Design and Realization of the Tire Pressure Monitoring System

赵　霞1　王业通1　袁康鹏1　何亚波2

(同济大学电子与信息工程学院1，上海　200092；上海隽通电子科技有限公司2，上海　200092)

汽车轮胎压力监测系统的设计与实现

Design and Realization of the Tire Pressure Monitoring System

赵霞1王业通1袁康鹏1何亚波2

(同济大学电子与信息工程学院1，上海200092；上海隽通电子科技有限公司2，上海200092)

摘要：汽车轮胎压力监测系统(TPMS)是机动车辆必备的安全装置之一，可实时了解轮胎的温度和压力，从而防止爆胎、节省汽油并延长轮胎使用寿命。在国内外已有的TPMS分析、研究基础上，依照美国现行TPMS规范，采用性能更好的器件，自主研发、设计了一套直接主动式TPMS系统,实现了加速度唤醒、间隔测量和数据发送、杂波滤除、报警显示等功能。结果表明，系统不但实现了既定功能，还保证了发射机极端情况下连续使用4年的极低功率损耗。

关键词：TPMS压力传感器微控制器无线传输低功耗

Abstract：Tire pressure monitoring system (TPMS) is one of the necessary safety devices of the vehicles, it can find out the temperature and pressure of the tires in real time, to prevent puncture, save gasoline and prolong the useful life of tires. The existing TPMS around the world are analyzed and researched, on this basis, in accordance with current standard in the States， by adopting components with better performance, the direct active TPMS is independently developed. The system implements functions including acceleration awakening, interval measurement and data sending, filter out the clutters, as well as display and alarm, etc. The result shows that the system realizes all the predicted functions, and guarantees the transmitter can be used continuously for 4 years under most extreme conditions with very low energy consumption.

Keywords：TPMSPressure sensorMCUWireless transmissionLow power consumption

0引言

在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是交通事故发生的重要原因。汽车轮胎压力监测系统(tire pressure monitor system,TPMS)可在汽车各种状态对汽车所有轮胎的压力和温度进行实时监测，并提供声、光报警及显示，可以有效地提高汽车行驶的安全性[1-3]。

欧美发达国家开发生产的TPMS较为成熟，而国内销售的是国外的TPMS系统或生产的TPMS基本是靠引进国外开发平台、生产线，没有自主知识产权。随着国家对汽车安全的重视及TPMS的广泛使用，开发拥有自主知识产权的TPMS意义重大。

系统的发射机嵌入轮胎内部，实时测量轮胎内部压力、温度等参数，并将数据发射到接收机。接收端置于车室内，依靠RF接收轮胎的无线数据，进而完成逻辑判断、智能预警等工作。该系统较之国内现有的TPMS系统有很大的优势[4-7]。

1TPMS组成及其设计要求

1.1　组成

TPMS主要分为两类:一种是基于车轮速度的间接式 TPMS，通过比较各个车轮之间转速的不同，间接判断轮胎的气压状态；另一种是基于压力传感器的直接式TPMS，通过在轮胎内部安装传感器，测量轮胎内部的温度和压力，通过无线的方式将数据发送到中央系统进行处理。直接式TPMS解决方案主要有以下三种。

① Motorola MPXY80X0 series方案：使用MPXY80x0传感器+MC68HC908RF2无线发射器+MC68HC908KX8 MCU进行系统设计。该方案须购买Motorola专用的开发环境。

② GE NovaSensor的NPX方案：NPX是GE Nova Sensor公司推出的TPMS专用芯片，是由一块带有大量外围器件的Philip 8 bit RISC内核组成的高集成度芯片。所有传感器、RF发射电路等都整合在一块芯片上。以高集成度为显著特征的GE NovaSensor NPX方案也须购买专门的开发环境。

③ Infineon 方案：基于SP12传感器 + TDK5100F无线发射器 + PIC16F628A MCU 进行单向(Simplex TPMS)系统设计的方案。此方案开放度高，无须专门开发环境，器件入手方便。

鉴于实现优势及成本考虑，本设计采纳直接式TPMS及Infineon 方案进行系统设计。TPMS框图如图1所示，TPMS分为发射机和接收机两部分，采用单工方式进行数据传送。

图1　TPMS框图

发射机嵌在轮胎里面，测量轮胎内部的气压和温度，并通过无线调制的方式将所需数据发送到接收机，发射机主要包含传感器、MCU和RF发射电路及供电电池。由于发射机置于轮胎内部，更换电池不方便，在汽车高速行驶时，轮胎内部的温度极高，所以发射机模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计显得尤为重要。本课题采用Infineon作为中央处理器。发射机中传感器采用SP12[8]，无线发射短波采用TDK5100F芯片，中央处理器采用Microchip的8位单片机PIC16F628A，锂电池供电。以上3款芯片均可以在汽车工业级条件下使用，MCU的最低功耗为纳瓦级[9]。

