TPMS系统设计（通用4篇）
TPMS系统设计 篇1
0 引言
随着汽车保有量的增加,现代汽车技术发展的主要方向是安全、环保与节能。从市场分析情况看,现在各个国家对汽车安全要求越来越高,TPMS作为汽车主动安全系统,技术逐渐成熟,对保障汽车行驶安全有重要作用。
倒车雷达,又称泊车辅助系统,或称倒车电脑警示系统。它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。它能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。
早期的倒车雷达以台湾产品为主,但随着这方面技术的逐渐透明化,内地生产倒车雷达的厂家越来越多,可选择的品牌也日趋丰富。但是,这些品牌都是单一功能的倒车雷达;倒车雷达主机安装在汽车尾部,显示部分安装在仪表盘附近,布线麻烦,需要拆装汽车内饰。
在《汽车电子的未来发展》一书中把倒车雷达作为汽车的安全保障加以强调,而作为事前安保型的TPMS也是汽车安全的重要部分,如果将倒车雷达的接收、显示和TPMS的接收器合二为一,成为一种多功能的产品,就可以避免安装两套接收系统的繁琐,减少了一个显示器,节约了汽车电能,节省了汽车空间,减少了开车时的视觉污染。
鉴于TPMS的市场现状和倒车雷达的技术稳定,人们对汽车安全的追求,无线倒车雷达与TPMS的二合一系统设计被提到了日程,显现出了更多的优点:安装方便、信号可靠、节约成本。
1 系统设计
1.1 系统构成
系统由一台安装在驾驶室仪表盘附近的接收显示器、四个安装在轮胎内的无线发射器、四个安装在汽车尾部的探头、一台安装在汽车后备箱的无线倒车雷达主机组成,其框图如下:
1.2 工作原理
当汽车行驶时,实现轮胎压力监测功能,轮胎内的发射器实时监测轮胎的压力、温度,通过射频信号送到驾驶室内的接收显示器,接收显示器处理压力、温度信息,并在压力温度出现异常时进行声、光、数字显示报警。
驾驶者在倒车时,将汽车的挡位推到R挡,启动倒车雷达系统,安装在汽车尾部保险杠上超声波探头发射超声波信号,当遇到障碍物时,产生回波信号,探头接收到回波信号后经倒车雷达主机进行数据处理,利用超声波测距原理,判断出障碍物的位置,然后由倒车雷达主机的发射电路将信号通过无线方式传输给接收器,接收器的显示屏显示距离并发出不同频率的警示信号,从而使驾驶者倒车时做到心中有“数”,使倒车变得更轻松。
2 系统硬件设计
2.1 接收器
接收器由高频信号接收电路、单片机、显示器、指示灯、蜂鸣器、实时时钟电路等构成。接收器的工作频率为433.92MH,用来接收射频数据。接收器工作电源为直流12V~24V,直接使用汽车的电源。
高频信号接收电路采用MC33594,单片机采用MC68HC908GT16,此款单片机与MC33594接收电路通过FSK方式进行通讯,利用SPI协议完成数据的传递,MC33594与MC68HC908GT8之间的数据传输速率是9600波特率。
实时时钟电路采用SD2000,该电路内部有电池,可维持时钟5-10年,时间出厂时校准,年误差小于2.5分钟,2K存储器可供故障信息存储,显示器采用点阵式液晶。
2.2 发射器
发射器主要由具有压力、温度、加速度、电压检测功能的传感器SP12、微处理器+RF发射芯片MC68HC908RF2、晶振、锂电池组成。
传感器SP12是针对TPMS应用设计的,具有压力、温度、加速度、电压检测的智能传感器。硅压阻式压力传感器采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路,具有较高的测量精度、较低的功耗。SP12还包含了加速度计,实现了对汽车运行状态的检测,传感器模块可按汽车的运动速度自动智能确定检测周期,节省电能。
单片机采用M C 6 8 H C 9 0 8 R F 2,MC68HC908RF2由两部分功能块组成,包括带有2KB Flash的HC08单片机和用于射频传输的控制芯片MC33493,集成度高,功耗低,性能可靠。MC68HC908RF2射频传输部分的工作频率为433.92MHz,该频率位于为工业、科学和医疗应用而保留的ISM频段内。
电池采用锂亚电池,该电池空载电压3.6V,负载电压3.4V,放电平稳,自放电极低,高低温特性较好,是针对TPMS应用生产的一款电池,目前在国内处于领先水平。
2.3 无线倒车雷达主机
电路采用专门的倒车雷达模块-T8224,它外围元件少,性能优异,工作非常稳定,与探头匹配极好。此模块集成了单片机部分、超声波电路部分和控制部分。4个探头探测到的各自距离数据以串行方式送出(单线输出,数据经过编码,数据包中加入最近距离方位指示)、由最近距离数据所控制的变频蜂鸣音驱动、由最近距离所控制的3色LED驱动。
其无线发射部分采用系统中发射器的工作原理,将模块T8224接收处理的数据通过无线方式发送到系统接收器。
2.4 倒车雷达探头:
超声波探头是实现声、电转换的装置,又称超声换能器或传感器。它能发射超声波和接收超声回波,并转换成相应的电信号。由超声波传感器、硅胶减震器、塑胶外壳三部分组成。
3 系统软件设计
3.1 发射器软件流程(如下图所示)
3.2 接收器软件流程(如下图所示)
4 系统功能
4.1 TPMS功能
1)超压报警:轮胎气压超过超压设定值时报警
2)欠压报警:轮胎气压低于欠压设定值时报警
3)超温报警:轮胎温度超过超温设定值时报警
4)快速报警:轮胎快速漏气时报警
5)查阅功能:阅读当前的轮胎压力、温度值、报警记录
6)存储功能:存储最近的200条报警记录
7)设置功能:设置压力、温度报警值及压力、温度单位
8)时钟功能:免调整的实时时钟
9)电池电量和压力显示:以图形方式显示发射器中电池电量和轮胎压力值
4.2 无线倒车雷达功能
1)大屏幕液晶数字显示车后最近障碍物的距离和方位
2)信号无线传输,避免拆装汽车内饰
3)嵌入式安装探头,多种颜色选择,犹如原装配置,美观牢固
4)五级渐变报警声音提示
