汽车轮胎压力与温度监测预警系统的分析研究预警算法模型.docx
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汽车轮胎压力与温度监测预警系统的分析研究预警算法模型
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中南大学硕士学位论文汽车轮胎压力与温度监测预警系统的研究姓名:
王进申请学位级别:
硕士专业:
电力电子与电力传动指导教师:
廖力清20090605
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.论文深入分析了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作为本文的研究目标,利用嵌入轮胎中的传感器检测轮胎的压力,温度以及供电电池的电压等参数,并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.论文针对直接有源式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。
31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。
5>充分考虑TPMS与其他车载设备之间的信息共享问题,进行基于CAN总线的联机通信设计.测试表明,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,较好地达到了预期设计目的.关键词TPMS,无线通信,电磁兼容,预警算法,CAN
ABSTRACT
TPMS
1Sone
ofthemostimportantsafeguardsforvehicletosafelyhighspeeddevelopmentoftheAutoElectronic
drive.With
the
Technologyandpeople'Smoredemandsforsafety,itwouldbeofwidelyapplicationforegroundtoresearchanddesignthe
TPMS,and
meanwhile,itwouldalsobringmoresocialbenefitsandeconomical
benefits.Thepaperhavedeeply
analysedthe
development
status
and
directionofTPMSandcomparedthedifferencebetweenIndirectTPMSandDirectTPMS.ThepaperchooseDirectTPMS
Directofthe
as
research
object,
tothe
TPMS
uses
the
sensorsto
measurethepressureandtemperature
Tires（including
voltageofthe
battery>andtransmitsthem
monitorwhichisinstalledinthedrivingplatformbyradiofrequencymodulation.Themonitordisplaysallkindsofpreferencesofthetiresintimeand,whenthepreferencesisabnormal,thealarmswillworks
automaticallyanddisplayrelatedinformation.Thesystem'Slife
are
alarm
exactly,reliabilityandpromotingthebattery
or
thetechnical
difficulties
thekeypointforDirect
are
TPMS.
Regardingthesepoints,severalaspects
studied:
1>Studying
the
andDesigningtheRFTransmitdetailedly,includingwireless
MatchingNetworkforAntenna,the
communication
protocolandthemanagementofRFtransmission.
2>Afterinsuring
thepaperresearches
theaccurateprobabilityofwirelesstransmission,and
advancesthearithmeticbased
on
Sensor
Fusioninordertoavoidthe
TPMSgiving
wrongalarm.
3>Analyse
theapplicationelectromagnetismenvironmentofTPMS
anddesignthehardwareandsoftwareconcretelybyconsideringtheperformanceofEMC.
4>Besideschoosingthe
choosestheLi/SOCl2battery
lowestpowerconsumptionIC,indesign,
as
thepower
supplyand
uses
a
more
effectivemanagemethod
to
reducethesystem'Spowerconsumption.
on
5>Theinformationsharing,based
CANBus,isfullyconsidered
anddesigned.
Bytest,after
taking
these
methodslisted
on
the
front,call
at
effectivelyimproveprecisionandveracityofthesystem,and
designcarriedouttheanticipativetarget.
last,the
KEY
WORDS
TPMS,WirelessCommunication,EMC,EarlyWamingarithmetic,CAN
IIl
原创性声明
本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果.尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料.与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明.
作者签名:
主上L.
日期:
手年』月止日
学位论文版权使用授权书
本人了解中南大学有关保留,使用学位论文的规定,即:
学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅。
学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印,缩印或其它手段保存学位论文.同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公众提供信息服务.
嗍斗年』月』日
硕j:
学位论文
第一章绪论
第一章
绪论
随着人类科技和生活水平的提高,汽车越来越多也越来越近地走进了人们的生活,已经成为必不可少的交通,运输工具.进入2l世纪来,对汽车的安全,环保,节能,舒适和智能等性能要求也提到了更高的层次.轮胎是汽车系统的重要部件,其性能优劣及使用情况直接影响到汽车行驶的可操纵性,安全性,舒适性甚至是节能性.目前,我国正进入汽车消费的高速增长期,行车安全问题越来越受到人们的重视,而轮胎的安全性是汽车安全性能评价的重要指标之一.轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制性而成为突发性交通事故发生的重要原因,造成了巨大的经济损失和人员伤亡,极大地威胁着汽车的行驶安全.恰当的轮胎充气压力是保证汽车安全,平稳行驶的关键因素,及时准确地对超过或低于轮胎压力,温度标准范围的异常状态进行报警,是减少由轮胎爆胎引发交通事故的有效途径….TPMS是顺应上述要求出现的应用技术,正逐渐被各界要求在将来汽车的设计制造中采用.本文追踪国内外最新的信息,研究和设计了轮胎压力,温度
预警系统,实时检测轮胎的压力和温度,在出现异常情况下能及时向驾驶员预
警,采取适当措施以避免情况的恶化:
此外,本系统能与车载电子控制单元（ElectronicControlUnit,ECU>进行CAN总线通信,方便ECU根据本系统所反馈的轮胎信息调整驱动行为,从而较好地匹配整车动作达到安全,舒适,节能的目的.
