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1、轮胎压力检测系统设计自学考试本科毕业论文轮胎压力检测系统设计摘要：随着汽车工业的发展和道路交通网络的扩大，同时由此而引起的安全问题在人们的生活中也是日益严重，随之引发的交通事故在不断增多。汽车轮胎压力监测系统(TPMS)由此应运而生，它是继 ABS、安全气囊后第 3 个重要的汽车安全电子产品，主要用于在汽车行驶过程中对轮胎气压、温度进行实时自动监测，并对出现的异常情况进行实时报警，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。本论文主要完成的工作分为以下几个过程：1）分析在各种车辆中经常出现的轮胎损耗、爆胎现象与轮胎气压和温度的关系；2）了解 TPMS 系统的发展历程、现状和趋势；3）对 TPMS

2、 系统主机的结构进行创新性的改进，并分析新型结构与传统结构所具有的优势；4）完成 TPMS 系统主机模块的原理、结构、各种构成元件的硬件设计过程和选用器件的引脚配置等；5）确定基本的系统测试方法和测试过程,分析测试结果,得到研究设计结论。直接式 TPMS 是利用传感器实时测量每一个轮胎中的压力和温度,然后利用无线通信方式与 TPMS 主机进行通信，主机可以显示各个轮胎的气压和温度信息,并且在轮胎气压过低、过高、有漏气或轮胎内温度异常时发出声音警报，提高了系统的稳定性和准确性。随着我国的汽车数量的增多和人们对汽车安全的注 ,TPMS 的需求必将会增大,TPMS 的相关研究也将会更加迫切和深入。本

3、论文通过对无线收发系统方面的改进，提高了 TPMS 在信息传递的准确率和可靠性，降低了系统功耗。关键词：轮胎；压力；传感器；无线收发系统Tire Pressure Monitoring System DesignAbstract：With the development of the automobile industry and the expansion of the road transport network, and the resulting security problems in peoples lives is becoming increasingly erious, fo

4、llowed by traffic accidents caused on the rise.Tire Pressure Monitoring System(TPMS) which came into being, it is Following the ABS, airbags, three important automotive safety electronic products, mainly for real-time automatic monitoring of tire pressure,temperature in the vehicle wasexception and

5、real-time alarm, motorists and bus personnel life safety and security early warning systems.The work completed by this thesis is divided into the following process: 1) analysis in various types of vehicles often tire wear and tear,puncture the relationship between the phenomenon and tire pressure an

6、d temperature; 2) to understand the development process, the status and trends of TPMS system; 3) the structure of the TPMS system host of innovative improvements, and to analyze the advantages of the new structure and the traditional structure; 4) completion of the principle of the TPMS system host

7、 module, the structure, the various elements of the components of the hardware design process and selection of devicesthe pin configuration; 5) determine the basic system test methods and test procedures, analysis of test results, the study design conclusions. Direct TPMS sensor real-time measuremen

8、t of each tires pressure and temperature, and then use the wireless communication with the TPMS to communicate with hosts, the host can display the individual tire pressure and temperature information, and the tire pressure is too low, too high,leakage or abnormal temperature inside the tire, sound

9、alerts, improve system stability and accuracy. With the increase in the number of Chinas automobile and vehicle safety concerns,TPMS demand will certainly increase, TPMS-related research will also be more urgent and in-depth.In this thesis, through the wireless transceiver system improvements to enh

10、ance the accuracy and reliability of the TPMS in the transmission of information, reduce system power consumption.Keywords：tires; pressure; sensor; wireless transceiver system引 言每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。随着人们对生命安全重视程度的提高，监测汽车轮胎压力就成为汽车安全的一个重要课题。轮胎压力监测系统（TPMS）就是在这个背景下应运而生。当前市场上的 TPMS 产品主要有二类：直接式 TP

11、MS 和间接式 TPMS。间接式 TPMS没有压力传感器，它依靠 ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的变化。而直接式 TPMS 是依靠安装在轮胎内的压力和温度传感器将轮胎内的压力、温度数据以无线电波方式传送到接收器上，使驾车者能随时知晓轮胎的压力和温度的变化情况。本文介绍的是直接式 TPMS，在这种方式中，轮胎内轮胎模块一旦装上，电池就不断地工作，因此轮胎和车轮模块低功耗、高速转动时射频接收灵敏度以及噪声抑制就成为系统设计的关键问题。在此原则之下，选用收发灵敏度高、准确率高、功耗低的芯片作为信号收发芯片。这样通过依靠安装在轮胎内的压力和温度传感器将轮胎内的压力、温

