基于單向式的記憶式胎壓監(jiān)測方案研究

王梓，車新生

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基于單向式的記憶式胎壓監(jiān)測方案研究

王梓1,2，車新生1

（1.沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為了滿足車輛在上電啟動之前即顯示當前車輛各個輪胎壓力、溫度等信息，文章介紹胎壓監(jiān)測系統的現狀和國標情況，給出一種采用低功耗硬件設計，利用單向式胎壓監(jiān)測系統便能夠達到雙向式胎壓監(jiān)測系統效果的新型胎壓監(jiān)測，記憶式胎壓監(jiān)測方案。該能夠省去雙向式胎壓監(jiān)測系統高額的成本，試驗顯示胎壓顯示值接近真實值。

胎壓監(jiān)測；單向式；雙向式；記憶

1 引言

隨著當今市場汽車保有量的增加，交通事故不斷發(fā)生，特別在炎熱的夏天，經常出現車輛爆胎現象。據統計，75%的高速公路事故均是由于輪胎問題引起的，其中80%是由于胎壓異常導致。

TPMS（Tire Pressure Monitoring System，胎壓監(jiān)測系統）是一種對車輛輪胎的壓力、溫度等進行實時監(jiān)測的系統，方便駕駛員實時了解各輪胎的壓力、溫度等關鍵參數，在輪胎出現異常時，能夠及時得到解決，減少因爆胎、漏氣等引起的交通事故發(fā)生。

目前汽車市場中大部分車型采用的是單向式胎壓監(jiān)測系統，其唯一缺點是不能像雙向式胎壓系統一樣，在整車剛上電時就能監(jiān)測到當時輪胎的壓力和溫度值，而是必須行駛車速大于30km/h時才能顯示出真實胎壓值。本文設計了一種利用單向式胎壓監(jiān)測系統實現成本較高的雙向式胎壓系統的功能的方法，在上電后車輛靜止狀態(tài)即能夠令駕駛員了解當前輪胎壓力等信息。

2 TPMS的分類及原理[3-4]

胎壓監(jiān)測系統按照工作原理分可分為兩大類，一類為直接式胎壓監(jiān)測系統，另一類為間接式胎壓監(jiān)測系統，下面將這兩類系統分別進行介紹。

2.1 直接式胎壓監(jiān)測系統

直接式胎壓監(jiān)測系統主要由三大部分組成，第一部分是安裝在每個輪胎上用來監(jiān)測輪胎壓力、溫度、加速度的胎壓傳感器；第二部分是用來收發(fā)傳感器信號，進行計算控制的胎壓控制器；第三部分為顯示各個輪胎信息的顯示器及報警器，通常使用汽車組合儀表來擔任這一角色。所獲數據通過射頻信號發(fā)送出來，由主機無線接收器接收解調后得到并實時顯示在儀表盤上，同時主機程序會對輪胎信息進行評估，并在輪胎漏氣和壓力變化超過安全閾值（該閾值可通過人機界面設定）時進行報警。圖1為直接式胎壓監(jiān)測系統構成圖。

圖1 直接式胎壓監(jiān)測系統構成圖

直接式胎壓監(jiān)測系統的工作原理基本上是一樣的，車輛的每個輪胎都安裝壓力傳感器以及溫度傳感器，通過傳感器監(jiān)測汽車輪胎氣壓和溫度的變化，并將測量值通過RF天線發(fā)送至胎壓控制器，胎壓控制器接收解調后將胎壓信息通過CAN總線的方式傳輸至組合儀表顯示器上，同時控制器會對輪胎信息進行評估，并在輪胎漏氣和壓力變化超過安全閾值（該閾值可通過人機界面設定）時通知儀表進行報警。

2.1.1雙向式胎壓監(jiān)測系統

圖2 雙向式胎壓控制系統原理圖

直接式胎壓監(jiān)測系統根據信號傳輸方式又分為雙向式和單向式兩種。雙向式胎壓控制系統的特點是能夠在整車上電時實時檢測到當前輪胎各項壓力及溫度值。但由于相對于單向式胎壓系統，每個傳感器上分別多出了一個低頻天線LF，導致成本相對較高。圖2為雙向式胎壓控制系統原理圖。

雙向式工作方式如下：

關于如何認識和把握哲學社會科學的地位、作用及其發(fā)展規(guī)律這個問題，這是一個重要而復雜的方法論問題，但是學術界遠遠沒有引起足夠的重視。在有關社會科學的綜合性研究中，如社會科學史、社會科學方法論、社會科學，仍然不被看作專門的學術領域，甚至可以說,遠不如自然科學史、科學技術哲學、科學技術社會學或科學知識社會學那樣引起學術界的廣泛重視。樂觀的是，伴隨著社會科學的發(fā)展，目前我國社會科學內部的方法論意識日益增長,社會科學的科學性與實踐性、本土化與國際化等，正成為經濟學、社會學和政治學等社會科學激烈討論的問題

