲。

5.實時監(jiān)測每個輪胎的壓力和溫度狀況。

6.當(dāng)某個輪胎的壓力、溫度狀況出現(xiàn)異常時，顯示器模塊聲、光報

警，并根據(jù)此時的輪胎壓力、溫度數(shù)值，通知駕駛員屬于哪種報警狀態(tài)。

7.系統(tǒng)能很好地區(qū)分同一?輛汽車上各個輪胎模塊之間、不同汽車上輪

-13-

胎模塊之間和輪胎模塊與其它電子產(chǎn)品之間的無線信號。

8.系統(tǒng)出廠時，己經(jīng)在數(shù)據(jù)顯示端對四個輪胎做好了定位處理，無需

用戶在系統(tǒng)安裝時學(xué)習(xí)輪胎信號。

9.系統(tǒng)出廠即已經(jīng)設(shè)定好科學(xué)合理的壓力標(biāo)準(zhǔn)值和溫度閥值。

10.當(dāng)輪胎磨損需要換位保養(yǎng)時，可以通過人機界面方便快捷地重新定

位各個輪胎。

11.當(dāng)某個輪胎內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊損壞需要重新更換時，系統(tǒng)提供用戶

操作簡便的重新定位功能。

本研究針對的主要是轎車市場，一輛轎車需要4個輪胎模塊和一個接收

模塊。根據(jù)收集到的相關(guān)資料，并參考同類，本系統(tǒng)提出了以下的性能指標(biāo)

要求：

輪胎模塊：

1.產(chǎn)品使用壽命：6年以上（平均每天行駛5小時）

2.工作溫度：-40℃到125℃

3.壓力測量范圍：lOOkPa到450kPa

4.發(fā)射頻率：433.92MHz

5.調(diào)制方式：FSK

6.發(fā)射功率：5dBm到10dBm

7.壓力測量精度：±1.5kPa

8.溫度測量精度：±1℃

9.工作電壓：3.6V

接收模塊：

1.電源：車載電源

2.工作溫度：-20℃到80℃

3.接收頻率：433.92MHz

4.調(diào)制方式：FSK

5.接收靈敏度：＜-100dBm

6.LCD實時顯示

7.聲光報警

-14-

3.2方案設(shè)計的主要問題

3.2.1TPMS的工作環(huán)境

輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是用于測量輪胎壓力。它的輪胎模塊被埋置于輪胎內(nèi)

部，工作在輪胎封閉的環(huán)境中。故而輪胎的壓力信息傳遞必須通過無線通信

來解決。工作時輪胎處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，因而必須固定牢靠。在真空胎中

可很容易地解決這一問題。

此外，輪胎模塊是固定在輪胎里的。當(dāng)發(fā)射部分隨著輪胎轉(zhuǎn)到背向主機

時，由于金屬輪轂對信號有屏蔽作用，接收靈敏度將有所下降。所以需要對

發(fā)射部分的天線裝置的設(shè)計多加注意，盡量減小由于輪胎轉(zhuǎn)動和屏蔽所帶來

的負(fù)面影響。

3.2.2方案設(shè)計的主要問題

我國，南方的最高氣溫高于40℃,而北方的最低氣溫低至零下40℃,

并且汽車在高速行駛的過程中，汽車在高速行駛的過程中，輪胎與地面產(chǎn)生

很大的摩擦熱量致使輪胎內(nèi)部氣溫遠高于環(huán)境溫度，因此對安裝其上的電子

設(shè)備有寬溫度范圍的要求。輪胎模塊為電池供電系統(tǒng)，有限的電池容量需要

極為嚴(yán)格功耗控制才能確保系統(tǒng)的持續(xù)使用期限。頻繁的更換電池會給使用

者帶來不便，所以，系統(tǒng)設(shè)計時需嚴(yán)格控制功耗12句。

直接式TPMS的輪胎模塊安裝在汽車輪胎內(nèi)部（氣門嘴或輪轂處），其

物理尺寸在滿足電路功能的條件下應(yīng)盡可能小型化。數(shù)據(jù)采集及傳送模塊質(zhì)