12、度数据以无线电波方式传送到接收器上，使驾车者能随时知晓轮胎的压力和温度的变化情况，降低了交通事故的发生。第1章 绪论1.1 课题产生背景随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。在汽车的高

13、速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有 70是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达 80。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统（Tire Pressure MonitoringSystem，简称 TPMS）毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统（TPMS）以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。1.2 课题研究

14、的目的及意义1.2.1 轮胎压力与行车安全轮胎压力对于汽车安全行驶的重要性众所周知，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性，通过性，平顺性，稳定性，安全性和舒适性等。在引起交通事故的原因中，轮胎问题排在第三位。轮胎气压不足，将加大胎侧的弯曲变形，易导致胎内内壁帘线松散断裂。当气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开裂。又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路而间的动载荷，汽车的平顺性变坏。轮胎的回正力矩减小，促使汽车操纵性能降低。行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导致轮胎使用寿命的缩短。而轮胎与路面之间动载荷的增大，也

15、意味着轮胎与路面之间的最小正压力增大，从而降低车轮的地面附着力，影响汽车的行驶安全性。当汽车高速行驶时，如果轮胎气压低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，这会削弱轮胎的强度及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不同，易造成行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同，易造成局部超载而加剧轮胎的磨损；气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损。因此，轮胎压力过高和过低都会对行车安全造成不利影响。1.2.2 轮胎压力与使用寿命统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa 时，轮胎的正常使用寿命将会减少 25；当轮胎压力高于标准值 25时，其寿命将会降低

16、1520；对于轿车，其轮胎内压每下降 0.05MPa，其承载力就减少 l00N。从表 1-1 可以看出，随着气压的减少，轮胎的行驶里程逐渐缩短，使用寿命降低。气 压（%）行驶里程（%）气 压（%）行驶里程（%）1001007050959765409088603385805530807050277560表11 不同气压下的行驶里程表（注：标准气压和标准气压下的行驶里程为 100%）在使用过程中，能够按轮胎的标准气压充气，轮胎在行驶过程中就会均匀的磨损；保持了轮胎的最佳承载状态和良好的弹性，大大地延长轮胎的行驶里程。可见气压的大小对轮胎的使用性能有直接影响。气压对行驶里程的影响见图 1-1 标准内

17、压%图11 气压对轮胎行驶历程的影响的曲线图综上，气压是轮胎环境的重要因素，它控制着轮胎的使用寿命和各种特性。汽车轮胎压力检测系统能够时刻监视轮胎压力状况，保持行驶中车辆每个轮胎压力足够，防止轮胎爆胎以便行车安全，并且还可节省燃油以及延长轮胎寿命。1.3 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势轮胎压力监测系统（TPMS）技术早在上世纪 80 年代就已提出，但由于当时缺乏有效的技术条件和成熟的市场环境，而仅停留在设想层面上。随着近几年来汽车工业和交通事业的发展，汽车的速度越来越高，拥有汽车的家庭越来越多，由轮胎爆胎引发的大量交通安全事故使这一课题成为研究热点。结合新的无线射频应用技术和集成电路工

18、艺，研制 TPMS 已经提到日程上来。1.3.1 TPMS 的应用现状在 TPMS 及相关技术的研究发面，西方汽车工业发达国家在近几年都取得了相应的进展，出现了一批新产品。早在 1996 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的Mark型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。2002 年，约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统被国际汽车工程（AE1）评为当年 20 个最有价值的汽车产品之首。这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜

19、上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相关产品问世，如西门子 VDO 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵（Tire Guard）监测装置，英国 A.I.R 汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神（Tire Shield）监测装置；法国米其林集团公司与威柏可（Wabco）公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置；德国 BEAU 公司与美国 Lear 公司联合推出的轮胎压力实时监测系统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案。从最近发布的世界新车资料中得知，林肯大陆