5)渐进线条显示车后障碍物距离,直观、清晰
6)红、绿双色灯提示
7)双角度探头探测,减小倒车时的盲区
5 结束语
无线倒车雷达与TPMS二合一的系统设计,为其它汽车电子应用提供了较好的集成方案。给多功能、单显示的汽车电子产品提供了更进一步的启发,包括:GPS功能、汽车后视镜功能、汽车VCD功能、汽车行驶记录仪功能等。无线倒车雷达与TPMS二合一的系统设计已经开始转变为产品进行生产销售,此款产品的生产应用,使汽车电子在汽车安全方面得到了更广泛的应用。产品在销售应用过程中,得到了终端用户的好评。
参考文献
[1]王宜怀.单片机原理及其嵌入式应用教程[M].北京希望电子出版社.
[2]刘慧根,程建平,龚光华,王云飞,许庆丰.Motorola微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用[M].清华大学出版社.
[3]英飞凌.传感器SP12参数说明书.
TPMS设计方案的思考 篇2
据报道,2008年清明节当天,广东省高速公路发生重大交通事故,一辆面包车满载11人,准备回乡扫墓,在高速公路行驶时,右后轮发生爆胎,导致车辆失控,翻转,造成4死7伤的严重后果。
汽车的高速行驶中,轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防的,也是突发性交通事故发生的主要原因。据统计,在国内的高速公路上,由爆胎引发的交通事故占事故总数的70%;在美国,这一比例更是高达80%。爆胎造成的经济损失巨大,同时,车辆缺气(轮胎气压不足和渗漏)行驶时,轮胎与地面的磨擦成倍增加,除了轮胎与地面磨擦生热外,胎体内的钢丝与轮胎之间也会磨擦生热,胎温急剧升高,过热状态会加速钢丝与橡胶的氧化、变形,甚至内部断裂以至断层,致使轮胎强度遭到破坏,强度急剧下降,油耗迅速加大。所以在汽车行驶期间,对轮胎的压力变化进行实时监测,应该成为汽车安全系统必备的功能。
研究表明,确保标准的车胎气压和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。于是汽车轮胎气压监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)应运而生。TPMS有直接式和间接式两种。
经过这几年的研究与反复试验,TPMS已经成功应用于奇瑞汽车,不仅加强了奇瑞汽车的安全性能,更显示了国产汽车的设计与研发能力。
1 基本原理与技术发展
1.1 基本原理
TPMS系统主要有两部分组成:安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测(Remote Tire Pressure Monitoring,RTPM)模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器(LCD显示器)。RTPM模块直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度,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个或5个(包括备用胎)RTPM模块。中央监视器接收RTPM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,发出不同的报警信号,提醒驾驶者采取必要的措施;同时驾驶员可以根据实际情况设定温度和压力报警上下限。
1.2 技术发展
目前TPMS主要有两种实现方式:直接TPMS和间接TPMS。
间接TPMS是与车辆的防抱死系统(ABS)一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个轮胎的气压减小时,滚动半径就减小,而车轮的旋转速度就相应地加快。指示灯会提示司机,有一个轮胎处于低压状态。但是,间接TPMS有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二,当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时,它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三,如果所有四个轮胎都处于低压状态,该系统不会发现这一故障。另外,气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说,69kPa(~10psi)的压降只会使轮胎直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则(Final Ruling)所规定的25%原则,采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。
直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后,这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析,分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同,它可以显示每个轮胎的实际气压,甚至还包括备用轮胎的气压。因此,直接TPMS可以连接至显示器,告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接TPMS可直接测量每个轮胎的气压,因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时,它们都会被检测出来,当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到7 kPa(~1.0psi)的压降。
2 设计的思考
