呂丹丹

（煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院車輛運(yùn)用工程系，山東煙臺 265500）

近幾年隨著科學(xué)技術(shù)和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，汽車在日常生產(chǎn)生活中得到普及應(yīng)用，成為一項(xiàng)不可或缺的交通工具，隨之而來的各種交通事故日益突出。人們對汽車的安全性能及穩(wěn)定性的要求不斷提高，安全性成為衡量汽車質(zhì)量的一項(xiàng)重要因素。在影響汽車行駛安全的眾多因素中，輪胎壓力會對汽車的安全性、舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不同程度的影響，出現(xiàn)異常的胎壓未被發(fā)現(xiàn)將會對車內(nèi)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅，一旦引發(fā)交通事故將帶來較大的損失，這就使對輪胎壓力異常的檢測和預(yù)警成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一[1]。

1 現(xiàn)狀分析

近幾年胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TMPS)得到快速發(fā)展和完善，并已成為提高汽車安全性的一項(xiàng)重要安全技術(shù)，該系統(tǒng)主要用于對輪胎壓力及內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在胎壓不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)及時(shí)提醒駕駛員，以保障行車安全。現(xiàn)階段高檔汽車大多配置了直接式胎壓監(jiān)測裝置，中低檔經(jīng)濟(jì)型轎車配備的較少，并且胎壓檢測的準(zhǔn)確率不高。胎壓是汽車輪胎的命門（即輪胎內(nèi)部空氣的壓強(qiáng)），在提供正常動(dòng)力保證汽車行駛性能方面發(fā)揮著重要作用。正常的胎壓是確保汽車安全穩(wěn)定行駛的重要因素之一，因此汽車安全穩(wěn)定的行駛需以汽車胎壓運(yùn)行狀態(tài)高效準(zhǔn)確的檢測和提示為基礎(chǔ)支撐。這就對汽車胎壓檢測功能提出了更高的要求，目前汽車胎壓檢測大多面臨著檢測信號傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性不佳、傳感器耐壓性、檢測準(zhǔn)確性不高等問題，溫度的變化會使胎壓受到動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的胎壓自動(dòng)檢測過程的準(zhǔn)確性較低[2]。

2 汽車胎壓智能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車胎壓自動(dòng)檢測系統(tǒng)隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格面臨著較大的挑戰(zhàn)，為了使汽車安全行駛性能得到有效提高，需進(jìn)一步優(yōu)化完善汽車胎壓自動(dòng)檢測系統(tǒng)。目前已取得了一定的進(jìn)展，主要基于組網(wǎng)設(shè)計(jì)（將各胎壓傳感器同檢測系統(tǒng)間構(gòu)建起有效連接）的汽車胎壓自動(dòng)檢測系統(tǒng)可通過優(yōu)化部署傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)胎壓無線傳感監(jiān)測，例如，一種汽車胎壓檢測儀總體構(gòu)架設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了胎壓自動(dòng)檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程，主要基于嵌入式ARM 實(shí)現(xiàn)對胎壓輸出壓力的傳感檢測功能，并通過模糊檢測方法對胎壓輸出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)模糊識別及自動(dòng)檢測，但該檢測儀存在信號傳輸穩(wěn)定性不佳、結(jié)果準(zhǔn)確性較差；一種以壓力數(shù)據(jù)采集和集成控制功能作為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容的汽車胎壓自動(dòng)檢測系統(tǒng)（基于ZigBee 組網(wǎng)），胎壓檢測儀硬件在DSP 集成處理環(huán)境下完成開發(fā)，使胎壓的自動(dòng)檢測效率得到顯著提升，但存在自適應(yīng)能力較差、檢測準(zhǔn)確性不高的問題[3]。為此該文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上完成了一種汽車胎壓智能檢測系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)（基于HART 通信協(xié)議），該系統(tǒng)具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)勢，有效提高了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及自適應(yīng)能力。

