胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

雷 偉，常久鵬，閆 明，張 有

（濰柴動力上海研發(fā)中心，上海 201114）

1 概述

汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS），能實時監(jiān)測汽車胎壓參數(shù)，并以視覺和聽覺信號進(jìn)行顯示和報警，以提高汽車安全性，并可減少因氣壓不足或過高造成的輪胎加速磨損和車輛能耗增加。

美國是首個以強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用TPMS的國家，標(biāo)準(zhǔn)于2007年9月1日起開始實施；歐盟也于2012年出臺了TPMS強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，隨后韓國、臺灣等國家和地區(qū)也都出臺TPMS強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)并要求車輛強(qiáng)制安裝；2015年伊朗也出臺了TPMS強(qiáng)標(biāo)。中國在2017年10月針對M1類載客車出臺強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)：GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》。其中要求自2019年1月1日起，中國市場所有新認(rèn)證乘用車必須安裝TPMS，自2020年1月1日起，所有在產(chǎn)乘用車開始實施強(qiáng)制安裝要求。

直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，是利用安裝在輪胎上的壓力傳感器來測量輪胎的氣壓和溫度，能直接采集各個輪胎實時胎壓數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確度高，反應(yīng)比較靈敏，不容易出現(xiàn)誤報。目前國內(nèi)外車型多采用直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，下文胎壓應(yīng)用實例，講述的就是直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計

2.1 工作原理

胎壓傳感器安裝在每一個輪轂上，它由壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、MCU、射頻發(fā)射芯片、電池、LF低頻接收電路和天線組成，觸發(fā)條件滿足時能實時監(jiān)測輪胎的氣壓和溫度，通過超高頻 （433 MHz）發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器可以接收125 kHz的低頻喚醒信號，根據(jù)低頻喚醒信號或加速度傳感器信號，發(fā)射器在睡眠模式和工作模式之間切換。

胎壓控制器單獨或者集成到BCM里安裝在儀表臺內(nèi)，接收胎壓傳感器433MHz的高頻信號，把高頻信號解調(diào)后，將四輪胎壓和四輪的溫度信息以及判斷的低壓、高壓報警，高溫報警，傳感器電池電量低和傳感器丟失信息轉(zhuǎn)換為CAN總線信號發(fā)送給儀表，儀表根據(jù)CAN總線信息進(jìn)行對應(yīng)的顯示和報警。

2.2 胎壓報警裝置設(shè)計

GB 26149-2017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》中第4節(jié)，對胎壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了分類，其主要差異以及各項描述見表1。胎壓報警裝置多集成在組合儀表中，點亮?xí)r為黃色。無論哪一類胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，故障報警試驗時，10 min內(nèi)必須點亮故障報警裝置。

2.3 胎壓傳感器工作模式設(shè)計

胎壓傳感器隨輪胎旋轉(zhuǎn)，不能通過整車蓄電池供電，傳感器內(nèi)集成的紐扣電池電量僅有200 mAh-300 mAh，無法支撐胎壓傳感器不間斷工作。為了滿足胎壓傳感器不低于5年的使用壽命同時兼顧報警及時性，將傳感器做成分時工作模式，當(dāng)條件達(dá)到跳轉(zhuǎn)閾值時進(jìn)行狀態(tài)切換，結(jié)合傳感器的工況，可以將工作狀態(tài)設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)等5種，具體設(shè)定見表2。

2.4 胎壓傳感器信號設(shè)計

胎壓傳感器發(fā)送的高頻信號為法規(guī)對民用開放的433 MHz的無線電磁波信號，目前調(diào)制、解調(diào)方式有ASK和FSK兩種，為了提高數(shù)據(jù)抗干擾性胎壓傳感器多采用FSK方式。為了實現(xiàn)有效的發(fā)送和接收，需要設(shè)計階段定義數(shù)據(jù)的通信協(xié)議，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)編碼采用曼徹斯特編碼方式，高頻數(shù)據(jù)以幀為一個大單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，每幀由13個字節(jié)組成，每一個字節(jié)的時間長度0.832ms。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義見表3。