量的大小，決定了安裝載體輪胎動平衡調(diào)整的難易程度。

綜合起來，該產(chǎn)品的主要技術(shù)要求如下：

1.體積小，尤其是輪胎模塊的體積要盡可能的小。

2.功耗低，尤其是輪胎模塊的功耗要盡可能的低。

3.可靠性，系統(tǒng)的抗干擾能力要好。因為，模塊間采用的是信號的無

線傳輸，在傳輸?shù)倪^程受到各種各樣的干擾。

因此，對于直接式TPMS系統(tǒng)，在方案設(shè)計的時候要考慮這兒個問

題。

3.2.2.1器件的選擇TPMS的輪胎模塊包含的組件有傳感器、微控器、RF

-15-

電路、天線和電池。汽車制造商要求直接TPMS的電池能維持至少6年以

±o電池必須重量輕，體積小，電量大，且工作溫度必須為-40℃到

125℃,o由于這些限制，電池往往選擇的是鈕扣式電池而不是大號電池。

組件除了要盡可能的低功耗外，壓力傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對

TPMS而言至關(guān)要。如果沒有這些關(guān)鍵特性，整個系統(tǒng)的精確性和可靠性將

成問題。所謂傳感器介質(zhì)兼容性，主要指的與不同種類的介質(zhì)，如水楊酸、

污水、磷酸鈉等接觸時所表現(xiàn)出來的不受干擾性。因為輪胎模塊是內(nèi)置于輪

胎內(nèi)部的，所以電子組件面對的是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境，除了一40℃到

125c的寬工作溫度范圍外，還將面對潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵

襲。TPMS傳感器特別容易被腐蝕，因為它的壓力進口必須與空氣接觸才能

監(jiān)測周圍的壓力。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護A”。

3.222功耗輪胎模塊裝置在輪胎內(nèi)部，更換電池不便，所以輪胎模塊的

功耗管理顯得尤為重要。減少功耗可以從硬件和軟件上兩方面考慮。

硬件低功耗設(shè)計就是選擇低功耗組件、使用具有集成功能的組件來減少

組件數(shù)量。采用運動開關(guān)或加速度傳感器，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時，輪胎模

塊停止運行，取消發(fā)送以節(jié)省電量。多數(shù)情況下，車輛處于停車狀態(tài)的時間

比真正行駛時間要長得多。因此這種方法可以大幅度節(jié)省電量。另外在電路

設(shè)計的時候，要避免與微控制器管腳直接相連的電阻在休眠狀態(tài)下消耗電

能；對高阻輸入的I/O弓|腳，應(yīng)該在外部上拉到高電平或者下拉低電平，

以免懸空狀態(tài)下的雜散信號侵入引起開關(guān)電流。

軟件設(shè)計中高效的算法可調(diào)節(jié)發(fā)射和測量頻率。在軟件設(shè)計的時候，可

能要考慮以下這些問題：

1.數(shù)據(jù)測量的頻率是多少？如果測量頻率高，加大電量的消耗；如果

頻率低，容易漏報，不能實時的監(jiān)測輪胎的狀態(tài)。

2.如何判斷汽車是否處于行駛狀態(tài)？在汽車停止行駛的時候使整個系

統(tǒng)處于睡眠模式，這樣可以大幅度節(jié)省電量。

3.數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率是多少？延長發(fā)射間隔顯然可以降低功耗，但需要

在此與數(shù)據(jù)可靠性和用戶獲取信息的及時性之間進行權(quán)衡。

4.是否需要重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)？因為對一個完整的直接式TPMS系統(tǒng)而

