【正文】 速度超過 100 公里 /小時(shí)的情況 [19]。 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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。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(dòng)地接收輪胎數(shù)據(jù)，其重點(diǎn)要解決的問題是輪胎模塊的定位設(shè)計(jì)和信號(hào)免碰撞功能設(shè)計(jì) [20]。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(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)要解決的主要問題是系統(tǒng)能耗問題。 直接式 TPMS 工作原理的本質(zhì)在于是利用安裝在每一個(gè)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(jìn)行顯示及監(jiān)控。 直接式 TPMS 系統(tǒng)主要有二個(gè)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(tái)上的中央接收模塊（以后簡稱接收模塊）。一個(gè) TPMS 系統(tǒng)有 4 個(gè)或 5 個(gè)（包括備用胎）輪胎模塊。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(bào)警信號(hào)，提醒駕駛者采取必要的措施 [23]。 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(jìn)行在線的測量，然后把測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(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(jìn)行相應(yīng)的處理，然后在顯示面板進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警。 確定 TPMS 的整體方案和應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能和性能。按照這些要求，來進(jìn)行輪胎模塊和接收模塊的硬件設(shè)計(jì)。 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?shí)現(xiàn)，延長輪胎模塊電池的使用壽命。 1－橡膠密封層 2－自粘層 3－槽紋 4－輪輞 5－氣門嘴 Schematic diagram of tubeless tires 氣密層是貼于胎里表面并延伸至胎圈底部的一層厚約 ～ 3mm 的膠層，其作用是防止壓縮空氣滲 入胎體引起脫層。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”部位的曲率較輪輞邊緣曲率大，因此胎圈能與高精度的帶有金屬氣門嘴的輪輞之間形成可靠的密封。 氣密性能好，輪胎受小的損傷時(shí)能自動(dòng)封閉。 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。這主要有兩個(gè)原因 :一是很多司機(jī)局限于以往的經(jīng)驗(yàn)和眼前需要，不愿更換 。因此運(yùn)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。 本文正是基于無內(nèi)胎輪胎設(shè)計(jì)的一款輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。 爆胎的原因 汽車爆胎是指因輪胎某一局部機(jī)械強(qiáng)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(huì)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。歸納起來，主要有以下幾個(gè)方面： 汽車高速行駛時(shí)，因輪胎胎體變形而發(fā)熱，相應(yīng)的輪胎內(nèi)壓升高 。 汽車高速行駛時(shí)，輪胎的流動(dòng)阻力隨行駛速度的增加而增大，達(dá)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。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(qiáng)度下降，溫度上升或強(qiáng)度下降到一定程度就發(fā)生爆胎。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(yùn)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。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(shí)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。試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度由 0℃升到 100℃時(shí)，橡膠的強(qiáng)度及簾線的附著力大約降低 50%，不同材料的簾線，其強(qiáng)度也有不同程度的下降。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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)簾布松散或局部簾布脫層。 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(shí)，則允許輪胎溫升為80℃。此外，輪胎比正常工作溫度每升高 1℃，磨損強(qiáng)度增加 2%。 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。 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。 需要注意的是，當(dāng)行駛中發(fā)現(xiàn)輪胎溫度過高時(shí)，不應(yīng)通過放氣或潑冷水的方式進(jìn)行處理，而應(yīng)降低車速，將車停在陰涼通風(fēng)處降溫。若采用放氣的辦法來降溫降壓，結(jié)果會(huì)適得其反，輪胎的溫度不僅不會(huì)降低，反而會(huì)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(dá)到新的平衡為止。