【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 據(jù)報(bào)道，最近由吉利公司推出的爆胎監(jiān)測(cè)與安全控制系統(tǒng) (Blow． Out Monitoring and Brake System， BMBS)已經(jīng)超越了美國(guó) “TPMS”標(biāo)準(zhǔn)，它采用的是人工智能主動(dòng)介入技術(shù)，在輪胎突發(fā)爆胎時(shí)自動(dòng)接管 車(chē)輛，代替駕駛員實(shí)施行車(chē)制動(dòng)，從而達(dá)到降低或者化解爆胎風(fēng)險(xiǎn)的目的，與此同時(shí)，對(duì)于沒(méi)有安裝 ABS 的車(chē)輛， BMBS 系統(tǒng)在遭遇爆胎后將自動(dòng)實(shí)施 “連續(xù)點(diǎn)制動(dòng) ”模擬 ABS 功能，使車(chē)輪不會(huì)發(fā)生抱死滑移現(xiàn)象，有效確保了行車(chē)制 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 4 頁(yè) 共 56 頁(yè) 動(dòng)的安全性。 TPMS 經(jīng)歷了由早期的機(jī)械式、納米材料式和磁敏檢測(cè)法，逐步過(guò)渡到間接式TPMS 和直接有源式 TPMS，而間接式 TPMS 成本低 (利用車(chē)載 ABS 即可實(shí)現(xiàn) )，后期維護(hù)方便，也成為一種比較流行的趨勢(shì)。同時(shí)輪胎爆胎預(yù)警裝置系統(tǒng)作為一項(xiàng)新技術(shù)，能夠?yàn)檎?chē)提供輪胎壓力和溫度等狀態(tài)信息，必將成為汽車(chē)整車(chē)控 制系統(tǒng)單元的一部分，同時(shí)，它對(duì)汽車(chē)電子信息共享的研究也具有重要意義。 TPMS 傳感器模塊技術(shù)將向發(fā)射模塊高度集成化、無(wú)線無(wú)源方向發(fā)展，未來(lái)的應(yīng)用方向還將包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一模塊，屆時(shí)，胎壓監(jiān)測(cè)發(fā)射系統(tǒng)只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成，開(kāi)發(fā)人員的二次設(shè)計(jì)將變得十分簡(jiǎn)便，產(chǎn)品安全性、可靠性、穩(wěn)定性也會(huì)有進(jìn)一步的提高。另外，融合射頻識(shí)別 (Radio Freqency Identification， RFID)技術(shù)進(jìn)行智能輪胎的研究也是發(fā)展趨勢(shì)，比如美國(guó)固特異輪胎橡膠公司和西門(mén)子 VDO 汽車(chē)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(hào)外，還具有標(biāo)識(shí)輪胎的功能，也就是說(shuō)，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測(cè)，還可以用于輪胎歷程可追溯性記錄，此外，西門(mén)子 VDO 的智能輪胎系統(tǒng)使用壓電元件來(lái)代替電池，通過(guò)輪胎的旋轉(zhuǎn)為系統(tǒng)供能。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)也開(kāi)始基于聲表波 (Surface Acoustic Wave 簡(jiǎn)稱 SAW)技術(shù)的 TPMS 開(kāi)發(fā)研究，這種能同時(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)智能輪胎信息的無(wú)源測(cè)量和無(wú)線發(fā)送，并且將擁有 中國(guó)人自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)?；诼暠砻娌夹g(shù)的輪胎傳感器還處于試驗(yàn)階段。其主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器部分不需要電池供電 (無(wú)源 TPMS)，而且質(zhì)量較小，目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的實(shí)驗(yàn)傳感器樣品只有 5g 左右，同時(shí)可在高溫等惡劣環(huán)境下工作。另外， TPMS 系統(tǒng)與汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)的電控單元的整合，即通過(guò)車(chē)身數(shù)據(jù)總線 CAN總線或者 LIN 總線并入車(chē)載控制網(wǎng)絡(luò)中，也是一種發(fā)展趨勢(shì)。 . TPMS 發(fā)展趨勢(shì) 汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，將是一個(gè)具有極強(qiáng)生命力的主題。因此， TPMS將成為汽車(chē)安全保障系統(tǒng)之一。而 TPMS發(fā) 射模塊將向高度集成化、單一化、無(wú)線化和無(wú)源化方向發(fā)展。隨著 TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì) IC高整合度和高可靠性的要求，在未來(lái)幾年內(nèi)將會(huì)開(kāi)發(fā)出包含 RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)胎壓遙測(cè)模塊只由一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)便。 TPMS系統(tǒng)發(fā)展的進(jìn)一步發(fā)展有可能會(huì)是智能輪胎。 保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。