2.1 TPMS传感器介质兼容性
TPMS传感器是一个集成了半导体压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理器的SOC模块。为了强化胎压检测功能,有不少TPMS传感器模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗,和带12bit ADC、4kB FLASH、2kB ROM、128B RAM、128B EEPROM及其它功能的ASIC数字信号处理单元。这些功能单元使得TPMS传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化,而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、省电等功能。电源管理器确保了系统的低功耗。
TPMS的压力传感器都是基于MEMS技术来设计、生产的,主要有硅集成电容式压力传感器和硅压阻式压力传感器。硅压阻式压力传感器也是一个SOC模块,一般采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力/电变换测量电路,其内部典型架构包括整合了采硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含ADC、取样/保持、SPI口、校准、数据管理以及ID码的数字信号处理单元,模块可以利用客户专用软件进行配置,其测量精度能达0.01~0.03%FS。此外,为了便于TPMS接收器的识别,每个压力传感器都具有6~8位独特的ID码。
传感器的介质兼容性和可靠性对TPMS至关重要。如果没有这些关键特性,整个系统的精确性和可靠性将成问题。轮胎模块是置于轮胎内部的,因此电子组件面对的是轮胎内部的恶劣环境。电子组件将工作在-40°C到125°C的温度范围内,并将面对潮湿、灰尘和刹车油等其他介质的侵袭。介质兼容性确保传感器能得到全面保护。TPMS的传感器特别容易被腐蚀,因为它的压力进口必须与空气接触才能监测周围的压力。
英飞凌的传感器包括压力传感组件和加速传感组件(可选)。传感组件是一个三层堆叠模块(玻璃-硅-玻璃)。绝对压力参考值是由顶层玻璃里的真空腔得出的。因为压力进口朝向硅层的背面,所以传感组件有很好的介质兼容性。利用这种获得专利的三层堆叠技术,英飞凌传感器(如SP30)获得了非常好的介质兼容性。
2.2 轮胎的压力与温度
汽车轮胎的压力与温度是密切相关的,当轮胎气压低于标准值时,变形增大,受力发生变化,若胎压长期低于正常气压的80%,在高速行驶时,轮胎会因急剧升温而脱层,甚至导致爆胎。当轮胎气压高于标准值时,因轮胎与地面接触的面积减少,单位压力增高,使轮胎胎面的中部磨损增加。通过室内试验证明,一般认为气压提高25%,轮胎寿命将会降低15%~20%;气压降低25%,寿命大约降低30%。一般轿车的轮胎正常气压值在210kPa左右,多座位商务车在240kPa左右为宜。此外,汽车轮胎温度越高,轮胎的强度越低,变形越大(一般不能超过80℃,当温度达到95℃时,轮胎的情况非常危险),每升高1℃,轮胎磨损就增加2%,行驶速度每增加一倍,轮胎行驶里程将降低50%。因此,最好不要超温、超速行使。
2.3 低功耗
设计要求直接TPMS的电池能维持使用十年以上。电池的运行温度必须为-40℃到125℃,电池要重量轻、体积小并且电量要大。由于这些限制,电池往往选择的是钮扣式电池而不是大号电池。除电池外,要达到十年以上的操作寿命,组件必须在低功耗的同时具有集成功能。
当模块上市后,更换电池是不现实的。由于这一限制,功耗管理对设计工程师来说就显得尤为重要了。减少功耗有4种方法,其中之一就是上述的,选择低功耗组件并使用具有集成功能的组件来减少组件数量。
第二种方法就是利用软件。高效算法可调节发射和测量频率。在软件设计的时候,高效算法可能要考虑这些问题:数据发射和测量的频率是多少?发送重复数据是否必要?系统显示模式是什么?RF发射的功耗最大,延长发射间隔、减少计算次数和重复数据发送自然会延长电池的寿命。但是,我们必须在所有这些因素以及数据可靠性和用户及时获取信息之间实现平衡。
第三种降低功耗的方法是利用拥有内置加速计(如SP30)的传感器来侦测车轮的运转。当车辆处于停车状态时,TPMS可以停止运行以节省电量。多数情况下,车辆处于停车状态时间比真正行驶时间要长得多。因此这种方法可以大幅度节省电量。
此外运用低频(LF)接口也是一种降低功耗的方法。通过低频接口,中央接收器模块可以给始终处于待机模式的轮胎模块发送指令和数据。只有接收到"唤醒"信号后,轮胎模块才会进行测量和发送数据。这样,轮胎模块的电池寿命可以大大延长。除了省电外,低频接口还带来了灵活设计和额外功能。例如,轮胎更换后,低频通信可以让系统进行自动轮胎识别。SP30带有低频输入接口,可解决这个设计难题。
2.4 发射器及动平衡性
第一代TPMS的发射器芯片设计运用的是ASK调制技术,通过SAW共振器产生合适的发射频率。这样的ASK系统非常便宜,但是载有发射器的车轮转动会导致接收场强发生变化。为此,目前的TPMS在晶体振荡器和PLL合成器的基础上运用FSK调制方式来产生中心频率和频率牵引。在许多OEM应用中,FSK即使在轮子高速运转时都能提供可靠的RF通信。
由于现在的汽车大多已取消了内胎,因此给TPMS发射模块的安装带来了极大的方便,目前TPMS发射模块在汽车轮胎内的安装有两种方式:利用气门嘴安装或者利用紧箍扣安装在轮毂上。无论采用哪种方式,安装完TPMS发射模块后车轮的平衡性将被打破,给车辆行驶的稳定性、安全性、NVH性能都带来新的问题,因此必须对轮胎重新做动平衡检验,解决问题,使之重新达到平衡要求。
参考文献
[1]余志生.汽车理论(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2000,10.