若用潑冷水的辦法降溫，則會(huì)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。輪胎氣壓對輪胎的承載性能、 高速性能、制動(dòng)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。 輪胎碰到障礙物時(shí)，由于沖擊力大，胎體簾線易斷裂，致使輪胎爆破。 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。 外胎在輪惘上有時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，易引起氣門嘴脫落，而且驅(qū)動(dòng)輪上的輪胎易損壞。 在壞路面上高速行駛，造成胎冠損傷有小洞眼、花紋掉塊。 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。汽車在同樣使用條件下行駛，輪胎緩沖性能差，沖擊震動(dòng)大，操縱性能差，特別是在壞路面上行駛時(shí)，輪胎易產(chǎn)生機(jī)械損傷，影響行車安全。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 。 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(diǎn)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。 TPMS 總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)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(shí)，系統(tǒng)則向駕駛員報(bào)警。 汽車在使用過程中，由于輪胎的速度和受力不均，會(huì)造成不同輪胎的不同程度的磨損。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。從經(jīng)濟(jì)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。 直接式。整套系統(tǒng)由四個(gè)輪胎模塊和一個(gè)接收模塊構(gòu)成。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。接收模塊顯示各個(gè)輪胎的壓力和溫度參數(shù)，當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力過高或過低和溫度過高時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲。 當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力、溫度狀況出現(xiàn)異常時(shí)，顯示器模塊聲、光報(bào)警，并根據(jù)此時(shí)的輪胎壓力、溫度數(shù)值，通知駕駛員屬于哪種報(bào)警狀態(tài)。 系統(tǒng)出廠時(shí)，己經(jīng)在數(shù)據(jù)顯示端對四個(gè)輪胎做好 了定位處理，無需用戶在系統(tǒng)安裝時(shí)學(xué)習(xí)輪胎信號(hào)。 當(dāng)輪胎磨損需要換位保養(yǎng)時(shí)，可以通過人機(jī)界面方便快捷地重新定位各個(gè)輪胎。 本研究針對的主要是轎車市場，一輛轎車需要 4 個(gè)輪胎模塊和一個(gè)接收模塊。 kPa 溫度測量精度：177。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。工作時(shí)輪胎處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，因 而必須固定牢靠。 此外，輪胎模塊是固定在輪胎里的。所以需要對發(fā)射部分的天線裝置的設(shè)計(jì)多加注意，盡量減小由于輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)和屏蔽所帶來的負(fù)面影響。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。 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。 綜合起來，該產(chǎn)品的主要技術(shù)要求如下： 體積小，尤其是輪胎模塊的體積要盡可能的小。 可靠性，系統(tǒng)的抗干擾能力要好。 因此，對于直接式 TPMS 系統(tǒng)，在方案設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮這幾個(gè)問題。汽車制造商要求直接 TPMS 的電池能維持至少 6 年以上。由于這些限制，電池往往選擇的是鈕扣式電池而不是大號(hào)電池。如果沒有這些關(guān)鍵特性，整個(gè)系統(tǒng)的精確性和可靠性將成問題。因?yàn)檩喬ツK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－ 40℃到 125℃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。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護(hù) [27]。減少功耗可以從硬件和軟件上兩方面考慮。采用運(yùn)動(dòng)開關(guān)或加速度傳感器，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時(shí)，輪胎模塊停止運(yùn)行，取消發(fā)送以節(jié)省電量。因此這種方法可以大幅度節(jié)省電量。 軟件設(shè)計(jì)中高效的算法可調(diào)節(jié)發(fā)射和測量頻率。 如何判斷汽車是否處于行駛狀態(tài)？在汽車停止行駛的時(shí)候使整個(gè)系統(tǒng)處于睡眠模式，這樣可以大幅度節(jié)省電量。 是否需要重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)？因?yàn)閷σ粋€(gè)完整的直接式 TPMS 系統(tǒng)而言， 4 個(gè)輪子中的輪胎模塊同時(shí)工作。并且輪胎模塊工作環(huán)境十分惡劣，干擾強(qiáng)，存 在一定接收不到的概率。 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)。抗干擾設(shè)計(jì)主要包括硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)在高頻無線信號(hào)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(jì) [28]。