商用車生產線分布式胎壓匹配方案設計

黃 帥， 周 旋， 王 凱， 李頎楠， 郭聰聰

（徐州徐工汽車制造有限公司， 江蘇 徐州 221000）

1 引言

輪胎壓力監測系統 （TPMS），主要作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進行實時監測，當汽車輪胎處于亞充氣狀態時，TPMS系統將向駕駛員發出警告，避免汽車在輪胎充氣壓力不足情況下負重行駛而導致交通事故，從而確保汽車行駛安全。一般在汽車下線前，整車廠都會對汽車進行胎壓匹

配［1-3］。

商用車的輪胎數目較多，輪胎數目從6個到14個不等，不同車型的車橋配置不同，車橋安裝的輪胎數目也不相同。傳統的胎壓匹配方案一般將胎壓匹配功能放在輪胎裝配工位進行，需要操作人員按照一定順序，逐一激活輪胎傳感器，再將傳感器ID通過OBD口寫入TPMS控制器，最后將車輛識別碼與傳感器ID綁定上傳MES系統，繁瑣的操作和工位占用，既影響了生產節拍，也存在因為輪胎并排安裝導致的錯位激活的風險，嚴重不符合整車廠對車輛品質的管控要求。相比之下，本文提出的分布式胎壓匹配系統可以很好地解決上述問題。

輪胎壓力監測系統 （TPMS）作為汽車三大安全系統之一，與防抱死制動系統 （ABS）、安全氣囊 （ABM）系統一樣，越來越受到整車廠重視。目前，針對胎壓匹配系統的研究主要集中于TPMS控制器和CAN總線通信的實現，對于商用車生產線如何進行胎壓匹配的研究并不多。在文獻4中，張暢提出了一種基于ABS自適應定位算法的胎壓監測系統的方案，通過多次數據采集，并對數據進行線性統計，從而實現胎壓定位與檢測。文獻5中，李安和張莉提出了一種基于Power Architecture處理器的便攜式TPMS輪胎定位匹配儀設計，實現了手動胎壓匹配。文獻6中，喬曉華和華楚霞提出了一種基于各輪加速度信息及信號強度的自動胎壓匹配方案，實現了汽車在行駛過程中進行自動胎壓匹配，該方案不適用于整車廠進行批量生產時的胎壓匹配。

本文基于生產線MES系統設計了分布式胎壓匹配系統，該系統從MES獲取生產計劃和車型配置，計算裝有胎壓傳感器輪胎的次序，結合位置傳感器觸發的信號，自動調用傳感器激活程序獲取每個輪胎預裝傳感器的ID，并將傳感器ID和車輛識別碼 （VIN）綁定上傳MES系統。在生產線末端進行汽車下線配置和功能檢測時，根據VIN下載對應的傳感器ID，再通過統一診斷協議寫入到TPMS控制器內，最終實現了自動化的匹配過程。

2 實現方案

2.1 整體方案設計

胎壓匹配實現的是將輪胎內置傳感器的ID與輪胎位置綁定的過程。汽車輪胎的氣門芯處會安裝內置傳感器，傳感器不斷采集氣壓信號和溫度信號，并將采集的信號轉換成電信號，再通過無線發射器將信號發射出去。

胎壓匹配就是利用這一原理，通過特定的頻率去激活傳感器，再將傳感器發射出來的信號接收回來，分析其中信息，將傳感器ID、溫度、壓力剝離出來，按照一定順序組合，通過統一診斷協議寫入到TPMS控制器中，實現輪胎位置和傳感器的綁定［7-8］。

本方案將輪胎傳感器激活和采集傳感器ID的功能放置在輪胎輸送線進行。在左右輪胎輸送線末端1m空間內各設置一套無人值守的胎壓激活設備，整個系統由工控機、上位機軟件、傳感器激活設備、光電開關、通信線束、護欄等組成，其中傳感器激活設備選用的是法國ATEQ生產的VT520及配套天線。系統方案原理示意圖如圖1所示。

