汽車輪胎壓力監測系統的實現★

劉燦，王文煒，龍祖強，許岳兵

(湖南衡陽師范學院 物電系, 湖南衡陽，421008）

0 引言

輪胎是汽車的重要組成零部件，事關行車安全。安全專家指出：時速超過160km以上，爆胎而造成的死亡率幾乎接近100%。在中國高速公路上發生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，每年有26萬起交通事故是由于輪胎壓力偏低、偏高或滲漏引起的，造成巨大的經濟損失和生命危害[1]。但汽車爆胎問題已不是輪胎廠家單獨所能解決的。我國目前還沒有防止爆胎的相關強制性國家標準，但是中國企業正在研發比美國的汽車輪胎壓力監視系統更為先進、安全的系統，不僅能自動監測胎壓，而且還能對爆胎后實施安全救助。國內目前中科院自動化研究所和三角輪胎公司正在合作進行，采用聲表面波技術研制開發汽車輪胎監測技術這方面的研究工作。上海交通大學也在進行TPMS(Tire Pressure monitoring System，汽車輪胎壓力監測系統)的開發研究，他們推出的SAW傳感器能同時測量輪胎內壓力、溫度和發射數據，不僅實現了智能輪胎信息的無源測量和無線傳輸，而且將擁有中國人自主的知識產權。

本文在對汽車輪胎壓力監測系統的工作原理和所涉及的關鍵技術做了深入地研究后，提出了SP30+TDK5100F―TDA5210+MCU的實現方案。此方案最大的優點是低功耗、高集成，有極高的可靠性和方便的人機交互能力[2]。

1 汽車輪胎壓力監視系統的實現方案

汽車輪胎壓力監測系統的總體設計方案如圖1所示。

胎壓遙測模塊以MEMS壓力、溫度集成傳感器SP30為核心器件，實現輪胎壓力和溫度的檢測，以及測量數據的處理，通過超高頻發射器將采集的數據進行無線傳輸。中央監視器模塊由超高頻接收器和HT49R50A-1微控制器構成，完成信號的接收、解調、處理、顯示和報警。系統實時監測輪胎氣壓，當輪胎狀態異常時，立即發送輪胎狀態信息，中央監視器模塊微控制器對報警信息進行接收確認，隨后向駕駛員發出聲光警報并提示輪胎出現異常狀況，繼續行駛會使輪胎損害或產生危險[3]。

2 輪胎壓力監視系統的硬件實現

汽車輪胎壓力監測系統的硬件電路按系統功能劃分，可分為胎壓遙測模塊和中央監視模塊兩大部分。其中，胎壓模塊整體安裝在輪胎內，主要完成輪胎壓力和溫度數據的采集、數據的初步處理以及信息的無線傳輸功能。中央監視模塊安裝在汽車駕駛室內，主要完成信息的無線接收、數據的分析處理、聲光報警控制等功能[4]。

2.1 胎壓遙測模塊硬件設計

在不斷高速旋轉的輪胎內部封閉工作環境中，要求輪胎模塊體積盡量小、重量盡量輕。為此，根據胎壓遙測模塊實現的系統功能，將其細分為胎壓數據采集、處理電路和發射電路兩部分。其中胎壓數據采集、處理核心單元是SP30傳感器，射頻發射芯片TDK5100F內部自帶的功率放大器與其匹配的外圍器件一起構成發射電硬件電路，原理框圖如圖2所示。

圖1 TPMS系統設計框圖

圖2 胎壓遙測模塊硬件電路框圖

2.2 中央監視器硬件電路設計

位于汽車駕駛室內的中央監視器模塊，主要完成信息的接收、數據的區分處理、聲光報警控制以及系統特征值設定等功能。因為中央監視器的供電來自汽車內部自供電，所以接收端可以不考慮功耗問題。中央監視器模塊是設計輪胎壓力監視系統的核心部分，由射頻接收電路、微處理器電路、LCD顯示電路、數據存儲電路、聲光報警電路及人機交互功能的按鍵電路6部分組成[5]。中央監視器硬件電路框圖如圖3所示。為了簡化接收端的設計，將接收解調芯片輸出直接連接HT49R50A-1的外部中斷INT0輸入端。由圖3可以看出，TDA5210與單片機之間只要一條數據線連接，實現數據接收。從射頻電路設計的角度考慮，增強中央監視器接收電路的前端電路性能是設計的關鍵。電路設計時要特別注意天線和輸入電路的匹配，考慮LNA（Low Noise Amplifier，低噪聲放大器）的地線和電源濾波因素，盡量減少信號衰減。

圖3 中央監視器硬件框圖

2.3 人機交互功能設計

人機交互，涉及到最終用戶使用的方便、簡潔，關系到系統的推廣，甚至影響到系統的開發是否成功。在輪胎壓力監視系統中，首要的是中央監視器模塊能向駕駛員提供必要的信息：輪胎壓力、輪胎溫度、輪胎模塊電源狀態等；在報警時，能同時進行聲光報警，迅速提請駕駛員的注意；并且可以根據用戶的需求，可以設置胎壓報警門限，適應不同車輛的需求。系統人機交互中包括3部分：聲光報警部分、LCD顯示部分和按鍵輸入設置部分[6]。現就聲光報警部分做詳細說明。