而 TPMS汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)將是理想的工具。美國(guó)、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)全部安裝 TPMS，因此，對(duì) TPMS的 需要量與日俱增，美國(guó)的人工每小時(shí)起碼 美金，差不多是中國(guó)工人的日工資，面對(duì)量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本， TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國(guó)。今后幾年內(nèi)中國(guó)必將成為 TPMS的生產(chǎn)大國(guó)。人的生命是最可貴的，因 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 5 頁(yè) 共 56 頁(yè) 此，為與世界先進(jìn)國(guó)家同步，我國(guó)關(guān)于汽車(chē)安裝 TPMS這樣的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)法規(guī)遲早也會(huì)出臺(tái)。因此，目前我們國(guó)內(nèi)己有數(shù)百家設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)廠家開(kāi)始開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn) TPMS。目前， TPMS主要分為兩種類(lèi)型：一種是間接式 TPMS，它通過(guò)汽車(chē) ABS的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)測(cè)胎壓的目的，可是供電方便 ，其缺點(diǎn)是精度較低。另一種是直接式 TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。缺點(diǎn)是需要使用獨(dú)立的電池供電系統(tǒng)并要將整個(gè)模塊或者模塊的一部分置于輪胎的內(nèi)部，容易在車(chē)輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下引發(fā)不正常的外力作用，設(shè)置不正確的情況下可能會(huì)加速輪轂的損壞，維護(hù)不方便且價(jià)格較高。中國(guó) TPMS的前裝和后 裝市場(chǎng)己經(jīng)啟動(dòng)，預(yù)見(jiàn)前裝市場(chǎng)（汽車(chē)生產(chǎn)廠家原裝）將比后裝市場(chǎng)（汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)后安裝）跑得更快 , TPMS產(chǎn)品技術(shù) TPMS系統(tǒng)主要有二個(gè)部分組成：收集信息的發(fā)射模塊和安裝在汽車(chē)駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器。 今后幾年內(nèi)中國(guó)必將成為 TPMS的生產(chǎn)大國(guó)。除此之外中國(guó)正在成為全球最大的新興汽車(chē)市場(chǎng)，中國(guó)汽車(chē)需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。汽車(chē)安全產(chǎn)品將成為中國(guó)生機(jī)勃勃的新興市場(chǎng)熱點(diǎn)。 2. 間接式無(wú)線輪胎保護(hù)裝置系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) TPMS 主要用于汽車(chē)行使時(shí)實(shí)時(shí)對(duì)輪胎壓力（通過(guò)檢測(cè)輪速差）、溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)各種異常情況 (如輪胎 漏氣、過(guò)低或過(guò)高氣壓、過(guò)高溫度 )進(jìn)行預(yù)警以保障行車(chē)安全。一般包括輪胎檢測(cè)部分、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)處理以及顯示警告部分。本設(shè)計(jì)主要介紹 TPMS 的原理和具體方案以及系統(tǒng)是如何工作的。 . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 胎壓、溫度預(yù)警系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)輪胎的工作狀態(tài)，對(duì)輪胎壓力異常及時(shí)給予提示，并結(jié)合輪胎溫度對(duì)可能出現(xiàn)的爆胎事故進(jìn)行預(yù)警，加強(qiáng)汽車(chē)高速行駛的行車(chē)安全。系統(tǒng)在汽車(chē)行駛狀態(tài)下通過(guò)霍爾傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量輪子轉(zhuǎn)速，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)速差間接表現(xiàn)出輪子間的胎壓差值，并通過(guò)無(wú)線傳輸傳給顯示模塊把數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，當(dāng)胎壓差值超過(guò)一定程度 的時(shí)候，會(huì)引發(fā)蜂鳴器報(bào)警。主機(jī)模塊還把溫度很輪子工作情況發(fā)送給從機(jī)，通過(guò)從機(jī)的燈顯示出來(lái)，讓駕駛員直觀了解各輪胎的實(shí)時(shí)狀態(tài)，出現(xiàn)異常包括輪胎漏氣、異常升溫、傳感器模塊電源不足等 )則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此外，在汽車(chē)輪胎的使用過(guò)程中，輪胎胎面會(huì)逐漸被磨耗。