基于无线通信轮胎压力 监测系统设计.docx
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基于无线通信轮胎压力监测系统设计
本科学生毕业设计
基于无线通信轮胎压力监测系统设计
院系名称：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
李静
职称：
讲师
黑龙江工程学院
二○一二年六月
TheGraduationDesignforBachelor's
DesignOfTirePressureMonitoringSystemBasedonWirelessCommunication
Candidate：
Specialty：
Measurement-ControlTechnology
andInstrumentation
Class：
Supervisor：
Lecturer.LiJing
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
摘要
轮胎压力监测系统（TirePressureMonitoringSystem，TPMS）是车辆安全行驶的重要保障之一，在汽车电子技术高速发展和对汽车安全性能要求更高的前提下，对TPMS系统的研究和设计具有广泛的应用前景，并能带来良好的经济效益和社会效益。
本设计深入分析了TPMS技术的研究现状和发展趋势，并对比了间接式TPMS和直接有源式TPMS的优缺点。
选择直接有源式TPMS作为本设计的研究目标，利用嵌入轮胎中的温度传感器和压力传感器检测轮胎的压力、温度以及供电电池的电压等参数，然后经过模数转换器的转换之后再通过无线射频方式发射到安装在驾驶室的监视器上。
监视器实时显示各轮胎参数，在出现异常时及时发出相关告警信息。
设计针对直接有源式TPMS技术实现的主要难点问题，包括系统预警的准确性和可靠性、检测传感器模块的低功耗性能等，开展了以下工作：
1）对RF发射部分进行详细设计，包括发射天线的匹配网络、无线通信协议以及RF发射管理机制等；
2）提出改进的基于多传感器融合技术的预警算法，有效提高系统预警的正确性，避免告警信号的漏报和误报；
3）分析TPMS应用的电磁环境，在电磁兼容性设计层面上，阐述了系统的软硬件设计方案；
4）在选择极低功耗检测传感器等器件的基础上，选择更适合应用环境的锂亚供电电池，并采取良好的电源管理机制；
研究表明，所设计的直接有源式TPMS系统有效地提高了检测精度和预警的准确率。
关键词：
轮胎压力监测系统；无线通信；温度传感器；压力传感器；预警
Abstract
TPMSisoneofthemostimportantsafeguardsforvehicletosafelydrive．WiththehighspeeddevelopmentoftheAutoElectronicTechnologyandpeople’smoredemandsforsafety，itwouldbeofwidelyapplicationforegroundtoresearchanddesigntheTPMS，andmeanwhile，itwouldalsobringmoresocialbenefitsandeconomicalbenefits．
ThepaperhavedeeplyanalysedthedevelopmentstatusanddirectionofTPMSandcomparedthedifferencebetweenIndirectTPMSandDirectTPMS．ThepaperchooseDirectTPMSasresearchobject，DirectTPMSusesthesensorstomeasurethepressureandtemperatureoftheTiresandtransmitsthemtothemonitorwhichisinstalledinthedrivingplatformbyradiofrequencymodulation．Themonitordisplaysallkindsofpreferencesofthetiresintimeand，whenthepreferencesisabnormal，thealarmswillworksautomaticallyanddisplayrelatedinformation．
Thesystem’salarmexactly，reliabilityandpromotingthebatterylifearethetechnicaldifficultiesorthekeypointforDirectTPMS．Regardingthesepoints，severalaspectsarestudied：
（1）StudyingandDesigningtheRFTransmitdetailedly，includingtheMatchingNetworkforAntenna，thewirelesscommunicationprotocolandthemanagementofRFtransmission．