言，4個輪子中的輪胎模塊同時工作。而這4個模塊都是相互獨立的，無法

互相交流，所以在和唯一的中央監(jiān)測器通信時，必然存在一定的沖突概率。

并且輪胎模塊工作環(huán)境十分惡劣，干擾強，存在一定接收不到的概率。

5.每個數(shù)據(jù)幀的長度設(shè)為多少？發(fā)射芯片發(fā)射數(shù)據(jù)時要比輪胎模塊上

-16-

其他任何部分消耗更多的電池能量，因此傳輸較短的數(shù)據(jù)幀能顯著延長電池

壽命。

3.2.2.3可靠性TPMS的可靠性是由多種因素決定的，其中系統(tǒng)的抗干擾

能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。因此在輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，特別是涉及

到了高頻無線信號，必須考慮與設(shè)計系統(tǒng)的抗干擾能力。抗干擾設(shè)計主要包

括硬件抗干擾設(shè)計和軟件抗干擾設(shè)計，由于系統(tǒng)在高頻無線信號的收發(fā)，還

應(yīng)該特別關(guān)注了高頻線路印刷電路板的設(shè)計由L

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，為了消除高頻信號對數(shù)字電路的干擾，在微控制

器，傳感器等數(shù)字芯片的電源供應(yīng)端，并聯(lián)電解電容，消除高頻信號的干擾

t29]o在元件布局和布線設(shè)計中，電源線盡可能的粗些，地線進行覆銅，按

鍵盡量的遠離微控制器，因為它會產(chǎn)生較大的電磁干擾陰。對一些信號

線，盡可能粗和短，拐角時走135度斜線或者弧線，避免90度拐角；進行

“包地”等屏蔽，數(shù)字線與模擬線分開走線，若無法避免，則兩者應(yīng)垂直走

線，大電流快變信號線盡量靠近地線，必要時，采取電容濾波；PCB外接

信號線盡量縮短。系統(tǒng)中時鐘信號關(guān)系到微控制器的運行和信號的無線收

發(fā)，為避免干擾，采取以下措施：晶振與芯片引腳的連線盡可能的粗和短，

用地線包圍振蕩電路，大電流快變信號遠離晶振連線⑶】。

硬件系統(tǒng)采用的抗干擾措施，只能抑制高頻率段的干擾，仍有一些干擾

會侵入系統(tǒng)，因此，除了采用硬件抗干擾方法外，還必須采用軟件抗干擾措

施。采用軟件抗干擾的前提是系統(tǒng)的抗干擾軟件不會因干擾而受到損壞。由

于程序及一些重要的數(shù)據(jù)放在ROM區(qū)，這就為軟件抗干擾設(shè)計創(chuàng)造了良好

的前提，并且在系統(tǒng)中所有RAM區(qū)的數(shù)據(jù)在破壞后，系統(tǒng)復(fù)位的情況下，

完全能夠重新建立，這些都為軟件的抗干擾設(shè)計提供了條件。

干擾引起的程序運行失常，以至于系統(tǒng)的失效，是一種比較嚴(yán)重的干擾

后果，一般會造成程序跑飛或者陷入死循環(huán)，對這種干擾后果的軟件對策主

要是發(fā)現(xiàn)失常時，能夠及時引導(dǎo)程序恢復(fù)原始狀態(tài)。

對于干擾引起無線通訊信號變化的抗干擾設(shè)計，考慮采用哪種調(diào)制方

式，以提高了通訊的抗干擾能力，再者通訊數(shù)據(jù)中采用哪種校驗，提高數(shù)據(jù)

的檢錯率。

-17-

3.3TPMS的方案的總體設(shè)計

3.3.1硬件的總體設(shè)計

系統(tǒng)方案的總體框圖如圖3-1所示。這個輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)需要四個輪

胎模塊和一個接收模塊，四個輪胎模塊和接收模塊進行無線傳輸。

圖3-1系統(tǒng)總體框圖

Fig.3-1BlockdiagramofSystemgeneral

3.3.1.1胎模塊的硬件總體設(shè)計輪胎模塊的功能主要有兩種：信號采集處

理和信號發(fā)射。從傳感器采集的信號，由微處理器完成采樣，然后由微處理

器進行數(shù)據(jù)分析處理，再進行軟件編碼，將數(shù)據(jù)幀送給射頻發(fā)射電路；信號

經(jīng)調(diào)制后發(fā)射給接收模塊。設(shè)計框圖見圖3-2。

傳感器一信號處理信號發(fā)射

念]