在元件布局和布線設(shè)計(jì)中，電源線盡可能的粗些，地線進(jìn)行覆銅，按鍵盡量的遠(yuǎn)離微控制器，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾 [30]。系統(tǒng)中時(shí)鐘信號(hào)關(guān)系到微控制器的運(yùn)行和信號(hào)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(hào)遠(yuǎn)離晶振連線 [31]。采用軟件抗干擾的前提是系統(tǒng)的抗干擾軟件不會(huì)因干擾而受到損壞。 干擾引起的程序運(yùn)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(huì)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(shí)，能夠及時(shí)引導(dǎo)程序恢復(fù)原始狀態(tài)。 TPMS 系統(tǒng)方案的總體框圖如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)總體框圖 Fig1 Block diagram of System general 胎模塊的硬件總體設(shè)計(jì) 輪胎模塊的功能主要有兩種：信號(hào)采集處理和信號(hào)發(fā)射。設(shè)計(jì)框圖見圖 2。由發(fā)射出來的射頻信號(hào)放大解調(diào)后，將數(shù)字信號(hào)送給微處理器 。人機(jī)接口部分主要包括 LED 指示燈，按鍵等。 睡眠模式是以最低的功耗運(yùn)行，響應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。 壓力無明 顯變化，固定間隔時(shí)間段上報(bào)一次壓力、溫度。 不同級(jí)別報(bào)警同時(shí)出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級(jí)別的優(yōu)先級(jí)報(bào)。前驅(qū)動(dòng)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(jì)決定的），所以后輪就容易內(nèi)外偏磨，此時(shí)輪胎截面成梯形。為了延長輪胎的使用壽命，達(dá)到四個(gè)輪胎同步均勻磨損 的效果，就需要定期進(jìn)行輪胎換位。這就導(dǎo)致了原來存儲(chǔ)在接收模塊存儲(chǔ)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(xiàng)，顯示就會(huì)錯(cuò)位。這樣在輪胎換位或調(diào)換輪胎時(shí)就存在一個(gè)輪胎重新識(shí)別的問題。然而這四種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中都存在著明顯的不足。 接收顯示模塊中微控制器的存儲(chǔ)器中的碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息在出廠時(shí)固化。不足之處是：使用中不能安裝錯(cuò)位，否則定位混亂，同時(shí)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一致的模塊。 該定位技術(shù)是將每個(gè)胎壓遙測模塊的識(shí)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(shí)別 ID 碼按鍵輸入到接收端，進(jìn)行重新定位。而且按鍵多，在本來就儀表眾多的車上，將會(huì)顯得十分突兀。該定位技術(shù)是利用 LF（低頻）信號(hào)（ 125Hz）的近場效應(yīng)。通過近距離對相應(yīng)輪胎發(fā)出 LF 信號(hào)，單獨(dú)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(shí)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(shí)別碼，從而自動(dòng)確定輪胎位置。 該定位方式的不足之處有三個(gè)胎壓遙測模塊需要四個(gè) LF 天線，增加了布線量 LF 信號(hào)可能會(huì)誤觸發(fā)相 鄰的發(fā)射檢測模塊 由于汽車上電磁環(huán)境復(fù)雜，存在各種千擾，會(huì)對低頻信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致身份識(shí)別失效。當(dāng)需要接收某個(gè)輪胎胎壓遙測模塊的信息時(shí)，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)。 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。 所謂區(qū)分傳感器，即輪胎模塊在出廠時(shí)即設(shè)定好安裝位置。比如 00代表前左、 01 代表前右、 10 代表后左、 11 代表后右。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(chǔ)屬于本車系統(tǒng)的 4 個(gè)傳感器 ID。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。此時(shí)，需要記住換位前后 4個(gè)輪胎的位置，并在中央監(jiān)視器中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置修改。此時(shí)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(shí)現(xiàn)換位更新。但是此時(shí)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。也就是說，新的傳感器在安裝后的短時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)由于系統(tǒng)的自我保護(hù)性，而不被原系統(tǒng)認(rèn)可。 TPMS 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?yàn)殡S 后的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 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(shí)