20、、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了 TPMS。从以上这些目前国际市场上的汽车轮胎压力监测技术产品来看，通过对轮胎压力的监测来实现预防轮胎行车故障进而提升汽车安全性能，已成为当前汽车安全技术的新发展方向，也揭示了一种新的行车安全防范理念。美国及欧洲一些技术先进国家开展轮胎压力监测装置技术的研究很早，而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。目前，国内轮胎压力监测装置的相关产品虽然推出较多，但据对相关市场的调查了解，都是技术性能不甚完善、可靠性较差的简易系统产品，要么系统工作寿命极短，要么系统在低温或高温环境下失效，要么工作可靠性较差，在这方面的技术成熟产品基本还是空白。性能可靠、功能完

21、善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理，如来自日本的汽车轮胎压力监测装置“汽管严”，但价格高昂。因此，研制性能可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要。1.3.2 当前国内外相关技术的发展趋势当今的汽车轮胎压力监测系统在实现方式上可以归类为直接轮胎压力监测装置和间接轮胎压力监测装置。直接轮胎压力监测装置，要求在每个轮胎内使用压力传感器，并安装无线发射器，用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的主机系统。间接轮胎压力监测装置，要求使用车辆防抱死制动系统（ABS）来确定轮胎压力变化。ABS 是通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱

22、死系统。对于在 4 个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，轮胎压力变低也会导致车速发生变化，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，因为当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于轮胎压力判别，并触发警报系统来向司机发出警告。每个系统都有自己的优点。直接系统可以提供更高级的功能，使用中可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统相对便宜，使用间接系统，已经装备了 4 轮 ABS（每个轮胎装备 1 个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级就可以监测车速的变化，从而间接的测量轮胎压力。根据美国交通部门的统计，在 200

23、0年时，安装了 ABS 系统的车辆已占总车辆数的 67%。但是，目前这种系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的 2 个轮胎气压都低。第2章 TPMS 的种类、工作原理及各自的优缺点目前 TPMS 主要分为两种类型：直接式 TPMS（PressureSensor Based TPMS）和间接式 TPMS（Wheel-Speed Based TPMS）。2.1 TPMS 的种类2.1.1 直接式 TPMS直接式 TPMS 的工作原理本质上是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接控制并测量轮胎压力和温度，并对各轮胎气压

24、进行实时的显示与监控。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向车载无线接收报警器报警，有效防止爆胎，可以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求；缺点在于无线电波容易受到外界干扰，感应模块的电池存在使用寿命问题。目前直接式 TPMS 主要是直接主动式 TPMS 和机械式 TPMS，它们的区别在于传感器的类型。直接式 TPMS 的温度压力传感器一般是植入轮胎内部，而机械式 TPMS的温度压力传感器一般是安装在轮胎的气门芯上的。直接式 TPMS 的工作原理图如图2-1 所示。图21 直接式 TPMS 的原理图直接机械式 TPMS:机械式直接 TPMS

25、将系统分为轮胎模块和中央接收模块两部分。其中轮胎模块由压力传感器，控制器和发射器组成；中央接收模块由接收机，控制器和显示报警部分组成。机械式的 TPMS 与其它的 TPMS 的主要区别在于其压力传感器部分使用的是机械式压力传感器。直接主动式 TPMS:目前大多数厂家所研制和汽车所使用的都是直接主动式 TPMS，其原理框图如图 2-2所示。TPMS 系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块（采样端）和安装在汽车驾驶台上的接收和显示模块（监测端）。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波（RF）发射出去。一个 TPMS 系统有 4

26、个或 5 个（包括备用胎）TPMS 监测模块。接收模块接收 TPMS 监测模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。a) 轮胎监视模块的结构图b) 主机控制模块的结构图图22 直接主动 TPMS 的结构图直接式 TPMS 还可以分为单向通信系统 TPMS 和双向通信系统 TPMS。目前大多数直接式 TPMS 都是单向通信系统，即只存在从轮胎电子模块到接收机的单向信息通路，轮胎模块工作在完全自主的模式下。双向通信是指系统的遥感传感器及射频收发模块响应车体内射频收发和信息处理模