電池

圖3-2輪胎模塊框圖

Fig.3-2Blockdiagramoftiremodule

3.3.1.2收模塊的硬件總體設(shè)計接收模塊的功能主要有信號接收、信號處

理、顯示數(shù)據(jù)和報警，包括射頻接收電路、信號處理、顯示報警及人機接口

四部分；如圖3-3所示。由輪胎模塊發(fā)射出來的射頻信號放大解調(diào)后，將數(shù)

字信號送給微處理器。微處理器再進行譯碼，從數(shù)據(jù)幀中提取各輪胎的位置

和壓力值和溫度值等；然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力和溫度等值，

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聲光報警等。人機接口部分主要包括LED指示燈，按鍵等。

LCD,按

信號接收信號處理

=q鍵等

公仆

電源

圖3-3接收模塊框圖

Fig.3-3Blockdiagramofrecivemodule

3.3.2輪胎模塊軟件的總體設(shè)計

軟件總體分為睡眠模式和工作模式2種運行模式。

睡眠模式是以最低的功耗運行，響應(yīng)系統(tǒng)的運行要求。

工作模式主要完成以下功能：

1.定時測量輪胎壓力、溫度等狀態(tài)量；

2.壓力在不同級別區(qū)域內(nèi)有報警時，同一個級別只上報一定次數(shù)。

3.壓力無明顯變化，固定間隔時間段上報一次壓力、溫度。

4.保證系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)每隔一定時間復(fù)位一次。

5.不同級別報警同時出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級別的優(yōu)先級報。

3.4輪胎定位技術(shù)研究

3.4.1輪胎定位和重定位問題

汽車因為前后左右車輪負(fù)荷不均、前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向、前后軸懸掛角度不同

等原因，通常各輪胎磨損的位置和程度也不同。前驅(qū)動前轉(zhuǎn)向車為了提高過

彎中的穩(wěn)定性，多數(shù)后輪外傾角比前輪大很多，像外“八”字型（也有少數(shù)

車做成內(nèi)''八"字型，這是懸掛設(shè)計決定的），所以后輪就容易內(nèi)外偏磨，

此時輪胎截面成梯形。后輪驅(qū)動也會出現(xiàn)相應(yīng)的輪胎偏磨現(xiàn)象。為了延長輪

胎的使用壽命，達到四個輪胎同步均勻磨損的效果，就需要定期進行輪胎換

位。

在輪胎換位的過程中，相應(yīng)的胎壓遙測模塊也會換位。這就導(dǎo)致了原來

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存儲在接收模塊存儲器中的ID碼與各輪胎對應(yīng)關(guān)系表失效，如果不更新表

項，顯示就會錯位。

同樣，如果調(diào)換新的輪胎，或者某一輪胎的胎壓遙測模塊損壞，用戶需

要更換該模塊時，新模塊的DI碼與已損壞的胎胎模塊不同，且不在現(xiàn)存對

應(yīng)關(guān)系表中，導(dǎo)致更換模塊的信息不可識別而被丟棄。這樣在輪胎換位或調(diào)

換輪胎時就存在一個輪胎重新識別的問題。

3.4.2TPMS輪胎定位技術(shù)研究

目前為了解決TPMS輪胎更換和輪胎換位時的定位以及重定位問題，

主要采用了定編碼形式，界面輸入，低頻喚醒，天線接受近發(fā)射場等四種定

位技術(shù)。然而這四種技術(shù)在實際應(yīng)用中都存在著明顯的不足。作者在對一個

直接式TPMS系統(tǒng)的設(shè)計和研究過程中，研究開發(fā)了區(qū)分傳感器和界面輸

入混合使用的輪胎定位技術(shù)，使得輪胎定位更簡單有效。3

1.定編碼形式：接收顯示模塊中微控制器的存儲器中的碼與輪胎對應(yīng)