[2]颜重光.TPMS设计方案的思考[J].电子设计应用,2004,(12)
[3]吴义保,周海清.TPMS产品结构设计研究[J].机械研究与应用,2007,(01)
TPMS系统设计 篇3
1 轮胎气压与行车安全、节能和轮胎寿命的关系
轮胎作为汽车行驶的4只脚,是汽车与地面直接接触的唯一部件,轮胎又是一个压力容器,因为轮胎磨损、气密性不好等原因,气压就会慢慢降低。如果不及时充气,轮胎内部的结构材料就会破损。充气过高,也会加快轮胎磨损。复杂的路面状况、连续行驶以及不当的胎压都易造成轮胎的严重磨损、爆胎、油耗和CO2排放的骤然上升。
1.1 轮胎气压与行车安全的关系
轮胎气压是影响汽车行驶性能和安全性能的重要指标。轮胎气压太高,会使轮胎变形量过大,与地面的接触面积减小,正常磨损只能由胎面中央部分承担,会加快轮胎胎冠部位磨损和爆裂,同时因与地面摩擦力减小,还会影响制动性能和乘坐舒适性。轮胎气压过低,与地面的摩擦力成倍增加,胎侧不断受到挤压和拉伸,会加速轮胎胎侧的磨损,易造成疲劳失效,发生爆胎。在汽车的高速行驶过程中,轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的。由于汽车轮胎造成的交通事故层出不穷,根据统计,高速公路46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的,其中爆胎一项就占事故总量的70%。爆胎的原因是多方面的,其中胎压异常是一重要诱因。从保持合适胎压入手,预防爆胎发生,是保证行车安全的必要措施。
1.2 轮胎气压与车辆油耗的关系
轮胎气压不足,增大滚动阻力,致使油耗和CO2排放增加。有关测试结果显示,四轮胎压相对额定胎压下降25%,则滚动阻力上升19%,相应地整车油耗上升5%。欧盟的统计数据显示,如果保证胎压正常,仅欧盟每年可节省燃油费用35亿欧元。我国有关专家估算,按乘用车保有量年均增长8%,到2015年,我国汽油消耗量将达到1.14亿吨。届时,如果仅保持乘用车胎压正常,我国每年就可节约汽油消耗101万吨,节约燃油费用76亿元。在全球都在为节能和减少CO2排放努力开展工作的当下,中国政府已向国际社会作出承诺。巨大汽车保有量的客观现状,在车辆运行过程中能否维持合适的胎压,直接关系到消费者使用成本和国家节能减排目标的实现。
1.3 轮胎气压与轮胎寿命的关系
轮胎气压不足,轮胎与地面的接触面加大,增大轮胎的磨损,直接影响轮胎寿命。统计表明,缺气行驶时,车轮胎压相对额定胎压下降25%,轮胎寿命缩短18%。适当提高轮胎的充气量,可以减少轮胎的滚动阻力,节约燃油。但充气量过大时,也会造成中央部分早期磨损,降低寿命。轮胎的使用寿命直接影响消费者使用成本和运输经济效益。
2 TPMS产品特点
TPMS在汽车静态和动态均能监测所有轮胎的气压,对轮胎气压过低、气压过高、漏气状态进行及时报警。系统由一组轮胎模块(位于轮胎内,每个轮胎中一个)和一个接收器构成。电池、MCU、传感器和发射模块是TPMS轮胎模块中最核心的部件。这些部件实际工作环境非常恶劣,不仅要耐高低温(-40℃~125℃),而且还要耐受振动、离心作用和高气压等极端环境。轮胎模块完成数据采集、分析、处理,通过无线电通信方式发射给接收器,而接收器主要完成相关数据的接收、运算和处理功能,判别轮胎的当前状态,在必要的时候给出告警指示。接收器还提供一个液晶屏用于数据和信号显示、配置足够的外置按钮作为输入,来提供灵活的系统控制。
任何无线电通信方式都会存在误码和错码,发射模块位于轮胎内,由于目前的轮胎通常是钢丝做的子午线胎,且轮辋为钢或铝材料,装在轮胎内的发射模块相当于夹在两层金属面之间,信号从轮胎内发射出来就产生很大的衰减。其次接收器放入驾驶室内,汽车本身的金属壳体对信号产生很大的屏蔽作用,再次出现信号的巨大衰减。为了兼顾电池寿命和电磁环境,又不能任意增大发射功率。因此,在TPMS系统中,涉及恶劣环境下工作的传感器、无线通信、电池寿命、数据接收及显示等关键技术,特别是RF射频通信技术是系统可靠性的关键。需要采用军工级电子产品标准进行设计。TPMS虽然是汽车电子系统中一个很小的子系统,但产品非常复杂,涉及的专业非常多。因此,TPMS属于技术含量很高,直接关系到汽车安全、节能、减少CO2排放等社会公共利益的重要汽车电子系统。