2.1 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于傳感信息采集和網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的車胎壓自動(dòng)檢測功能對傳輸網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量及效率要求較高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為構(gòu)建高效的檢測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的重要技術(shù)，結(jié)合運(yùn)用合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成檢測系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上使檢測過程的準(zhǔn)確性、無線傳感性、智能性得到顯著提高。該文主要從硬件模塊化和檢測算法兩方面完成了汽車胎壓智能檢測系統(tǒng)（嵌入式）的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，該智能檢測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)過程在集成DSP 信號處理器中完成，系統(tǒng)的總體架構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要由胎壓傳感器、VIX 總線、無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、中央處理器（集成控制，嵌入式ARM 處理器設(shè)計(jì)）、檢測輸出及人機(jī)交互等模塊構(gòu)成，基于HART 通信協(xié)議通過綜合設(shè)計(jì)智能檢測系統(tǒng)的硬件電子線路及相應(yīng)組網(wǎng)體系實(shí)現(xiàn)了胎壓檢測信息與結(jié)果的高效準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)傳輸過程，具體通過使用壓力傳感器完成對胎壓數(shù)據(jù)信息的檢測與采集，并在檢測汽車胎壓時(shí)通過時(shí)鐘控制電路實(shí)現(xiàn)對時(shí)鐘采樣和中斷復(fù)位功能的有效控制，檢測系統(tǒng)的中央集成控制功能通過嵌入式ARM處理器的綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)，控制指令傳輸與集成信息處理主要由VIX 總線模塊負(fù)責(zé)完成。根據(jù)檢測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究和分析，系統(tǒng)以DSP 和RAM 作為核心處理器，采用檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的智能化處理過程通過中央處理器模塊實(shí)現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正交解調(diào)控制模塊的建立，檢測系統(tǒng)的主要功能模塊（包括外圍結(jié)構(gòu)）在ARM 處理器的控制下完成開發(fā)過程，自動(dòng)檢測胎壓時(shí)通過VIX 總線模塊的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)接口模塊的有效設(shè)計(jì)與使用，采用上位機(jī)通信協(xié)議在嵌入式人機(jī)交互環(huán)境下完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的模塊化設(shè)計(jì)以及檢測模塊的組網(wǎng)設(shè)計(jì)，胎壓智能檢測系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖如圖2 所示，根據(jù)功能模塊的構(gòu)成對各模塊中的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行逐一分析，據(jù)此實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)框架的功能[4]。

圖1 胎壓智能檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

圖2 檢測系統(tǒng)功能模塊組成

2.2 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

該文胎壓檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為:1）在自動(dòng)檢測汽車胎壓過程中需進(jìn)行介于-20～+20 dB 的動(dòng)態(tài)增益范圍內(nèi)的DA 信息轉(zhuǎn)換，電壓調(diào)節(jié)的幅度為±10 V，構(gòu)建放大器、放大量（總線控制）為40 dB，MAC 層同上位機(jī)間通過使用talk-when-ready 函數(shù)實(shí)現(xiàn)高效通信，以自動(dòng)檢測到的傳感壓力信息為依據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)汽車胎壓；2）采用8 通道同步并可異步輸入的功放管和變壓器，由胎壓信息傳輸基陣完成總線調(diào)度（通過AD 采樣，信息的采樣率大于或等于200 kHz），檢測的A/D 分辨率≥24 位，輸出信號的分辨率≥12 位，程序交叉編譯功能通過采用可編程邏輯控制函數(shù)（8 位和16 位）實(shí)現(xiàn)；3）胎壓自動(dòng)檢測的負(fù)載功率最小為240 W，該文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序處理器時(shí)選用STM32F101 作為主控芯片，系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)基于ZigBee 組網(wǎng)環(huán)境完成設(shè)計(jì)過程[5]。

3 系統(tǒng)核心模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 檢測算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 胎壓數(shù)據(jù)分析