但由于各車(chē)輪受力不同，輪胎在路面的滑動(dòng)量不同，以及受拱型路面的影響，使汽車(chē)的前后輪、左右輪的磨損速度不同。有的輪胎磨損重，有的磨損輕，甚至還會(huì)出現(xiàn)輪胎的單邊磨損不均勻。為了延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，定期對(duì)輪胎進(jìn)行換位，這是汽車(chē)輪胎保養(yǎng)的有效方法。輪胎的維護(hù)換位能夠提高輪胎 行駛里程、平衡胎體疲勞強(qiáng)度和磨損。因此，研制的系統(tǒng)必須具有輪胎換位后的重新定位功能。 系統(tǒng)原理框圖如圖 21 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 6 頁(yè) 共 56 頁(yè) 圖 21 系統(tǒng)工作原理框圖 . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ TPMS）是汽車(chē)電子系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)部分，它的主要功能是監(jiān)控汽車(chē)輪胎壓力的異常情況并及時(shí)通知駕車(chē)人，安裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效地避免由于輪胎壓力過(guò)低引起的交通事故。 . TPMS 實(shí)現(xiàn)方式選擇 傳統(tǒng)的 TPMS 系統(tǒng)，根據(jù)其獲取輪胎壓力和溫度的方法分類(lèi)，可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)是間接 式，第二類(lèi)是直接式。系統(tǒng)可以使用間接式或者是直接式來(lái)完成，因此提出了直接式和間接式兩種方案。 TPMS 系統(tǒng)的直接式， 又稱 PSB，通過(guò)在每一個(gè)輪胎里都安裝一個(gè)壓力傳感器，可以直接測(cè)試汽車(chē)輪胎的氣壓，然后再利用無(wú)線發(fā)射器將輪胎壓力的內(nèi)部信息發(fā)射到中央接收器的系統(tǒng)，然后再通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)輪胎內(nèi)部壓力的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，如果輪胎壓力過(guò)低或者是輪胎漏氣，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)的報(bào)警，使司機(jī)能夠在發(fā)生爆胎之前制止事故的發(fā)生， 由于直接式輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)傳感器必須裝于高速行駛的輪胎之中，因此需要通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)。直接有源式 TPMS 根據(jù)輪胎模塊有無(wú)電池供電又可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，主動(dòng)式 TPMS 有電池供電，而被動(dòng)式 TPMS，則用一個(gè)中央收發(fā)器代替直接有源式 TPMS 中的中央接收器，安裝在輪胎中的轉(zhuǎn)發(fā)器 (Transponder)代替發(fā)射器，接收來(lái)自中央收發(fā)器的信號(hào)，同時(shí)使用這個(gè)信號(hào)的能量來(lái)發(fā)射一個(gè)反饋信號(hào)到中央收發(fā)器。被動(dòng)式 TPMS 雖然不需要電池供電，但也涉及到模塊的取能問(wèn)題，在目前沒(méi)有更好的解決方案。 TPMS 系統(tǒng)的間接式，又稱為 WSB，這種系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)汽車(chē)的 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器對(duì)輪胎之間的輪速進(jìn)行比較以達(dá)到對(duì)輪胎壓力 的監(jiān)測(cè)。 ABS 系統(tǒng)的檢測(cè)主要是依據(jù)輪速傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪有沒(méi)有抱死，然后系統(tǒng)決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)，如果輪胎的壓力降低，車(chē)輛的重量就會(huì)導(dǎo)致輪胎的直徑變小，從而導(dǎo)致測(cè)速發(fā)生變化以至于溫度傳感器 霍爾傳感器 信號(hào)處理電路 M C U 發(fā)送模塊 電源電路 接收模塊 M C U 報(bào)警電路 顯示電路 電源電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 7 頁(yè) 共 56 頁(yè) 發(fā)生了交通事故。在 ABS 系統(tǒng)是如果發(fā)生輪胎壓力減小的時(shí)候可以觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，使司機(jī)提高警惕然后處理汽車(chē)的輪胎壓力的問(wèn)題。 上海通用別克轎車(chē)安裝的即是這種間接式 TPMS，即當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收 4 個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器的車(chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，進(jìn)行綜合分析，當(dāng)某一個(gè)輪胎的氣壓太高或不足時(shí)，輪胎的直徑就會(huì)變大或變小，車(chē)輪的轉(zhuǎn)速也發(fā)生相應(yīng)變化。