需要强调的是,这个系统完成的是报警、提醒,但胎压状况需要驾驶员来维护,就如同安全带,需要驾乘人员按要求去操作才能起到安全作用,安全气囊更是需要安全带的配合才有保护作用,如果驾乘人员不按要求佩戴安全带,安全气囊还可能对人构成伤害。因此,TPMS和安全带、气囊一样,需要人的配合才能发挥理想的作用。要有客观的评价,既不能夸大其作用,也不能任意贬低。相对于安全气囊和安全带这些被动安全设备,TPMS是防止爆胎发生的重要安全预警系统。
3 对我国现有TPMS推荐性国家标准的解读
中国于2010年推出了GB/T 26149—2010《基于胎压监测模块的汽车轮胎气压监测系统》推荐性国家标准,对TPMS提出了整车功能和产品可靠性等要求,涉及系统和部件。该标准对于引导行业技术发展方向、促进技术进步具有非常积极的意义。
3.1 标准制定的背景
早在2006年,国际上有关TPMS法规(如FMV SS138)和标准(如ISO 21750、SAE 2657)都在陆续推出。我国汽车保有量的快速增长给我国的道路交通安全和能源安全已经形成了压力,在高速公路交通事故中爆胎的比例越来越高,能源消耗越来越大。TPMS能实时监测所有轮胎的气压,对轮胎气压过低、气压过高、漏气状态进行及时报警,且美国规定了强制安装的时间节点,欧盟法规也处在酝酿过程中。在美联邦立法的推动下,以及潜在的巨大市场商机激起了国内外有关汽车电子企业的研发热情,同时还有更多新企业纷纷加盟,从第一代到第二代、第三代……不断推出体积更小、重量更轻、性能更可靠、寿命更长的新一代产品。逐步攻克低功耗、在恶劣环境下高速运行无线信号传输的可靠性、较小的压力误差等关键技术问题。于是全国汽车标准化技术委员会为顺应行业发展需求,开始组织TPMS技术研讨和标准制定工作。由中国汽车技术研究中心牵头组织,TPMS供应商、芯片商和主机厂等共同参与,历经3年多的时间推出了GB/T 26149-2010。
该标准参考了FMV SS138、ISO 21750、SAE2657等国际法规和标准,但更主要的是依托国内的自主研发和技术创新而形成。该标准站在消费者角度、从安全节能角度反映了产品所应具有的功能。在性能要求上高于欧美法规的要求,完全在支持行业自主研发基础上形成。该标准的制定既考虑了社会综合效益,又照顾到了消费者车辆使用过程中的利益,充分体现了我国TPMS行业的竞争力。
3.2 规定的系统功能及必要性
GB/T 26149-2010规定系统的功能主要有:开机自检功能、欠压报警功能、过压报警功能、系统故障报警功能、当前轮胎压力显示功能。这些功能对于驾驶员及时了解当前胎压、了解TPMS系统是否正常是非常必要的。
开机自检功能:10s内完成自检,自检同时进行当时的胎压显示。如有系统故障或有欠压应在10 s内报警,并指明欠压轮胎的位置,直到异常状态解除。
这一条要求非常的重要,对任何一个电控系统,车辆启动过程都要快速完成自检,排除系统的故障,属于电子系统的基本要求。对于TPMS系统来说,在自检同时还要进行当前的胎压显示或异常报警。有关研究资料显示:子午线轮胎缺气25%时难以靠人为观察判断。车辆长时停放,缺气或严重缺气情况非常普遍。因此,车辆开出前驾驶员有必要知道TPMS系统是否正常,有必要知道轮胎胎压是否正常,以便做出及时处理,避免轮胎严重缺气上路直接带来巨大的磨损。从心理学角度讲,驾驶员在打开车门第一时间了解胎压情况、了解系统本身是正常的,非常有助于安心驾驶。完全是站在使用者角度的功能要求,对驾驶员来说非常的重要。
欠压和过压报警功能:轮胎气压低于(高于)制造厂规定冷态轮胎气压值的75%(125%),应在10 s内报警,并指明欠压(过压)轮胎的位置,直到异常状态解除。
这一条也是属于TPMS系统的基本功能要求。相对于欧美法规,我国标准提高了系统的响应速度,为实时提供报警创造了条件,也为驾驶员处理轮胎故障留出了充裕的时间。
系统故障报警功能:也是属于电子系统的基本要求,具有自我诊断功能,系统有异常,应及时报警给驾驶员。
当前轮胎压力显示功能(查询功能):在起步前TPMS系统已经显示了胎压,在行驶过程中只要胎压处于正常范围,没有必要始终显示。查询功能主要是用于驾驶员在驾驶过程中随时了解各轮胎胎压情况,确定是否需要补气,对于长时间运行的车辆是非常必要的。