接收机的主要工作是接收发射机发送的数据并进行显示和告警，主要包括RF接收电路、MCU和显示报警用LCD显示模块。RF接收电路接收发射机发出的无线信号并由中央处理器负责软件滤波，并将处理后的数据显示在LCD上，将测量值与设定值比较。如果达到报警门限，就在LCD上显示报警信号，并配合LED闪烁，蜂鸣器报警。RF接收电路使用的是TDK5210，中央处理器使用PIC877A，LCD为128×64的普通LCD。

1.2　设计要求

① 发射机低功耗。轮胎模块的使用寿命要求达到3~5年，每个组件必须长期处于电流极低的待机模式或关闭状态，测量和发送时的工作效率要高。

② 接收机的数据接收和处理要求

接收机处于驾驶室内，对系统功耗的要求较低，只要求能够及时地接收到发射机发送的信号。可以在汽车底盘下安装天线，以提高信号接收能力。另外，要能对数据及时分析处理并及时报警。

③ 发射机温度、压力等参数测量范围如表1所示。

表1　参数测量范围

2TPMS的软件设计

2.1　发射机软件设计

发射机主要包括3个部分：传感器、MCU和RF发射电路。传感器和MCU之间使用SPI通信协议。由于系统对发射机的功耗要求较高，故在软件设计方面应特别注意。

2.1.1使用传感器SP12实现工作模式转换

本文采用的传感器有4种工作模式：调试模式、初始化模式、睡眠模式和测量模式。配合MCU可实现4种模式之间的转换，以达到节省功耗的目的。其工作模式转换关系如图2所示。

图2　传感器SP12的工作模式转换关系图

首先系统上电初始化，MCU向传感器发送测量命令，使传感器进入测量模式，MCU接收到传感器发送的数据就发命令使传感器进入休眠模式。MCU完成后面的工作后进入休眠模式，每隔6 s传感器发出一个Wake Up信号，作为MCU的中断源唤醒MCU，MCU向传感器发送测量命令，如此循环。

2.1.2MCU的功能设计

MCU的总体功能如下。

① 管理所有外围设备。MCU是系统的重要部分，连接着系统其他各个部分，与各个外围器件之间进行数据传送，并对各个外围器件进行电源管理，使外围器件在工作模式和休眠模式之间切换，达到省电的目的。

② 进行压力、温度、加速度、电池电压的测量，以及传感器状态的检测。

③ 无线发射控制。

④ 电源管理。发射机处于轮胎内部，不能经常更换电池，系统的功耗必须尽量降到最低。

系统的低功耗设计主要体现在以下几个方面。

① MCU唤醒的实现。传感器SP12无论处在工作模式还是休眠模式，其内部的2.5 kHz低频计数器都处于工作状态，每隔6 s发出一个低电平脉冲信号。该信号作为MCU的中断源信号，在MCU休眠状态下可以实现唤醒。

② 系统加速度唤醒的实现。当汽车静止时，并不需要进行压力、温度等参数的测量，实现加速度唤醒可以使发射机在汽车行驶状态下工作，达到省电的目的。当系统发送完无线数据之后，各个芯片都处于休眠状态。SP12的Wake Up信号首先唤醒MCU，再由MCU发送命令给SP12进行加速度测量。如果汽车处于静止状态，不需要测量压力、温度，也不需要无线发送数据给主机，而是直接进入休眠模式，直到下一次唤醒。

③ 无线发射次数的选择。无线发射比较消耗功率，所以软件必须尽量控制和降低测量和发送的频率。将本次测量值与临界值比较，再与上一次测量值比较，如果参数处于正常范围并且与上次测量值相差不大，就不需再次发送数据。但也必须保证接收端在一定时间内能收到信号，所以即使设定参数在正常范围内，每次变化也不大，也能保证30 s向接收端发送一次数据。

发射机端MCU的软件流程框图如图3所示。

图3　发射机MCU软件流程框图

2.2　接收机软件设计

主机上电后，MCU首先初始化。由于在无有效信号时RF接收电路将受到杂波干扰，故MCU以10倍于发射比特频率的速度不断检测接收电路中TDK5210的数据位，并进行数据极大似然值处理。在收到一个有效的信号包后，将轮胎号、温度、压力值读出，并将各值送至LCD上显示，如果参数值超过设定阈值则产生报警。接收机MCU软件流程框图如图4所示。