本系統通過蜂鳴器、系統狀態LED燈來實現系統報警功能。報警電路框圖如圖4所示。

圖4 報警單元總體設計框圖

LED燈報警電路如圖5所示。LED燈報警電路中，綠色LED是系統運行狀態指示燈，紅色LED是輪胎狀態信息指示燈。當輪胎氣壓、溫度達到預警門限時，紅色LED開始閃爍，直到駕乘人員按鍵清除報警狀態，起到對駕乘人員預警的作用。

圖5 LED燈報警電路

蜂鳴報警電路如圖6所示，當系統檢測到輪胎的異常工作狀態時，中央監視器的MCU同時向PA5、PA7端口發射控制指令，紅色LED閃爍、同時蜂鳴器開始蜂鳴發出報警信息，提醒駕駛員及時檢查輪胎故障原因[7]。

圖6 蜂鳴報警電路

3 汽車輪胎壓力監測系統的軟件實現

軟件設計是汽車輪胎壓力監視系統研究工作的重要組成部分。本系統的輪胎溫度和壓力數據的采集，人機交互，射頻信號的收發，數據分析、顯示和報警，都需要通過軟件來實現的。因此開發性能優良、工作穩定的應用軟件是整個系統能夠正常和可靠運行的基本前提。系統軟件的設計就是為了在硬件電路基礎上實現系統的應用智能化，在汽車輪胎壓力監視系統的軟件設計中，必須要考慮到系統應用的實際情況和具體技術性能要求，才能設計出符合現場要求的應用系統[8]。本系統軟件總體設計包括胎壓遙測模塊的軟件設計和中央監視器模塊的軟件設計，其功能結構如圖7所示。

圖7 系統軟件框圖

圖7中，中央監視器和胎壓遙測模塊的初始化軟件主要完成系統硬件的初始化以及系統的一些初始信息的提取。數據采集模塊主要是通過控制傳感器芯片SP30傳感器完成對輪胎氣壓和溫度的檢測，獲取溫度壓力信息。無線發射模塊與無線接收模塊一起，完成數據的無線通訊功能，將信號由輪胎模塊傳送到接收器模塊。接收信號處理軟件完成接收信號的處理，判斷應該報警還是實時循環顯示輪胎的溫度、壓力。數據顯示和報警軟件要求在輪胎正常情況下，進行壓力和溫度循環顯示，在異常情況下，采用語音和燈光兩種形式向駕駛員進行警報。按鍵設置軟件模塊完成用戶設置監視系統的功能，滿足各種用戶的需要。各個功能模塊分別在輪胎模塊和接收器模塊的主控程序統一協調下發揮自己的作用，確保汽車輪胎監測系統總體功能得到實現。

4 汽車輪胎壓力監測系統方案的測試

測試目的：無障礙通信測試

測試環境：中央監視器放置在汽車駕駛室內，車載12V電源供電；胎壓遙測模塊安裝在輪胎內，對輪胎充氣到3Bar；在駕駛室外，用場強儀測定發射功率，記錄功率值；在駕駛室內，用場強儀測量接收靈敏度，記錄功率值。

測試步驟：編寫測試測序，胎壓遙測模塊監測到氣壓大于標準大氣壓時，間隔10s采集發射數據，中央監視器接收到信號，立即顯示并進行蜂鳴報警。

測試結果：氣壓在2.5Bar時，場強儀測量結果如表1所示。

表1 功率實驗測試結果

由表1可得如下兩點結論：1）汽車輪胎、駕駛室殼體對發射器功率衰減均為10dB；2)系統可以正常進行通信，中央監視器接收靈敏度<-73dBm。

上述兩點結論說明本文所采用SP30+TDK5100F― TDA5210+MCU實現汽車輪胎壓力監測系統的方案切實可行。另外，由于本系統采用了SP30芯片，所以可以實現低功耗、高集成，有極高的可靠性。

5 結論

本文采用SP30+TDK5100F―TDA5210+MCU實現汽車輪胎壓力監測系統，設計了胎壓遙測模塊、中央監視器模塊和人機交互功能模塊的硬件電路，給出了系統的軟件框圖并進行了相關的測試，測試證明該方案切實可行，具有極大的開發前景。

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[3] 權曉鵬.汽車輪胎壓力監視系統研究與開發[D].太原:中北大學,2008.

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[5] 李珊.基于SP12的汽車輪胎狀態監測系統設計[J].電子元器件應用,2007,9(3):42-44.

[6] 孫宏偉.汽車輪胎爆胎預警系統的研制[D]. 長春:吉林大學,2005.

[7] 王文濤.單片機語音報警系統的設計[J].長春光學精密機械學院報,1999(3):68-70.

[8] 李文印,周斌,伶志臣.輪胎壓力監測系統設計及實現[J].汽車技術,2004(2):23-27.