以上各项功能是以驾驶员能得到最清晰、最准确,必须得到的最基本信息为原则而提出的,是站在消费者角度,从安全、节能减排和保护轮胎寿命角度反映产品所应具有的功能。我国标准与国外技术法规比较,功能要求高且合理可行。尤其是开机自检功能,其重要性不亚于胎压过低和胎压过高报警功能,驾驶员可以非常直接地感受到系统的方便和经济,还可大大增加驾驶的心理安全感,完全符合中国国情。
据了解,在一些非道路车辆的工程车辆上也安装TPMS,既不为安全,也不为节能,纯粹是为保护轮胎寿命。由此示例可见,安装TPMS对于提高轮胎寿命有重要作用。
该标准是汽车行业为数不多的技术参数高于国外法规的标准,车主能立竿见影地体会到符合我国标准的产品所带来的种种方便和好处。在引导和规范我国TPMS产品应用和技术发展方面发挥了积极作用。
4 制定中国TPMS强制性标准的必要性和迫切性
4.1 国外法规情况
在汽车工业发达国家和地区,随着汽车保有量的快速增加给道路交通安全和能源安全造成了巨大压力。国际上针对轮胎气压监测系统(TPMS)推出了多项法规,如美国政府早已推出了FMV SS138法规,从2007年起要求所有乘用车必须安装轮胎气压监测系统,以求减少轮胎事故的发生。欧盟出于安全和节能考虑,也推出了ECE R64法规,规定从2012年11月起,所有欧盟认证的乘用车都必须安装TPMS。韩国法规要求3.5吨以下的乘用车,2013年1月1日起新车型强制安装TPMS,到2014年6月30日起所有车型强制安装。据可靠消息,俄罗斯也将于近期推出法规要求某些车型开始强制安装。就连我国的台湾地区都推出了TPMS法规,规定2013年11月1日起M1类和N1类新车型强制安装TPMS。可以说除中国大陆外的世界汽车大国都纷纷开始强制安装TPMS。
欧美等汽车发达国家通过汽车技术法规促进了TPMS的广泛应用。从一些跨国公司反馈过来的数据看,该系统的推广应用在一些汽车大国已经或正在或即将产生巨大的社会效益和经济效益。
4.2 国内产品研发和应用情况
2010年推出的GB/T 26149-2010已经反映了当时中国产品的技术能力和水平,最突出的是上海大众某高端车型标配了符合标准的、独立研发的自主品牌TPMS系统,成功地通过了德国大众严苛的整车认证,获得德国大众的好评,同时产品在市场上实现了零投诉。这在汽车电子核心技术和产品普遍被跨国公司垄断和控制的环境下,我国TPMS产品的发展是我国汽车电子产品技术创新的成功典范。到现在3年过去了,经过对GB/T 26149-2010实施几年的自主研发和创新,我国TPMS产业整体上得到了快速发展,在GB/T 26149-2010的引导下,大部分企业都取得了巨大的技术进步,具有足够的技术储备(很多供应商纷纷表示满足推标技术上没有问题)。我国自行研发的TPMS产品已经实现了“稳定接发、即时反应、降低功耗、延长寿命”的可靠性能,技术水平国际领先,已经进入了拥有自主知识产权的自主研发阶段,在成本上也具有极强的竞争能力,越来越多的车型、特别是中高端车型已经开始进行标配,或计划安装TPMS。很多主机厂都进行了技术储备或预留符合标准的接口。
由于TPMS产品的复杂性,系统开发需要很大的资金和技术投入,一批批技术能力不够强、资金支持不足的企业纷纷倒下,目前能够存活下来的主流企业靠他们的研发投入以及不懈的坚持,才有了我们的国家标准高于国外法规的现实,改变了汽车电气电子重要标准基本靠引进的历史。这些企业无论对汽车标准化,还是对自主研发企业的带动都有重要贡献。但由于我国尚没有像汽车发达国家和地区那样建立就轮胎气压监测系统的强制性标准(技术法规),市场上产品非常混乱,而且以后装市场为主。
4.3 制约国内供应商配套的因素分析
尽管GB/T 26149—2010对产业起到了巨大引导和推动作用,但由于国家推出的只是一个推荐性标准,企业自愿采用,对产品的质量和安装使用缺少约束力,致使目前产品的使用情况总体比较混乱,某些车厂为增加卖点都宣称装有TPMS,但实际上出于成本考虑根本不符合标准,市场上鱼龙混杂,消费者很难辨认。产品的特点决定了消费者很难自行验证产品的性能,供应商和主机厂难以实现平台开发,大大增加了产品开发成本,还直接影响了整车出口。