表1 胎壓報警裝置分類 （胎壓監(jiān)測系統(tǒng)）

表2 胎壓傳感器工作模式

表3 胎壓傳感器報文格式

2.5 胎壓傳感器激活方式設(shè)計

胎壓傳感器與車輛的配置具有隨機(jī)性，需要在車輛下線時用下線設(shè)備學(xué)習(xí)各輪上的胎壓傳感器ID值，因此需要設(shè)計定義無線激活條件，以確保能正確讀取胎壓傳感器ID，目前行業(yè)普遍采用125 kHz的低頻信號作為激活源。激活源與胎壓傳感器的距離一般在幾十厘米且激活的次數(shù)不多，對抗干擾性要求不高，因此多采用ASK的調(diào)制、解調(diào)方式。胎壓激活的信號編碼同樣也采用曼徹斯特編碼方式，和高頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議同理來定義低頻激活的數(shù)據(jù)幀格式，數(shù)據(jù)幀內(nèi)容主要是約定激活方式，為防止外界125 kHz的信號誤激活胎壓傳感器導(dǎo)致反復(fù)被激活引起虧電，數(shù)據(jù)幀里可定義握手ID。

2.6 胎壓控制器策略設(shè)計

1）使能條件：ON擋信號有效。

2）觸發(fā)條件 （a&b）：①接收到胎壓傳感器發(fā)送的信息并且校驗碼正確；②核對Type以及ID，若Type=“自定義固定值”且ID已被本車學(xué)習(xí)。

3）執(zhí)行輸出 （a&b）：①BCM對TPMS信號進(jìn)行解析，提取出信號報文中的壓力、溫度等信息，進(jìn)行報警判斷；②將TPMS信號及報警信息發(fā)送到總線上。

4個車輪的TPMS信息通過一幀CAN報文即可完成數(shù)據(jù)傳遞，胎壓控制器通過定義報文的車輪標(biāo)識位來區(qū)分不同的車輪，胎壓控制器收到一幀信號便發(fā)出一幀報文，胎壓控制器若收到TPMS傳感器連續(xù)發(fā)的信號，便按500 ms的周期連續(xù)發(fā)出報文。

胎壓故障報警信息涉及行車安全性，因此需要設(shè)計故障的優(yōu)先級，優(yōu)先級按照如下順序：壓力報警＞信號丟失＞傳感器電池電量低＞傳感器錯誤。由于胎壓傳感器只是作為信號的采集端，不會對各種信息進(jìn)行判斷和計算，因此用胎壓控制器來定義故障信息：每一個傳感器用一個3bit的8狀態(tài)值 （表4）來區(qū)分不同的報警信息，多個故障時顯示優(yōu)先級高的故障，如此便容易區(qū)分和顯示故障優(yōu)先級。

表4 報警信息列表

2.7 胎壓控制器學(xué)習(xí)流程設(shè)計

根據(jù)ISO 14229《道路車輛統(tǒng)一診斷服務(wù) （UDS）規(guī)范和要求》，設(shè)計開發(fā)診斷儀和胎壓控制器，參照圖1的設(shè)計流程對胎壓控制器進(jìn)行學(xué)習(xí)，以綁定各個胎壓傳感器的ID。

3 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)從設(shè)計到裝車再到售后，其中每個環(huán)節(jié)都十分關(guān)鍵，在實際應(yīng)用過程中難免會出現(xiàn)各種問題，表5是直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)常見的故障實例。

4 總結(jié)

汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS）能提高行車安全，但是胎壓監(jiān)測系統(tǒng)不能解決爆胎或快速漏氣引起的方向失控問題，其功能主要是輪胎氣壓異常時提示駕駛員，需要駕駛員主動排除故障，該系統(tǒng)屬于被動安全不能過分依賴。溫度和海拔突然變化可能會導(dǎo)致胎壓異常報警，當(dāng)胎壓出現(xiàn)故障時需要謹(jǐn)慎，務(wù)必按照使用說明書對車輛進(jìn)行排查，同時輪胎的日常保養(yǎng)需要到正規(guī)4S店進(jìn)行。

圖1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)學(xué)習(xí)流程

表5 故障列表