系統停機時所有傳感器處于深度睡眠狀態(tài)以降低功耗，接收控制器未上電。汽車點火后，系統開始工作，接收控制器上電，依序打開各個低頻驅動天線LF，發(fā)出低頻磁場，對應的傳感器被激活開始工作，通過輪胎上傳感器測量胎壓、溫度及傳感器自身狀態(tài)信息并由射頻通道RF發(fā)出，接收控制器內置天線接收該信號解調后得到原始數據并解析判斷，得出結果（高壓、低壓、快速漏氣、高溫、傳感器錯誤、傳感器電池電量低等）后通過CAN總線發(fā)給組合儀表進行顯示報警，之后接收控制器利用低頻磁場設置傳感器定期發(fā)送輪胎數據。當輪胎正常時，接收控制器逐步降低查詢頻率，整個系統進入緩慢查詢狀態(tài)。當輪胎異常時，接收控制器加快查詢頻率，整個系統進入預警狀態(tài)。汽車熄火后，接收控制器掉電，傳感器一定時間內未檢測到加速度信號后進入睡眠。

2.1.2單向式胎壓監(jiān)測系統

單向式胎壓監(jiān)測系統與雙向式胎壓監(jiān)測系統相比，沒有控制器主動去激活各個胎壓傳感器這一工作模式，僅由胎壓傳感器采集信號后單向發(fā)送給胎壓控制器，其他工作模式與雙向式基本相同。由于單向式相比雙向式減少了低頻天線模塊，成本相對較低，而功能與雙向式差別不大，因此性價比較高，是目前國內汽車制造商首選的胎壓系統。

單向式胎壓監(jiān)測系統中的胎壓傳感器由于沒有控制器主動激活，需要自身自行激活，而其激活條件為車速大于30km/h（此數值可標定），故駕駛員在啟動車輛行駛之前是無法看到車輛的胎壓信息的。

2.2 間接式胎壓監(jiān)測系統[5]

間接式胎壓監(jiān)測系統實際上是一個虛擬傳感器，利用現有的信號間接獲取那些不能直接測量或直接測量成本非常高的一種監(jiān)測方法，特點就是以算法為主。

圖3 間接式胎壓監(jiān)測系統結構原理圖

目前存在的間接式胎壓監(jiān)測方法都是利用汽車上的ABS 輪速傳感器信息，通過ABS ECU建立輪速信息與輪胎氣壓之間的關系，通過相應的算法對輪胎氣壓進行監(jiān)測。典型的間接式胎壓監(jiān)測系統結構原理如圖3所示。

2.3 直接式與間接式胎壓監(jiān)測系統的優(yōu)缺點

兩種 TPMS 有各自的優(yōu)點與不足。

直接式胎壓監(jiān)測系統的優(yōu)點主要表現一是獨立的硬件處理系統響應速度快；二是靈敏度高；三是實時處理程度比間接式監(jiān)測系統強，四是能夠監(jiān)測出每個輪胎的胎壓及溫度數值，并有多種報警模式。

間接式胎壓監(jiān)測系統基于輪速傳感器信號，只需己安裝的傳感器，通過將氣壓監(jiān)控軟件存儲到ABS 的 ECU 中就可以實現對輪胎氣壓的監(jiān)控工作。由于此系統是通過間接方法監(jiān)測輪胎氣壓，其測試結果與輪胎的結構、狀態(tài)參數相關，所以當輪胎氣壓正常但因更換新輪胎或輪胎長期使用后造成磨損不均等原因可能會導致誤報警。因此，一般輪胎的選用、更換都有一定的要求，新輪胎在安裝后必須對電子控制模塊中的輪胎參數進行重新設定以減少誤報警。

與直接式 TPMS 相比，目前的間接 TPMS 存在的主要問題是：

1）汽車必須達到一定的行駛速度，系統才能有效工作；

2）系統反應速度慢，ABS 中央處理單元需要進行繁瑣的數據處理和自我檢測以防系統出現誤診斷，因此向司機發(fā)出信號遲緩；

3）車速大于 100km/h 時無法進行監(jiān)測；

4）無法判斷同軸或同側的兩條輪胎的低壓報警；

5）僅能夠大致判斷輪胎壓力過低報警，其他諸如壓力過高、溫度過高、快速漏氣等等無法監(jiān)測，并且無法顯示出各個輪胎的胎壓數值。

因此，對于成本控制較低的車型來講，選用間接式胎壓監(jiān)測系統便可基本實現其胎壓監(jiān)測報警功能；而對于那些對功能、人機要求較高的車型來講，能夠實時顯示各個輪胎溫度及胎壓數值的、響應時間更為快速的直接式胎壓監(jiān)測系統則更具有吸引力。