針對胎壓智能檢測系統(tǒng)綜合運(yùn)用信號檢測和大數(shù)據(jù)信息分析法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號采樣與胎壓監(jiān)測功能，使用大數(shù)據(jù)融合方法完成對由胎壓傳感器自動(dòng)提取到的胎壓數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)檢測與識別，并通過使用相干性調(diào)制方法對檢測過程中的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)問題進(jìn)行有效地抑制處理，在此基礎(chǔ)上提取出檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征量由φ=(φ1,φ2,…,φn)表示（一種自適應(yīng)特征分布矢量集），模糊決策向量由α=(α1,α2,…,αn)T表示，再將胎壓檢測數(shù)據(jù)采用傳感融合跟蹤識別方法實(shí)現(xiàn)加權(quán)分布矩陣的獲取，具體表達(dá)式如下[6]：

上述統(tǒng)計(jì)特征量代表對汽車胎壓狀態(tài)的評估，再對胎壓數(shù)據(jù)通過相關(guān)性融合方法完成統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而從中提取出關(guān)聯(lián)特征量，據(jù)此完成汽車胎壓的狀態(tài)檢測和評估，胎壓自動(dòng)檢測過程結(jié)合運(yùn)用DSP，然后求取胎壓采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值，自適應(yīng)濾波處理輸出信息，胎壓檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均量通過采用聯(lián)合時(shí)頻分析方法獲取，具體表達(dá)式如下：

由汽車胎壓的正交向量構(gòu)成的φ同屬于正交矩陣，針對胎壓評估的信息融合矩陣滿足φTφ乘積等于單位矩陣的條件，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測過程以胎壓輸出的異常信息為依據(jù)，結(jié)合運(yùn)用16 位傳感陣列檢測方法（具備超低功耗優(yōu)勢的MSP430 系列）獲取由α=φTx表示的胎壓檢測的傳感信息輸出，具體表達(dá)式如下[7-8]：

對胎壓特征向量（n個(gè)）通過大數(shù)據(jù)挖掘方法的使用完成胎壓數(shù)據(jù)分布集的挖掘過程，從中選取n個(gè)由A=(φ1,φ2,…,φn)表示的檢測信息的變換矩陣，針對汽車胎壓數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際需要采用相關(guān)信息檢測方法完成關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘及濾波檢測處理。

3.1.2 胎壓檢測輸出

檢測胎壓時(shí)使用相干性調(diào)制方法有效抑制存在的擾動(dòng)問題，采用大數(shù)據(jù)挖掘方法處理提取出的統(tǒng)計(jì)特征量獲取胎壓向量估計(jì)值x的表達(dá)式如下[9-10]：

接下來通過使用信道補(bǔ)償控制方法完成參量估計(jì)，分析胎壓的檢測誤差時(shí)使用聯(lián)合回歸分析方法（包括單分量和多分量），誤差分布的表達(dá)式如下：

采用分組樣本回歸分析方法得到ε2的最小值，統(tǒng)計(jì)分析胎壓采樣數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行特征提取，得到由bi表示的檢測統(tǒng)計(jì)量需滿足：

在此基礎(chǔ)上求得胎壓負(fù)載分布模型，根據(jù)大數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果獲取胎壓特征量的分布情況，表達(dá)式如下[5]：

接下來計(jì)算特征分布的協(xié)方差矩陣，假設(shè)R表示特征分布區(qū)間，監(jiān)測的特征值在R上的第j個(gè)原始特征向量值由λ（j其所對應(yīng)的原始特征向量值由φj表示）表示，誤差的均方差表達(dá)式如下：

3.2 硬件模塊化設(shè)計(jì)