1.1课题背景及研究意义
1.1.1课题背景据交通部门统计,高速公路约46%的交通事故是由于轮胎故障引发的,而
其中75%是因为胎压过低,漏气造成的爆胎,并且,高速行驶情况下,爆胎而
导致的死亡率达到了70%以上.如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题.中国国家橡胶轮胎质量监督中心专家分析:
保持标准的轮胎气压行使和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键.那么汽车胎压监测系统将是理想的工具.2000
年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案,要求
2003年后所有的新车都需把这种TPMS系统作为标准配置.作为回应,美国公路交通安全局要求到2007年,所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视
系统,并提出了汽车生产商的执行时间表:
美国市场出售的汽车,2004年占
硕士学位论文
第一章绪论
10%,2005年占35%,
2006年占65%,2007年将达100%.2007年后,已
有欧美,日韩等国立法强制TPMS为汽车标配,并制定了TPMS的技术规范乜1,
国内在国产奔驰,奥迪,君威,荣威等系列部分车型已经使用.TPMS现在还
属于比较高端的产品,离大众化和普及化还有很长的距离,但是相信不久的将来,胎压实时监测系统技术必将得到广泛的应用.经历半个多世纪的发展后,汽车在机械结构方面已经非常完善,靠改变传统的机械结构和有关结构参数来提高汽车的性能己临近极限.由于臼益增强的安全,节能与净化要求和激烈的市场竞争,迫使汽车工业不断研究新技术,开发新产品,特别是微电子技术的长足进步,又为汽车新技术发展提供了重要的技术手段和支撑,比如ECU,车载导航系统,防抱死刹车系统（Anti.10ck
Braking
System,ABS>等.当前,汽车电子技术进入了优化人一汽车一环境三者之间整体
关系的阶段,向着超微型磁体,超高效电机以及集成电路的微型化方向发展,
并为汽车上的集中控制提供了基础（例如制动,转向和悬架的集中控制以及发动
机和变速器的集中控制>.事实证明,采用电子控制装置对提高汽车安全性,可靠性,舒适性,经济性等以及改善汽车的动力学和动力学性能并减少废气排放,
减少油耗等都具有显著的效果.
1.1.2研究意义
根据前面所述,轮胎的正常使用对汽车的安全行使至关重要.提高其安全
性能,实时监测其状态并及时对异常情况进行预警,可以有效降低事故,特别是高速行使时发生交通事故的可能性,也就大大减少了因此而引起的人身伤亡
和经济损失.机动车尾气排放是当前空气污染和引起地球温室效应的主要来源之一,如何提高燃油的经济性,减少油耗,降低污染亦是人们密切关注的问题.前面也有提到,轮胎压力与汽车燃油的经济性,轮胎本身的使用寿命有着密切联系（研究表明,胎压过高或者过低会减少轮胎寿命20%,胎压过低还会增加油耗lO%>,另外,汽车长期行使于正常气压状态下,对汽车发动机及底盘尤其是对悬挂系统的保养和维护有突出的贡献,因为假若汽车在轮胎气压过高状态下行驶,日积月累对发动机底盘及悬挂系统将造成很大的伤害,而过低气压则会增加汽车轮胎的磨损.综上可知,实时监控轮胎的压力,温度,使其处于正常的工作状态可以有效延长其使用寿命和减少燃料消耗,有利于创造节能型社会,具有显著的社会效益.我国正在成为全球最大的新兴汽车市场,汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势,并且年销售量激增,已接近成为仅次于美国的全球第二大汽车销
2
硕上学位论文
第一章绪论
售国,且这种增长的趋势将不可逆转,到2020年,中国汽车销量将能够全面超越美国成为世界第一（实际上,由于2008年美国次贷危机对全球金融的冲击,在2009年1月份,美国汽车销量就降至27年来最低点,首次逊于中国>.在此前提下,汽车安全性产品将成为中国生机勃勃的新兴市场的热点,今后每年的增长速度可达50%.而国内外现有整车上匹配TPMS系统的不多,存在巨大的上升空间.随着人们生活水平提高以及对安全性能更高的要求,汽车及配套的
轮胎预警装置的市场将日益扩大,据业内专家预测,TPMS这个继ABS,安全
气囊之后第三大安全系统将得到迅速发展.因此,轮胎预警系统的生产制造厂家将会获得巨大的经济效益,汽车制造厂商也会因提高整车的安全性能,而吸引更多的消费者.