3 記憶式胎壓監(jiān)測系統設計

直接式胎壓監(jiān)測系統的雙向式系統由于需要在傳感器中額外增加低頻天線，故其成本相對于單向式系統將要高出很多。然而如果能夠使用成本相對較低的單向式胎壓系統也能實現接近雙向式胎壓系統的功能，這就是下面設計的新型胎壓監(jiān)測系統。

記憶式胎壓監(jiān)測系統是在單向式胎壓監(jiān)測系統基礎上優(yōu)化而來，增加了一個記憶功能。采用帶高頻喚醒的射頻芯片，當整車熄火后，胎壓控制器進入除射頻芯片以外全部進入休眠，射頻芯片進入低功耗模式，休眠時工作電流≤1mA。胎壓傳感器每隔0.5小時（時間可標定）監(jiān)測一次胎壓值，并發(fā)送高頻信號給控制器，此時控制器中的射頻芯片感應到一定場強的信號后讀取信號，識別特定的識別頭，當信號識別成功后射頻芯片喚醒MCU，MCU存儲當前數據，存儲后MCU繼續(xù)進入休眠狀態(tài)。待下次上電時MCU把儲存的最新的胎壓數據通過CAN總線上傳給儀表顯示。而這時，駕駛員便能夠在車輛行駛之前查看到在最近半小時內的胎壓狀態(tài)，及時采取維修措施。此方案在整車熄火后平均電流可控制在2mA以內，可以滿足低功耗條件。

使用CANoe（CAN open environment）設備對剛上電后整車胎壓進行測試驗證，通過CAN報文界面觀察車輛在靜止狀態(tài)下記憶的的胎壓溫度值以及壓力值，如圖4所示；再將車輛行駛車速大于30km/h，通過觀察此時組合儀表顯示屏顯示的胎壓和溫度值，發(fā)現與之前控制器記憶的值相同，儀表顯示值見圖5。即記憶值與實際值基本相同，因此可以判定此方案滿足設計要求。

圖4 車輛靜止狀態(tài)下記憶的輪胎壓力和溫度值

圖5 儀表顯示的實際胎壓和溫度值

4 結論

TPMS是汽車安全系統的必備功能之一，本文設計的記憶式胎壓監(jiān)測系統能夠利用成本相對較低的單向式胎壓系統實現車輛靜止上電即顯示胎壓值等信息的功能，方案可行，且儀表顯示屏顯示的胎壓和溫度值數值相對準確基本接近真實值。

[1] GB/T 26149-2010,基于胎壓監(jiān)測模塊的汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統[S].

[2] GB 26149-2017,乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統的性能要求和試驗方法[S].

[3] 梁晨,劉云太,高興.淺談胎壓監(jiān)測系統的整車設計方案[J].汽車實用技術,2017,(21): 32-34.

[4] 張春芳,王家龍,馬玉清.高集成度胎壓監(jiān)測發(fā)射系統設計與實現[J].電子產品世界, 2013,(12): 68-70.

[5] 張虹.基于ABS的汽車胎壓監(jiān)測系統的研究[D].河北工業(yè)大學:河北工業(yè)大學,2011.

Research on Memory Type Tire Pressure Monitoring Scheme Basedon Unidirectional Type

Wang Zi1,2, Che Xinsheng1

（1.Shenyang University of Technology Information Science and Engineering Institute, Liaoning Shenyang 110870; 2.Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141）

In order to satisfy the vehicles display the current information such as the tire pressure, temperature before the key on, we introduce the present situation and the national standard of tire pressure monitoring system, and present a hardware design of low power consumption in the use of a unidirectional tire pressure monitoring system which can achieve bi-directional effect.We call this new type memory type tire pressure monitoring scheme. It can save high cost of the bidirec -tional type tire pressure monitoring system, and the test display tire pressure value close to the real value.

tire pressure monitoring; unidirectional type; bi-directional type; memory

V226

B

1671-7988(2018)24-114-03

V226

B

1671-7988(2018)24-114-03

王梓，男，就職于華晨汽車工程研究院，工程師，主要負責汽車組合儀表、胎壓監(jiān)測等相關領域，現沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院工程碩士在讀。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.041