图4　接收机MCU软件流程框图

2.3　通信及协议

(1) 数据帧格式

发射机和接收机之间的通信采用固定长度的数据帧，其格式如表2所示。

表2　数据帧格式

① 前导码：接收端在没有信号时会受到杂波的干扰，设置同步起始位可以使接收端区别杂波数据，并开始接收数据。

② 轮胎号：汽车的4个工作轮胎都装有发射机(备用胎可选)，当发射机向接收机发送数据时，接收机根据轮胎号进行轮胎的识别。

③ 传感器状态位：0=no error，1=error。

(2) 通信设置

系统无线通信的载波频率选用433.92 MHz，发射速度为20 kbit/s，采用FSK调制方式。发射前先对数据帧进行曼彻斯特编码，这样可以减小发射信号的直流分量，降低误码率，提高通信距离。

3TPMS的实现

对TPMS进行无线传输数据试验。在距频谱仪0.3 m和9 m处，发射机发射数据，接收机采得的频谱波形如图5所示。

图5　0.3 m和9 m处无线发射数据频谱

从图5(a)可以看出，峰2和峰3为FSK调制的两个频率点，频率分别为434.03 MHz、433.9 MHz。接收到的功率约为-36 dBm。从图5(b)可以看出峰2和峰3的频率保持不变，仍分别为434.03 MHz、433.9 MHz。接收到的功率有所下降，约为-80 dBm。

系统电流及功率消耗分析如下。

① 传感器的电流及功率消耗

考虑最不利条件(3 V，120 ℃)，此时休眠模式的消耗为19.5 μA，工作电流为3.8 mA，压力检测时间为6 ms，温度检测时间为1.5 ms，加速度检测时间为6 ms。考虑汽车在行使过程中传感器每次都要检测加速度、温度和压力，取工作时间为14 ms。

② 无线发射芯片的电流及功率消耗

取FSK工作电流的最大值30 μA。考虑轮胎气压或温度异常，需要6 s发送一次数据，一个数据包24 bit，波特率为20 kbit/s，则一次发送时间为1.2 ms。

微处理器16F628A的待机电流典型值为100 nA，工作电流典型值为120 μA,工作时间取16 ms。

③ 发射机的平均电流

I=(3.8×14+0.03×1.2+0.12×16+0.019 5×5 986+

0.000 1×5 984)/6 000(mA)=0.028 7 mA

(1)

锂电池的电池容量为600 mAh,则发射机电池的最少使用时间为：

t=600/0.028 7(h)≈20 905.9 h≈871天

(2)

若汽车的欠压时间一般占总时间的60%，则电池的实际使用时间为：

T=871/0.6 (天)≈1 451.6天≈4年

(3)

上述结论均为最差情况，实际上汽车的行驶时间不到总时间的30%，所以电池使用时间还可以更持久。

4结束语

本课题采用的Infenion方案功耗低，稳定性较好，能同时检测汽车加速度、轮胎气压、温度以及电池电压等关键参数。当胎压或温度异常时，系统会报警，从而保障行车安全。此外，接收机模块还可以通过扩展如语音报警等模块，与汽车控制系统相连，进一步增加系统的功能，适应不同用户的要求。

参考文献

[1] 刘全有,赵福全,杨安志,等.TPMS的研究现状及发展趋势[J].农业装备与车辆工程,2010(12):3-5,10.

[2] 随辰扬,潘宏博,冯明,等.基于智能手机的汽车胎压监测系统[J].传感器与微系统,2014(6):114-116.

[3] 邵军,谭励,王晓垚,等.汽车胎压监测系统的设计及其通信抗干扰研究[J].测控技术,2014(3):11-14,21.

[4] 张猛,张多,张动力.汽车轮胎压力监测系统综述[J].汽车实用技术,2014(1):33-35.

[5] 王泽鹏,薛风先,高峰,等.基于Motorola芯片的轮胎气压监测系统设计[J].自动化仪表，2005，26(3)：39.

[6] 卢从娟，邵毅明，吕先洋，等.汽车轮胎压力监测技术的发展[J].公路与汽车，2012(1).

[7] 张艳红，张兆华，刘理天.TPMS的研究和设计[J].仪器仪表学报，2005(8)：8.

[8] 黄贤武.传感器原理及应用[M].成都:成都电子科技大学出版社,1999.

[9] 施庆隆.PIC16F87X单片机原理与专题应用[M].北京:北京电子工业大学出版社,2003.

中图分类号：TP23

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502025

修改稿收到日期：2014-10-15。

第一作者赵霞(1974-)，女，2003年毕业于哈尔滨工业大学导航、制导与控制专业，获博士学位，副教授；主要从事信号处理、控制系统设计等的研究。