圖1 胎壓匹配系統方案原理示意圖

上位機軟件與MES系統通信，自動抓取當日排產計劃，根據每臺車的配置信息，計算總輪胎數目和安裝TPMS車的數量及次序。在輪胎輸送過程中，上位機循環采集光電開關信號，當安裝了TPMS的車進入輪胎安裝工位后，上位機軟件判斷出安裝有傳感器的輪胎進入激活工位后，控制VT520驅動天線激活輪胎傳感器。當該車所有輪胎全部激活完畢后，上位機軟件自動將輪胎傳感器ID按照一定順序與VIN綁定上傳MES系統。本文設計的胎壓匹配方案基本工作步驟如圖2所示。

圖2 胎壓匹配方案基本工作步驟

2.2 MES接口設計

上位機軟件與MES系統之間的通信通過HTTP協議實現，數據格式以xml形式定義。xml文件主要包含VIN碼、驅動形式、輪胎總數量、安裝胎壓傳感器的輪胎數量、排產日期等節點。上位機軟件啟動后，通過調用一次通信接口，下載當日所有排產車的胎壓配置信息。輪胎輸送線上位機軟件下載接口的xml數據格式定義如圖3所示。

圖3 輪胎輸送線上位機軟件下載接口數據格式

上傳接口主要包含VIN碼、驅動形式、輪胎總數量、安裝胎壓傳感器的輪胎數量、傳感器ID、激活時間等節點。上傳接口的xml數據格式定義如圖4所示。

圖4 上傳接口數據格式

當待檢車進入生產線末端時，生產線末端檢測工位上位機軟件根據待檢車VIN碼，從服務器下載該VIN碼對應的胎壓傳感器ID數據。xml文件主要包含VIN碼、驅動形式、輪胎總數量、傳感器ID等節點。下載接口的xml數據格式定義如圖5所示。

圖5 下載接口數據格式

2.3 輪胎排序方法設計

當第1個輪胎觸發光電開關后，上位機軟件啟動循環例程。假設第n臺車駛離工位，那么在此之前，已經有T+2個輪胎經過左右兩邊的激活工位，T的計算方法如公式 （1）所示。

其中，a1，a2，a3……an代表每臺車需要安裝的輪胎數量。

當第n+1臺車駛入工位，上位機軟件從列表中查詢第n+1臺車配置信息，獲取該車VIN碼、總輪胎數量、驅動形式等信息，并根據驅動形式解析出該車輪胎布局和安裝帶有胎壓傳感器的輪胎位置。假設該車安裝了10個輪胎，其中6個輪胎安裝了胎壓傳感器，輪胎布局形式如圖6所示。

圖6中，前橋和中橋安裝了帶有傳感器的輪胎，后橋4個輪胎未安裝傳感器。在輪胎輸送線上，左右兩邊各輸送5個輪胎，那么上位機軟件根據左右激活工位的光電開關觸發的信號，分別激活3個輪胎。此時，第n+1臺車所有帶有胎壓傳感器的輪胎全部激活完畢，上位機再次收到光電開關信號后，只計算總輪胎數目，不再觸發激活例程。當輪胎數目達到10個輪胎后，上位機將傳感器ID按照特定順序排列并綁定VIN碼回傳MES系統。

圖6 輪胎布局圖

2.4 生產線末端胎壓匹配UDS編程設計

統一診斷服務 （Unified Diagnostic Services）簡稱UDS，基于UDS協議的胎壓匹配過程是按照UDS規定的相關服務命令實現上位機與TPMS控制器的通信。本文參考市場上大多數商用車的診斷流程，設計了UDS 編程步驟，如圖7所示。