（2）Afterinsuringtheaccurateprobabilityofwirelesstransmission，thepaperresearchesandadvancesthearithmeticbasedonSensorFusioninordertoavoidtheTPMSgivingwrongalarm．
（3）AnalysetheapplicationelectromagnetismenvironmentofTPMSanddesignthehardwareandsoftwareconcretelybyconsideringtheperformanceofEMC．
（4）BesideschoosingthelowestpowerconsumptionIC，indesign，choosestheLi／SOCl2batteryasthepowersupplyandusesamoreeffectivemanagemethodtoreducethesystem’spowerconsumption．
Bytest，aftertakingthesemethodslistedonthefront，caneffectivelyimproveprecisionandveracityofthesystem，andatlast，thedesigncarriedoutthe
anticipativetarget．
Keywords：
TPMS；WirelessCommunications；TemperatureSensor；PressureSensor；Warning
第1章引言
1.1课题的背景
随着汽车的普遍，现在每家每户外出都离不开汽车。
随着汽车的曾多，交通事故也逐渐的增多，人们讨论的问题不在是每家的经济情况，而是汽车的安全驾驶的问题。
TPMS是汽车轮胎压力检测系统的中心。
轮胎压力直接影响汽车行驶的安全。
轮胎压力监测系统（TirePressureMonitoringSystem，简称TPMS）的作用是在汽车行驶的过程中对轮胎气压和温度进行实时自动监测，并对轮胎漏气、气压过低和气压过高状况进行报警，以确保行车安全。
TPMS系统为汽车行业做出来很多的贡献，方便司机监测汽车减少了很多的交通事故的发生。
安装汽车压力检测系统可以有效的防止汽车轮胎爆胎，在汽车缺气行驶时能够及时的发出缺气信号，避免汽车在缺气的状态下行驶造成轮胎损坏或者是造成交通事故。
如果汽车在轮胎缺气状态下还在行驶那么耗油量将会大大的增加。
安装TPMS的好处很多，比如，安装了TPMS之后可以使车辆把持在最佳的操控性能，避免车辆的元件部件非正常磨损。
TPMS系统的发展与以下几种技术的发展密切相关：
（1）胎压传感器组件技术。
轮胎温度/压力参数的监测是TPMS系统设计的关键，不但要保证参数测量的精度、速度等指标满足系统的需求，还要保证传感器在测量和待机过程中消耗的电流较小以满足系统的供电需求。
另外，传感器工作在轮胎中，环境状况十分恶劣，因此传感器还应满足在温度、潮湿、震动等环境十分恶劣的条件下长时间工作的要求；
（2）汽车电子技术。
汽车电子技术的发展为汽车的TPMS系统的实现提供了十分有利的条件，其中包括元器件和整车环境等方面。
随着汽车工业现代化进程的加快，新技术、新工艺、新材料在汽车工业中得到广泛的应用。
由于汽车制造业和电子制造业是当今世界的两大支柱产业，且电子制造正处于蓬勃发展的黄金时期，它能够给包括汽车制造业在内的其它产业提供全方位和多层次的技术支持；（3）微机电技术。
微机电系统是指集微机型机构、微型传感器、微型执行器、微型驱动器、信号处理系统、电子控制电路以及接口和通讯器件等于一体的几何尺寸极小的微型机电一体化产品。
微机电技术的发展为汽车TPMS系统的实现提供了必须的条件，如TPMS系统中的核心关键器件--嵌入式微型传感器就得益于微机电技术的发展才能得以实现。
微机电产品的尺寸、体积、质量以及惯性均十分微小，而其谐振频率高、响应速度快、性能稳定、能耗极低，有利于进行大批量、低成本生产。
此外，由于容易集成和复合，可以做成微传感器阵列和微执行器系统，甚至做成可将微传感器、微执行器、微处理器和微控制器集成在一块芯片上的复杂微机电系统，使之具有信号处理、程序控制等多项功能。
这些优点和特色决定了微机电技术可在提升汽车行驶安全性能方面大有作为，也昭示了汽车安全行驶保障技术及其装置的发展方向与应用途径。
随着TPMS核心技术——压力、温度传感器技术和其他重要技术的发展，TPMS系统的到了快速的发展，但是在目前的TPMS系统中，由于没有能够突破结构设计中的瓶颈，仍然存在以下问题：
（1）轮胎从机模块安装在轮毂上，可靠性较低，车辆扒胎维护十分困难。
（2）轮胎从机模块安装在轮毂上，径向加速度产生的离心力将影响胎压的测量精度。
（3）轮胎从机模块安装在轮毂上，检测系统只能使用一次性锂电池供电，车辆长期高速行驶下电源故障率较高，维护十分困难。