此外,我国乘用车大多为合资或独资企业,在核心技术方面(比如总线通信协议和软件)基本被外方控制,中方缺少话语权,外商通过封锁总线协议完全将本土有能力配套的企业拒之门外,很多供应商深受其苦,在ABS系统和TPMS系统供应商都有此遭遇。
还有一个很重要的原因,因中国法规迟迟没有官方信息,主机厂把握不准开发平台,不知道往哪边的要求靠,担心一旦确定之后又不能满足后期发布的强标,会带来很多的麻烦和经济损失。因此,很多主机厂处在观望和等待官方信息的状态中。
4.4 国内企业和人大代表呼吁
最近一段时间以来,很多企业纷纷到中汽中心标准所走访,介绍自己的研发能力,要求汽标委抓紧制定TPMS强制性国家标准,使企业产品开发尽早明确方向,提高自主研发产品的市场占有率,实现平台开发,降低产品研发成本。全国人大代表也有多次提案要求主管部门积极推动TPMS强制性国家标准制定工作。
中国已成为全球最大的汽车生产国和销售国,在交通安全和节能减排的巨大压力下,在全球为减少CO2努力开展工作的当下,在中国政府已向国际社会做出承诺的情况下,一切降低汽车油耗、减少CO2排放的措施都应得到支持。因此,TPMS作为一个既提高汽车安全性,又具有节能减排功能的电子系统,在中国推广应用有着迫切的需要和特殊的意义。综合国内外的实际现状,在中国开展TPMS强制性国家标准制定工作的时机已经成熟。中国急需制定TPMS强制性国家标准促进国内汽车电子产业的良性发展,把真正符合标准的TPMS引入中国市场,实现社会效益和经济效益的双丰收。
5 制定中国TPMS强制性标准的原则
5.1 基于自主技术和维护本土企业利益原则
任何一个国家做本国的标准和法规都会依据本国企业的技术能力,从本土企业利益出发。做中国TPMS强制性标准也应完全基于中国主流企业的产品研发现状和技术水平来定,从保护和支持行业自主创新、引领技术进步和打破跨国公司垄断的角度来定。
5.2 功能需求原则
标准涉及的产品功能和参数应完全从产品的功能需求出发,也就是安全、节能减排、保护轮胎寿命以及驾驶员心理和方便需求。
5.3 相关标准之间保持协调原则
相关标准之间的协调是制定标准的基本要求,避免行业的无所适从。GB/T 26149-2010已经体现了产业的良好基础,其中的功能和合理技术参数应得到继承。同时考虑补充快速漏气功能和系统误差要求。考虑到气压与载荷的关系,避免产品的功能缺陷。
5.4 不限定技术方案原则
只规定功能和性能要求,不规定以什么技术方案来实现要求。
5.5 与国际接轨原则
欧美韩和台湾法规都对TPMS安装应用有非常具体的时间节点,我国整车安装时间节点应在标准中体现。否则,标准的作用将大打折扣,也会让一些企业钻空子。
以上原则都是标准化工作的基本要求,符合国际惯例,也体现了对2013年2月21日全国标准化工作会议精神和要求的贯彻。
6 应用成本分析
任何一项新技术、新产品的推广应用都有成本问题。TPMS的推广应用,从短期看会增加一些应用成本,但对于具有巨大社会效益和经济效益的高技术含量产品,成本不应该成为在行业推广应用的主要考虑因素,况且随着批量的提高,成本会逐步降低。最重要的是,因我们的标准具有降低汽车油耗、保护轮胎寿命的功能,会大大降低车主的使用成本,也就是说前期整车成本的少量增加,会带来车主在使用过程中的更多利益,还为车主增加了一层安全保障,还会起到减少CO2排放的重要作用,从社会成本来说具有事半功倍的效果。
7 结语
由于汽车市场的国际化,跨国公司的标准化意识非常强,围绕技术标准和法规的国际竞争越来越激烈。因此,中国TPMS强制性标准制定需要对标准化的职能和作用有更高层次的认识,利用标准化应有的职能支持行业技术创新、维护产业利益和社会公共利益。必须坚持制定标准的必要和合理原则,最终形成可解释、有依据、经得起推敲和质疑的标准。
TPMS是在我国汽车电子普遍被外商垄断下技术突破的典范,目前处在难得的发展机遇。产业的健康发展需要标准化的强有力支持。在欧美韩等汽车发达国家和地区TPMS法规已经全面出台的当下,我国要加快TPMS强制性标准的制定,填补法规缺失的空白。制定一技术指标先进、性能要求合理、试验方法严密的TPMS强制性国家标准,将对规范和引导TPMS产业的健康发展起到促进作用,消费者会享受到高性能和高品质的产品,还可杜绝过时的技术和低水平的产品充斥市场。
参考资料
参考文献
[1]GB/T26149—2010《基于胎压监测模块的汽车轮胎气压监测系统》.