27、块发来的状态报告要求，立即向内射频收发和信息处理模块报告轮胎目前的工作状况，遥感传感器及射频收发模块具备无线射频收发功能，永远处于待机状态，无条件的接收车体内射频收发和信息处理模块的指挥。轮胎模块监测到胎压/温度的变化或出现异常时，就发信息给接收机，但它无法确保接收机能够正确接收到此信息。由于汽车在实际行驶过程中，轮胎气压总是在一定范围内波动变化的，为了检测到轮胎气压的标准状态，程序设计成在 200 次的连续采样次数内，若有连续 20次采得的气压值都属于同一个胎压状态，则认为气压状态是稳定的；若在 200 次的连续采样次数内，没有连续 20 次采得的气压值都属于同一个胎压状态的气压状态，则说明

28、此时气压还不稳定，就必须重新开始新一轮的连续 200 次采样。目前还有学者提出一种三度 EM 的模拟方法，使得设计开发人员能够在初期的设计和研发阶段评估在不同测试环境下 TPMS 的性能。还可以根据传感器的不同将 TPMS 分为内置式 TPMS 和外置式TPMS，内置式 TPMS 是将压力传感器和信号发射部分直接固定在车轮钢圈上，主要用于真空轮胎，一般为汽车生产厂或轮胎生产厂选用，需根据各厂商的不同车型或者轮胎压的要求进行定制，可解决汽车厂商的一体化要求，而外置式 TPMS 安装比较简单，适合用于各种轮胎，但安装后需要对轮胎的平衡性等指标进行调校，以达到安全目的。2.1.2 间接式 TPMS间

29、接式 TPMS 工作原理的本质在于在压力监测的过程中压力信号由轮胎至车体是非接触性传输或者气压值并非有传感器直接给出。目前常见的间接式 TPMS 有间接计算式 TPMS 和间接磁敏式 TPMS。间接计算式 TPMS：间接计算式 TPMS 是通过汽车系统的速度传感器比较轮胎之间的转速差别，来监测两轮胎压力的相对变化以达到监控胎压的目的。它的优点是耐用性强、可靠性高，不需要电池，也不存在受到无线电波的干扰的问题，不需要对汽车轮胎改装，成本比较低；它的缺点是无法对两个以上轮胎同步变化的状态和速度超过 100 公里/小时的情况进行判断。在汽车行驶过程中，轮胎的弹簧常数随轮胎气压的变化而发生变化。利用

30、4 个车轮上安装的 ABS 车轮传感器产生的波形信号并经过 VSC（Vehicle Stability Control System）处理，求出轮胎的共振频率，由此可得轮胎的弹簧常数，在根据轮胎气压和弹簧常数成严格正比关系，最后求出轮胎气压，控制流程如图 2-3 所示。图23 计算式间接 TPMS 的工作原理图间接磁敏式 TPMS：图 2-4 为磁敏式间接轮胎气压监视系统组成框图。其中轮胎气压传感器安装在车轮轮毂上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化（由此可见，虽然这里采用了气压传感器，气压值并非有传感器直接给出，

31、故将其归为间接式），从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。电子控制单元由单片机和外围接口组成，单片机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样，并将数据送人存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎气压值及其状态，通过接口芯片和驱动器，驱动显示报警装置在面板显示轮胎气压或在压力异常时进行声光报警。图2 4 磁敏式间接 TPMS 的工作原理图2.1.3 基于 SAW 的无源 TPMS基于 SAW 的无源 TPMS 仍然属于主动式 TPMS，但是它与一般的直接式 TPMS 的区别在于该系统在采样端不需要电池，因此将它作为一种

32、特殊的关系列出来进行介绍。表面声波（Surface Acoutic Wave , SAW）是由英国物理学家瑞利在 1885 年发现的。他发现在弹性晶体的表面上上存在一种形式的波动，成为表面声波。并以波动数学理论证明其现象，故此表面成为瑞利波。只是当时他的研究结果，并没有引起任何在实务发展的回响。直到 1965 年，加州大学柏克莱分校的 R . M . White 和 F .M . Voltmer 两位教授，将指状电极（Interdigital Transducers；IDT）结构制作在压晶体管的表面，并成功的产生了表面声波讯号后才正式开启了表面声波组件的应用。由于 SAW 组件可藉有不同的电极结构设计来产生不同的频率响应，故此后的 30 年，SAW 组件被广泛的要运用在各类通讯领域的振荡器、谐振器及滤波器等电路中。另一方面，SAW 在感测技术发展上，也具有相当大的潜力，因为 SAW 组件的灵敏度高，当晶体受到扰动影响，所产生的频率漂移都在数百 KH 间，利用目前的