（4）车后左右轮胎从机模块旋转过程至于车载主机进行无线通讯时可靠性低，抗干扰性差。
由于以上多个原因，虽然车辆轮胎压力监测系统在防止因轮胎胎压和温度异常引起的交通事故方面具有十分重要的作用，但是目前并没有像ABS、安全气囊等安全保护措施一样得到广泛的应用。
1.2课题研究的目的和意义
1.2.1课题研究的目的
本设计以无线通信系统对轮胎压力的监测为题目进行一系列的研究，通过压力传感器和温度传感器相结合来设计一个轮胎压力检测系统，用来防止爆胎引起的危险，确保行车安全同时也可以使轮胎的使用寿命延长。
随着社会的发展，如今我们无论是经济上还是科学技术上都有了很大的进步，人们的生活水平都有了很大的提高，人们对于舒适的生活也就要求的越来越高，对于家居或者是外出的要求在方便、快捷、安全等方面的要求也越来越关注。
尤其是外出方面，人们对汽车的安全系统特别的关心和关注，要求也越来越高。
如今，人们的生活、学习、经济以及社会的经济发展、国民经济命脉等重担都与公路交通有着紧密的联系。
随着人们生活水平的提高，汽车也就走进了千家万户，由此，人们最关心的问题也就是汽车的方便、轻巧、舒适、安全等问题。
尤其是汽车的安全系统是人们最为关注的问题。
汽车的增多也代表着交通事故的增多，交通事故的发生不仅造成了每家每户的很大损失，同时也是社会的损失。
交通事故造的最主要的原因有两个，一个是由于很多的人为的事故，有些人的开车技术不好或者是在迷糊、饮酒、瞌睡的状态下驾车，导致交通事故发生；另一个是因为汽车爆胎，造成人员伤亡已经社会损失。
据统计,在国内高速公路上,由爆胎引发的交通事故占事故总数的70%，在美国,这一比例更高达80%。
如今如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题,防止爆胎的关键就在于要保持标准的压力和温度，通过无线通信压力传感器对汽车轮胎进行检测，使人们在轮胎出现危机的时候能够及时的知道并且及时的预防或者是补救，避免伤亡和损失。
汽车轮胎压力监测系统（tirepressuremonitoringsystem,TPMS）就是用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气和低气压进行报警,以保障行车安全。
正因为TPMS对于汽车安全性上至关重要，所以在1996年的时候，美国就颁布了实施有关TPMS的法规了。
在我国2003年初，上海大众开始了TPMS的研发计划，并开始了制定工作，不过我国目前还没有正式的实施TPMS。
1.2.2课题研究的意义
轮胎压力监测系统可以带来显著的社会效益和经济效益。
轮胎压力监测系统的社会效益包括两方面：
（1）大大减少因交通事故引起的人身伤亡和经济损失。
轮胎安全对汽车安全行驶的影响极大，在轮胎出现故障或异常时通过轮胎压力监测系统--TPMS及时地对驾驶员进行预警，可以提高轮胎的安全性能，进而可以有效地降低汽车行驶，特别是高速行驶时发生交通事故的可能性。
（2）减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问题。
据世界卫生组织最新统计结果，目前全世界每天有超过500万条废轮胎被丢弃。
由于废旧轮胎回收和处理上的困难，目前全球已有数以亿万计的轮胎等待处理，成为了环保的一大顽疾。
另外，机动车尾气排放是当前城市空气污染的主要来源之一，如何提高燃油的经济性，降低尾气污染，是人们密切关注的问题。
实验证明，轮胎压力和汽车的燃油经济性有着密切的关系。
行驶相同的距离，轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油，同时也排放出更多的尾气。
通过使用轮胎压力监测系统及时的发现轮胎气压的异常，就可以有效的解决因轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。
轮胎压力监测系统蕴含着巨大的经济效益。
目前，世界汽车市场正在稳步扩大，这种状况在中国更加明显，因为随着中国经济的增长和汽车整体价格的下降，将会有越来越多的中国消费者具有购买汽车的能力和愿望。
另一方面，随着因轮胎压力问题引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加，越来越多的厂家开始重视轮胎压力监测问题，目前已经有国家出台法律规定要求在汽车中配置轮胎压力监测系统。
可以预见，在不久的将来，轮胎压力监测系统将会和ABS、安全气囊一样成为汽车的标准配置。
巨大的需求将会产生巨大的市场，许多与轮胎压力监测系统相关的企业将会出现，创造巨大的经济效益。
1.3课题研究现状
1.3.1TPMS国外研究现状
对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研究的热点问题。
另外，国外强制法令的出台，也促进了TPMS相关技术的迅速发展，在这方面，美国、日本、德国、法国、英国在近几年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善的轮胎压力监测系统产品，并达到了一定的规模。