在完成上述胎壓自動(dòng)檢測算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在DSP 處理芯片中通過使用程序加載控制方法完成該算法的寫入過程，據(jù)此設(shè)計(jì)胎壓檢測系統(tǒng)包括傳感信息采集、總線控制、集成控制、信號分析等在內(nèi)的主要硬件模塊，并采用HART 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，在ADSP21160 處理器環(huán)境下完成以下系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)：1）胎壓傳感信息采集模塊，主要負(fù)責(zé)完成對胎壓數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測與分析，具體通過使用嵌入式硬件設(shè)計(jì)技術(shù)完成，汽車胎壓的原始數(shù)據(jù)信息主要通過使用傳感器完成采集過程，并基于HART 通信協(xié)議完成總線傳輸結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，以便有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同檢測系統(tǒng)其他模塊間的通信功能，該智能檢測系統(tǒng)使用總線傳輸方法（132 Mb/s）完成對傳輸鏈路總線的設(shè)計(jì)。2）集成控制模塊（構(gòu)成整個(gè)檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分），通過ADSP21160 處理器進(jìn)行集成控制，該模塊選用BSRAM 作為底層芯片實(shí)現(xiàn)對智能檢測系統(tǒng)的信道的均衡配置（基于HART 通信協(xié)議），使用BPSK 調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)信道均衡器，系統(tǒng)的程序加載及自適應(yīng)控制功能通過綜合運(yùn)用交叉編譯控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)[11-12]。3）信號分析模塊，主要通過全雙工的同步串行接口的構(gòu)建完成集成信號處理功能，通過端口A/D 模塊（兼容SPI）實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)檢測信號的高速A/D接收，系統(tǒng)的時(shí)鐘采樣功能通過使用PXI 觸發(fā)總線實(shí)現(xiàn)。4）總線控制和人機(jī)交互模塊，在HART 通信協(xié)議下，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的傳輸集成控制和交互功能（具有自適應(yīng)的特點(diǎn)），電平轉(zhuǎn)換通過構(gòu)建的時(shí)鐘電路完成，通過4 路聯(lián)合Cache的使用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)（在功率放大器的輸出端），在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)總線控制和人機(jī)交互功能[13-14]。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)對文中所設(shè)計(jì)的胎壓檢測系統(tǒng)的自動(dòng)檢測功能的有效性進(jìn)行測試，先基于Visual DSP++完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建，測試時(shí)間設(shè)為120 s，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024 點(diǎn)，設(shè)置120 dB 的D/A 轉(zhuǎn)換控制增益，檢測組網(wǎng)和Sink 的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4 和2 個(gè)，胎壓監(jiān)測功能在人機(jī)交互模塊中實(shí)現(xiàn)，將文中方法同文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中的方法進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果如圖3 所示，文獻(xiàn)[3]方法的穩(wěn)定性及檢測準(zhǔn)確率較低，文獻(xiàn)[4]方法的穩(wěn)定性較好但準(zhǔn)確率不高，相比其他兩種方法該文方法自動(dòng)檢測的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確率得到明顯提高（平均準(zhǔn)確率在92%左右），表現(xiàn)出良好的檢測性能。該文系統(tǒng)的胎壓檢測結(jié)果輸出如圖4所示，基于HART 通信協(xié)議有效實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該文系統(tǒng)的可行性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[15]。

圖3 胎壓智能檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確率對比結(jié)果

圖4 胎壓檢測結(jié)果輸出

5 結(jié)束語

該文主要設(shè)計(jì)了一種汽車胎壓智能檢測系統(tǒng)和胎壓自動(dòng)檢測算法，基于HART 通信協(xié)議通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用實(shí)現(xiàn)了針對檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)以及檢測系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，在提升無線傳感器組網(wǎng)能力的同時(shí)使自動(dòng)檢測的準(zhǔn)確性得到有效提高，對提取出的汽車胎壓數(shù)據(jù)通過采用相干性調(diào)制方法使檢測時(shí)的擾動(dòng)問題得以有效避免，在此基礎(chǔ)上將胎壓檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征量有效提取出來，測試結(jié)果表明本文所構(gòu)建的檢測系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確率和時(shí)效性，能夠更好地滿足汽車胎壓檢測要求[16]。