圖7 輪胎布局圖

TPMS控制器收到上位機軟件診斷會話服務請求后，會話模式由默認會話模式切換到擴展會話模式。在進行TPMS參數寫入之前，需要對TPMS控制器進行安全解鎖，上位機向控制器發送請求Seed的診斷服務，控制器返回一組隨機生成的Seed。上位機通過特定的安全算法計算出密鑰，并按照一定順序發送給控制器，控制器收到密鑰后進行內部校驗，如果密鑰正確則解鎖控制器，如果密鑰錯誤則返回否定響應碼。

TPMS 解鎖成功后，上位機通過寫入診斷服務向TPMS 寫入傳感器ID。寫入成功后，通過復位診斷服務進行控制器復位。復位完畢，上位機軟件再從控制器讀取胎壓傳感器ID并與寫入的值進行比對校驗，兩者一致則胎壓匹配成功，兩者不一致則胎壓匹配失敗。

3 仿真測試

恒潤科技TESTBASE-VCI總線通信卡提供了一套完整的函數庫，包括himetal3api.lib、himetal3api.dll、himetal3api.h等文件，通過對函數庫進行二次開發和調用，可以實現CAN卡通道連接與打開、診斷參數設置、診斷服務發送與接收等功能。ATEQ的VT520提供了豐富的設計文檔，上位機軟件可以通過串口通信的方式控制VT520驅動天線激活和關閉［9］。通過PLC采集光電開關信號可以實現輪胎位置感知和計數功能。本文選用的PLC型號是西門子S1200，光電開關型號是歐姆龍E3JK-TR12-C。胎壓傳感器、TPMS控制器分別是從報廢車輛上拆卸下來的實物，將傳感器安裝在紙箱側壁來模擬輪胎。TPMS控制器與CAN卡之間通過特制線束進行連接。

MES系統軟件采用JAVA語言編程，在Eclipse平臺上開發，主要包括數據存儲、查詢、下發等功能，數據庫使用的是MySQL 5.7。MES系統軟件部署在阿里云服務器。

上位機軟件在VS2017平臺上開發，采用C#語言編程。上位機軟件與MES之間的通過HTTP協議實現通信，微軟提供了一套完整的API，可以直接調用System.Net下的接口實現下載、上傳等功能。

本文使用VS自帶的Winform框架設計上位機軟件GUI界面，如圖8和圖9所示。

圖8 輪胎輸送線上位機軟件界面

圖9 生產線末端上位機軟件界面

本文在測試中模擬生產線排產2臺車，其中第2臺安裝了TPMS控制器，驅動形式是6×4，安裝了2個帶有傳感器的輪胎。上位機軟件從MES下載的生產計劃xml文件如圖10所示。

圖10 生產計劃xml文件

當輪胎輸送線上位機軟件循環讀取到光電開關信號，計算出輪胎總個數為11時，軟件界面顯示第2臺車VIN碼，同時啟動激活例程激活輪胎傳感器。軟件界面顯示如圖11所示。

圖11 軟件激活傳感器界面

第2臺車所有輪胎經過光電傳感器之后，傳感器ID和VIN碼綁定上傳MES系統。在生產線末端上位機軟件輸入第2臺車VIN碼，軟件自動從MES系統下載該車對應的包含傳感器ID的xml文件。軟件解析xml文件，并打開總線通信CAN卡向TPMS寫入傳感器ID。軟件界面如圖12所示。

圖12 向TPMS控制器寫入界面

軟件與TPMS通信時記錄的LOG如圖13所示。

圖13 CAN總線通信LOG

實驗結果表明：本文設計的分布式胎壓匹配方案能夠自動、準確地調用傳感器激活例程，達到了設計需求，實現了商用車自動化的胎壓匹配過程。

4 結束語

本文設計的分布式胎壓匹配方案，可以有效解決當前商用車生產線胎壓匹配存在的操作繁瑣、生產節拍緊張、錯位激活等問題，既提高了胎壓匹配效率，又可以降低了錯位匹配風險。該方案的提出，提高了整車廠生產線的自動化和智能化水平，具有良好的應用前景。