近年发布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、奥迪、大众等中高档车均安装了轮胎压力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主控机板显示模块实时显示轮胎气压状态。
针对直接有源式TPMS，国外一些半导体厂商以自身的芯片为核心提供TPMS解决方案，比如Infineon、GE、Freescale等。
在检测传感器方面，随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求，目前应用比较成熟的有将测量传感器与微控制单元（MicroControllerUnit，MCU）合二为一的智能传感器，诸如飞思卡尔等部分厂家还在最近成功推出集检测传感器、MCU、无线射频发射（RadioFreqency，RF）芯片于一体的智能检测传感器模块。
此外，米其林集团、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎胎壁内，让它在轮胎的整个寿命期间（一般为l～7年）发挥作用，而作为信号接收装置则做成如手机样的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。
1.3.2TPMS国内研究现状
据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品已有推出，但大多技术性能不甚完善或系统简易，产品也没有形成一定的规模，存在以下缺点：
（1）系统工作寿命短；
（2）系统在低温或高温环境下稳定性不够；
（3）工作可靠性较差；
（4）检测精度不够。
而性能可靠、功能完善、技术成熟并且形成规模的产品均是一些国外知名公司（如美国李尔、西门子VDO、英国施奈德、德国贝鲁）的品牌产品，但价格较为昂贵。
此外，TPMS系统中的轮胎检测传感器核心器件的研制和生产跟国外相比差距还很大，现在主要的是由国外一些公司诸如Freescale、英飞凌等提高供，研制出性能可靠、功能完善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。
另外，国内相关研究机构正在加紧无源TPMS的研究，力求拥有自己的知识产权，据报道，最近由吉利公司推出的爆胎监测与安全控制系统（Blow．OutMonitoringandBrakeSystem，BMBS）已经超越了美国“TPMS”标准，它采用的是人工智能主动介入技术，在轮胎突发爆胎时自动接管车辆，代替驾驶员实施行车制动，从而达到降低或者化解爆胎风险的目的，与此同时，对于没有安装ABS的车辆，BMBS系统在遭遇爆胎后将自动实施“连续点制动”模拟ABS功能，使车轮不会发生抱死滑移现象，有效确保了行车制动的安全性。
TPMS经历了由早期的机械式、纳米材料式和磁敏检测法，逐步过渡到间接式TPMS和直接有源式TPMS，而间接式TPMS虽然成本低（利用车载ABS即可实现），但是由于精度低、不能实时显示胎压等缺点正逐渐被淘汰，直接轮胎压力监测系统才是当前市场上汽车产品寻求安装保证轮胎安全性的主要发展方向。
同时轮胎爆胎预警装置系统作为一项新技术，能够为整车提供轮胎压力和温度等状态信息，必将成为汽车整车控制系统单元的一部分，同时，它对汽车电子信息共享的研究也具有重要意义。
TPMS传感器模块技术将向发射模块高度集成化、无线无源方向发展，未来的应用方向还将包含利用运动的机械能自供电的四合一模块，届时，胎压监测发射系统只有一个模块和一个天线组成，开发人员的二次设计将变得十分简便，产品安全性、可靠性、稳定性也会有进一步的提高。
另外，融合射频识别（RadioFreqencyIdentification，RFID）技术进行智能轮胎的研究也是发展趋势，比如美国固特异轮胎橡胶公司和西门子VDO汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带RFID卡传感器。
该传感器除了能够感知轮胎内的气压、．胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记录，此外，西门子VDO的智能轮胎系统使用压电元件来代替电池，通过轮胎的旋转为系统供能。
国内上海交通大学也开始基于声表波（SurfaceAcousticWave简称SAW）技术的TPMS开发研究，这种能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据的SAW传感器，不仅可实现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产权。
基于声表面波技术的轮胎传感器还处于试验阶段。
其主要优点是传感器部分不需要电池供电（无源TPMS），而且质量较小，目前国际上已经开发出的实验传感器样品只有59左右，同时可在高温等恶劣环境下工作。