定位關(guān)系信息在出廠時固化。在TPMS胎壓遙測模塊的外殼上有標(biāo)記，安

裝時按照標(biāo)記將胎壓遙測模塊安裝在對應(yīng)的輪胎內(nèi)。不足之處是：使用中不

能安裝錯位，否則定位混亂，同時若一發(fā)射模塊損壞，用戶不能方便地從市

場上購買到相同碼組的模塊更換，必須到廠商購買與前一損壞模塊編碼?致

的模塊。輪胎換位時，胎壓遙測模塊不能跟隨輪胎的變動而變動，而必須按

照其標(biāo)記位置重新拆卸和安裝，非常麻煩。

2.界面輸入式：該定位技術(shù)是將每個胎壓遙測模塊的識別ID碼打印

在外包裝或產(chǎn)品上，但當(dāng)輪胎換位或發(fā)射模塊損壞后，就將識別ID碼按鍵

輸入到接收端，進行重新定位。不足之處是：識別ID碼一般都很長，所以

輸入就非常不方便，用戶也容易出現(xiàn)碼組輸入錯誤的問題。而且按鍵多，在

本來就儀表眾多的車上，將會顯得十分突兀。

3.低頻喚醒式：這是目前各大開發(fā)公司用的比較普遍的一種技術(shù)。該

定位技術(shù)是利用LF（低頻）信號（125kHz）的近場效應(yīng)。在該方案中，

TPMS系統(tǒng)可以結(jié)合遙控車鎖技術(shù)或在中央監(jiān)視器上集成LF發(fā)送模塊。通

過近距離對相應(yīng)輪胎發(fā)出LF信號，單獨觸發(fā)對應(yīng)輪胎的胎壓遙測模塊，然

后被觸發(fā)的胎壓遙測模塊將身份識別碼通過RF發(fā)射，接收模塊RF接收得

到相應(yīng)輪胎模塊的身份識別碼，從而自動確定輪胎位置。TPMS系統(tǒng)通過單

獨觸發(fā)各個胎壓遙測模塊，可以依次收集各個輪胎的數(shù)據(jù)，避免了定時隨機

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方式可能發(fā)生的數(shù)據(jù)發(fā)送：“撞車”事件，提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。