采 用的方式是兩兩進(jìn)行比較，比如前面兩輪或者后面兩輪，就直接比較兩輪的轉(zhuǎn)速差來(lái)反應(yīng)出胎壓的差值大小，就可以提高精度，最主要的是減低了當(dāng)預(yù)警出現(xiàn)時(shí)檢索的范圍，減少工作量增加效率。成本較低的同時(shí)維護(hù)方便。 直接式預(yù)警系統(tǒng)為了實(shí)時(shí)測(cè)得胎壓和胎溫是直接使用壓力傳感器探測(cè)輪胎的壓強(qiáng)值，溫度傳感器探測(cè)溫度值，檢測(cè)傳感器須安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)部，工作在密閉的環(huán)境中，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊傳給接收模塊。對(duì)有內(nèi)胎的輪胎，傳感器模塊安裝在內(nèi)胎外面的墊胎上或嵌入墊胎中；而間接式是探測(cè)兩輪的轉(zhuǎn)速差而間接表現(xiàn)兩輪胎壓的差值，當(dāng)差值達(dá)到一定程度后進(jìn) 行報(bào)警。測(cè)輪速的傳感器卻可以安裝在輪胎外的輪轂和車(chē)架上，便于后期維護(hù)，溫度傳感器作為輔助功能，能對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。 這兩種胎壓監(jiān)測(cè)裝置各有優(yōu)劣。直接式胎壓監(jiān)測(cè)裝置可以提供更高級(jí)的功能，隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際瞬壓，很容易確定故障輪胎 ,可是造價(jià)高以及后期維護(hù)不方便。間接系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較低，已經(jīng)裝備了 4輪 ABS（每個(gè)輪胎裝備 1個(gè)輪速傳感器）的汽車(chē)只需對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)， TPMS 的直接式與間接式的比較如表 所示 。 表 TPMS 的直接 式與間接式的比較 直接式 TPMS 間接式 TPMS 測(cè)量方式 直接測(cè)量 間接測(cè)量 物理參數(shù) 壓力、溫度 輪子轉(zhuǎn)速 關(guān)鍵硬件構(gòu)成 傳感器、中央處理器 ABS系統(tǒng)、中央處理器 壓力測(cè)量精度 177。 30% 溫度測(cè)量精度 177。2 ℃ 無(wú) 成本 需要附加成本，較高 基于 ABS系統(tǒng)，較低 綜合論述，直接式雖然有其優(yōu)越性，可是其技術(shù)過(guò)于復(fù)雜和后期維護(hù)不方便，技術(shù)耗費(fèi)太高，相比間接式的簡(jiǎn)易方便，可能間接式更能讓普通老百姓所接受。所以本設(shè)計(jì)研究的方向?yàn)殚g接式胎壓測(cè)控預(yù)警系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)中凡是沒(méi)有明確說(shuō)明的，所 提到的 TPMS均是指間接式 TPMS。 . 系統(tǒng)控制芯片選擇 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處 理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷 系 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 8 頁(yè) 共 56 頁(yè) 統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬 多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)也被稱為 微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母 的縮寫(xiě) MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域 。單片機(jī)由芯片內(nèi) 僅有 CPU 的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)和 CPU 集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。目前單片機(jī)的種類(lèi)是很繁多的，主要有主流的 8位單片機(jī)和高性能的 32位單片機(jī)，結(jié)合本設(shè)計(jì)各方面因素， 8位單片機(jī)對(duì)于本設(shè)計(jì)已經(jīng)是綽綽有余了。 應(yīng)用最廣的 8位單片機(jī)是 intel的 51系列單片機(jī)。 51系列單片機(jī)的特點(diǎn)是：硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史悠久，世界有許多芯片公司都買(mǎi)了 51的芯片核心專(zhuān)利技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上擴(kuò)充其性能， 使得芯片的運(yùn)行速度變得更快，性價(jià)比更高。 AVR 單片機(jī)是 atmel公司推出較新的單片機(jī)，它的顯著特點(diǎn)是：高性能，低功耗，高速度，指令單周期為主，但價(jià)格方面比 51單片機(jī)要高。有專(zhuān)門(mén)的 I/O方向寄存器。雖然有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電壓，但 I/O口使用不比 51單片機(jī)方便。 PIC單片機(jī)系列是美國(guó)微芯公司的產(chǎn)品，也是市面上增長(zhǎng)最快的單片機(jī)之一，屬精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，其特點(diǎn)是：高速度，高性能，但在價(jià)格方面比 51單片機(jī)要高，也有專(zhuān)門(mén)的 ,I/O方向寄存器， I/O