另外，TPMS系统与汽车整车控制系统的电控单元的整合，即通过车身数据总线CAN总线或者LIN总线并入车载控制网络中，也是一种发展趋势。
1.3.3TPMS发展趋势
汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个具有极强生命力的主题。
因此，TPMS将成为汽车安全保障系统之一。
而TPMS发射模块将向高度集成化、单一化、无线化和无源化方向发展。
随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求，在未来几年内将会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块，届时胎压遥测模块只由一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。
TPMS系统发展的进一步发展有可能会是智能轮胎。
保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。
而TPMS汽车胎压监测系统毫无疑问将是理想的工具。
美国、欧洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽车全部安装TPMS，因此，对TPMS的需要量与日俱增，美国的人工每小时起码7.5元美金，差不多是中国工人的日工资，面对量大的产品需要降低生产成本，TPMS的生产正在转向中国。
今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。
人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。
因此，目前我们国内己有数百家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。
目前，TPMS主要分为两种类型：
一种是间接式TPMS，它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测胎压的目的，其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。
另一种是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的以锂亚电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。
监视器随时显示各轮胎气压、温度，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。
直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS。
中国TPMS的前装和后装市场己经启动，预见前装市场（汽车生产厂家原装）将比后装市场（汽车购买后安装）跑得更快,TPMS产品技术TPMS系统主要有二个部分组成：
安装在汽车轮胎里的发射模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器。
今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。
除此之外中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。
汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点。
本设计中凡是没有明确说明的，所提到的TPMS均是指直接式TPMS。
1.4本设计研究的内容
本设计是对汽车轮胎压力进行无线通信检测，在汽车的轮胎里面安装压力传感器和温度传感器用来测量轮胎的压力以及温度。
当汽车的轮胎压力过大时，将会产生压力过大的信号通过无线通信系统传输到显示器上，是司机可以快速的发现汽车轮胎的缺气或者是其他容易出现交通事故的现象。
直接式TPMS系统主要由主机模块和从机模块组成。
本课题主要研究直接式TPMS系统的主机模块和从机模块，其中，主机模块包括设计数据处理单元、显示/报警电路、RF射频电路三大部分的内容。
从机模块包括无线通信微处理器模块、轮胎压力/温度检测模块、电源管理模块。
在整体研究了TPMS系统的基础上，重点论述主机和从机模块的结构特点和设计依据、各模块的设计过程，以及各个元件的连接方式。
本设计比较全面的介绍了TMPS系统概念，体现了本课题的意义；对TPMS系统整体结构和安装方式进行研究，并且说明当前的TPMS系统的结构和安装方式，对本系统和当前TPMS系统作比较，论述本TPMS系统的优势；在主机模块中，提出主机模块的总体设计方案，该设计方案不仅使主机模块完善的具备了TPMS主机模块的功能，且具备较强的扩展性能；详细论述
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