該定位方式的不足之處有三個：

a.胎壓遙測模塊需要四個LF天線，增加了布線量。

b.LF信號可能會誤觸發(fā)相鄰的發(fā)射檢測模塊。

c.由于汽車上電磁環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾，會對低頻信號造成干

擾，導(dǎo)致身份識別失效。

4.天線接收近發(fā)射場式：該定位技術(shù)是接收顯示模塊有四個接收天

線，分別延伸到每個輪20?30cm的近場內(nèi)，接收天線由數(shù)控微波開關(guān)控

制。當(dāng)需要接收某個輪胎胎壓遙測模塊的信息時，只閉合靠近該輪胎的接收

天線的微波開關(guān)，而關(guān)閉其它微波開關(guān)。

該定位技術(shù)的不足之處在于：

a.天線布線復(fù)雜，微波開關(guān)成本高，而且目前技術(shù)水平下RF開關(guān)隔

離度不夠，有串碼（即接收到了別的輪胎的信息）的可能。

b.由于汽車上電磁環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾，也存在定位失效的可

能。

c.射頻開關(guān)的導(dǎo)通時序是按一定規(guī)則的，而4個輪胎發(fā)射檢測模塊的

發(fā)射是隨機的，故存在某個輪胎附近的射頻開關(guān)導(dǎo)通時，該輪胎的發(fā)射檢測

模塊正好沒有發(fā)射信號的可能，導(dǎo)致漏幀。

5.區(qū)分傳感器和界面輸入式：所謂區(qū)分傳感器，即輪胎模塊在出廠時

即設(shè)定好安裝位置。需要占用單片機兩個通用I/O口，通過短接高/低電平

實現(xiàn)一個非常簡單的二元編碼。比如00代表前左、01代表前右、10代表后

左、11代表后右。這兩個bit將被作為發(fā)送幀的?部分送至中央監(jiān)視器，由

微控制器譯碼后決定接收數(shù)據(jù)的歸屬。當(dāng)然為了避免接收到其他汽車上的無

效信.息，傳感器唯一的ID碼是必須發(fā)送的，接收模塊微控制器需要存儲屬

于本車系統(tǒng)的4個傳感器IDo

實現(xiàn)流程如下：

a.輪胎換位：需要按鍵修改中央模塊的輪胎位置設(shè)置。在默認(rèn)的情況

下，如前所述，00代表前左、01代表前右、10代表后左、11代表后右。但

由于行駛中后輪容易磨損，而可能需要將前后輪換位，繼續(xù)行駛。此時，需

要記住換位前后4個輪胎的位置，并在中央監(jiān)視器中進行相應(yīng)的設(shè)置修改。

比如前左和后左輪胎換位時，10就代表前左、而00則代表后左。此時中央

監(jiān)視器就需要變換原來前左和后左的輪胎位置信息，從而實現(xiàn)換位更新。

b.輪胎更換：因為同類產(chǎn)品在出廠時就已經(jīng)設(shè)定好位置，所以只需購

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買與欲替換輪胎相同位置的胎壓遙測模塊即可。但是此時傳感器唯一ID顯

然發(fā)生了變化，所以中央監(jiān)視器需要具有“學(xué)習(xí)”的功能。這可以通過設(shè)定

接收到同一舊次數(shù)超過某預(yù)設(shè)值后即認(rèn)為這個ID屬于本系統(tǒng)。也就是說，

新的傳感器在安裝后的短時間內(nèi)，可能會由于系統(tǒng)的自我保護性，而不被原

系統(tǒng)認(rèn)可。但考慮到新安裝輪胎出現(xiàn)問題的概率非常小，而且從安裝完成到

起車本來就可能有一?段比較長的時間，所以這段時間的漏幀并不會對系統(tǒng)造

成任何不利的影響。

3.5TPMS方案主要芯片的選型

從系統(tǒng)角度考慮，如果確定了系統(tǒng)所需使用的主要芯片，則系統(tǒng)總體方

案也隨之確定，因為隨后的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都是在此基礎(chǔ)上進行的。因

此，下面將講述本系統(tǒng)方案中主要芯片的選型，選型時綜合考慮性能、價

格、供貨等因素。

3.5.1傳感器的比較與選擇

TPMS傳感器是包括壓力傳感器、溫度傳感器、電池電壓檢測、內(nèi)部時

鐘等組件的智能傳感器。目前主要有硅集成電容式壓力傳感器，如

Freescale的MPXY8020.MPXY8040,和硅壓阻式壓力傳感器，如GE的

NPXKNPXII和Infineon的SP12、SP30。電容式壓力傳感器是將壓力的變

化轉(zhuǎn)化成電容量，通過檢測電容量來判斷壓力的大小，具有動態(tài)響應(yīng)時間

小、靈敏度高和受環(huán)境影響小等特點。壓阻式壓力傳感器則是采用半導(dǎo)體電

阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變化測量電路的，具有精度高，易于微型

化和集成化等特點。但是由于半導(dǎo)體材料對溫度極為敏感，所以其性能受溫

度影響較大，產(chǎn)品的一致性較差。

傳感器是直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的器件，主要從以下

幾個方面考慮：

1.滿足-40?125c的使用溫度范圍要求。

2.為實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，選擇能夠檢測加速度的傳感器。

3.能夠檢測電池電壓，低電壓時報警。

4.檢測精度要高。

下面首先簡要的介紹目前兒種主要傳感器的性能與特點，然后再對它們

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進行比較并給出選擇方案。

1.GE公司的