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1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.从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（Micro
Controller
Unit,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,M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.1.2.2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
3
硕士学位论文
第一章绪论
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。
⑨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一Ii,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.OutMonitoring
andBrakeSystem,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.1.2.3发展趋势TPMS经历了由早期的机械式,纳M材料式和磁敏检测法¨≈1,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J下逐渐被淘汰,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,融合射频识另1]（Radio
Freqency
Identification,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
4
硕}?
学位论文
第一章绪论
替电池,通过轮胎的旋转为系统供能"1.
国内上海交通大学也开始基于声表波（Surface
Acoustic
Wave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实验阶段.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.SAW型传感器基本工作原理是在轮胎的表面嵌入薄石英片,通过石英压电晶体将压力信号转化为相应的响应频率信号,并在询问频率的诱发下,返回响应频率,从而测量行使中汽车轮胎的压力和温度等p1.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,也是一种发展趋势抽3.
1.3论文研究内容及结构安排
本文研究基于TPMS（直接式>的性能需求,针对TPMS实现的关键技术要
点:
无线通信的可靠,检测数据的精度,系统的低功耗等,开展了以下研究工作:
1>采用最新技术的Freescale传感器的直接有源式TPMS,对胎压,胎温包括供电电池电压进行实时监测,集低功耗,高集成度,可靠RF发射于一体。
21整合先进预警算法及时对异常情况进行预警,防止漏报或误报,并设计了良好的预警界面。
3>针对TPMS发展趋势,设计了TPMS与车载ECU和外部个人电脑
（Personal
Computer,PC>通信的功能,能为ECU提供轮胎状态信息便于实现对
汽车更加优化,节能的控制。
4>在设计使用低功耗硬件的基础上,优化软件设计和电源管理机制,提
高电源电池的使用寿命。
5>结合检测传感器整合的RF手册和参数,重点设计发射天线的结构,匹
配网络,无线通信协议,力求通信的稳定和可靠.6>进行系统的软硬件设计,包括数据采集,发射,接收,显示,通信等
功能电路.根据研究内容,论文结构安排如下:
第一章绪论.阐述课题的背景和研究意义,探讨国内外对该课题的研究现状以及TPMS系统的发展趋势,分析TPMS系统的技术要点和本文采取的措施.
第二章TPMS原理及方案设计.分析TPMS系统的原理,工作环境,并提
硕上学位论文
第一章绪论
出系统设计的技术要求,进行系统方案论证和设计.第三章轮胎参数检测与发射模块硬件设计.采用Freescale推出的高性能TPMS检测传感器.实现检测发射系统的硬件电路.阐述系统的低功耗措施,
对RF天线包括其匹配网络,无线通信协议进行详细的设计,并简要介绍检测
模块的安装方式.第四章中央接收与处理模块硬件设计.给出中央接收与处理单元各部分功能的具体设计,包括RF接收,CAN通信,通用串行总线（UniversalSerial
USB>通信接口,人机接口,轮胎ID定位识别,电源管理等.第五章系统软件设计.首先对软件整理架构进行说明和讲述,根据已设计的硬件,逐一说明主要功能部分的软件设计思路,并给出相关流程图和文字说明.第六章轮胎爆胎预警算法的研究.针对TPMS系统预警的可靠性要求,避免漏报和误报,即提高报警的正确性.在分析现有预警算法的基础上,提出改进的措施,给出具体的设计实现.第七章系统电磁兼容性设计.汽车电子环境复杂,而且对汽车电子设备的可靠性,稳定性要求也比较高,本章在电磁抗干扰（ElectroMagnetic
Interference,BUS,
EMI>和电磁兼容性（ElectroMagneticCompatibility,EMC>方面对系统进行了一定的分析和设计.最后是全文的总结和展望.
6
硕土学位论文
第一二章1甲MS原理及方案设计
第二章TPMS原理及方案设计
TPMS主要用于在汽车行使时实时对轮胎压力,温度进行自动监测,对各种异常情况（如轮胎漏气,过低或过高气压,过高温度>进行预警以保障行车安
全.一般包括轮胎检测部分,无线数据传输部分,数据处理以及显示警告部分.本章主要介绍TPMS的实现原理和进行具体方案的论证设计.
2.1
TPMS工作原理
TPMS包括两个部分:
轮胎参数检测与发射模块。
中央接收与处理模块.
前者一般由检测传感器,MCU,RF射频发射,天线和锂电池组成,主要负责
汽车轮胎的压力,温度,加速度（可选>,模块电源电压的检测以及检测数据的无线传输,所有材料和元器件都要求满足.40℃"-'125℃的汽车级工作温度范围。
而后者一般由主控制器,人机接口,RF接收,语音
升级会员 