TPMS系统设计 篇4
随着胎压监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)技术飞速发展和汽车电子安全产品市场的日益成熟化,许多整车厂纷纷尝试在汽车出厂前装配胎压监测系统,例如法国ATEQ公司的C520VT生产装配线[2]。但目前国内整车厂还没有完整的具备胎压监测系统轮胎定位匹配过程的生产/检验线,使得国内整车出厂前装胎压监测系统不能实现高效化和产业化。针对这项技术在国内的空白,许多整车厂和设计部门提出不少方法和建议[3,4],但由于效率不高、造价昂贵、建设周期长、与原先的生产/检验线不能共存等种种问题一直没有得到彻底的解决。
本文介绍一种便携式胎压监测系统轮胎定位匹配仪的设计,此方案发挥便携式仪器的特点,使胎压监测系统轮胎定位匹配仪(以下简称轮胎定位匹配仪)与轮胎内的胎压监测系统无线传感器节点(以下简称无线传感器节点)近距离地进行无线数据交互,再使用CAN现场总线技术实现对车身模块或生产/检测线主控机等的数据上传,完成匹配。该技术在可靠性、灵活性、经济性等方面有着明显的优势,能提高整车厂加装胎压监测系统的经济效益,也满足了我国汽车行业现有生产/检测线的改装和升级。
1 胎压监测系统原理和总体结构
整个胎压监测系统采用3层分布式的结构,包括上位管理层、监控层和现场数据采集层,具体的系统结构框图如图1所示。
在现场数据采集层,无线传感器节点群(胎压监测系统无线传感器节点1、2…n)依次收到低频唤醒命令后,现场采集胎压、温度、加速度、电量、节点ID等参数和变量,进行运算和编码处理,通过FSK射频传送方式将这些现场数据依次发送出来;在监控层,轮胎定位匹配仪接收到无线传感器节点发送来的数据后,进行分析、处理和存储,然后通过CAN现场总线将数据上传到上位管理层,或者与BCM(Body Control Module)车身模块1、2…m直接进行数据交互,完成匹配(匹配过程也就是获取轮胎内无线传感器节点ID的过程);在上位管理层,通过汽车厂整车综合性能检测线主控机或修理中心、4S店安全性能检测线主控机或者客户便携式汽车故障诊断仪,接收CAN现场总线传来的无线传感器节点群的参数进行显示、存储、分析、打印等。
无线传感器节点完成匹配后,汽车交给驾驶员使用,车身模块内的内置接收机直接接收本台车的无线传感器节点采样的胎压、温度等现场信息,再通过车身模块中的ICM(Instrument Control Module)仪表模块直观地显示出来。
2 无线传感器节点和轮胎定位匹配仪硬件设计
2.1 无线传感器节点硬件设计
无线传感器节点主要用来实时监测轮胎内部气压和温度的状况,再通过无线调制方式将数据发送出来。考虑到胎压和温度监测的精确性,无线传感器节点的传感器芯片选用美国Freescale半导体公司生产的MPXY8300芯片,它是一款胎压监测系统专用的S08内核的嵌入式微处理器,片上集成了10位ADC接口的压力、温度、z轴和x轴加速度、电压测量等传感器,内置具有可选的ASK和FSK调制能力的315/434 MHz RF发射机、采用差动输入方式125 k Hz的LF的检波/解码接收机、COP看门狗(Computer Operating Properly Watchdog)、低功耗唤醒定时器、BDC(Background Debug Controller)后台调试控制器等多种硬件资源,无线传感器节点硬件电路原理框图如图2所示。由于MPXY8300微处理器芯片外设功能全面,使得硬件电路设计非常简单,从而提高了无线传感器节点的稳定性。
2.2 轮胎定位匹配仪硬件设计
轮胎定位匹配仪既要实现与无线传感器节点进行信息交互,又要通过CAN现场总线和车身模块或者生产/检测线主控机等完成数据上传。为此,轮胎定位匹配仪的主控芯片选用美国Freescale半导体公司生产的新一代Power Architecture系列的汽车级32位嵌入式微控制器MPC5606S。该控制器使用高性能e200z0h的内核处理器,运算能力强,内置SRAM、Flash存储空间、软件看门狗定时器、2路Flex CAN控制器、2路模组输入输出设备e MIOS(enhanced Modular Input Output System)、芯片自带串行启动功能的DMA支持的串行外围设备接口DSPI(Deserial Serial Peripheral Interface)、系统综合单元SIU(System Integration Unit)、图像控制单元DCU(Display Control Unit)、声音发生器等等,MPC5606S微控制器不仅具有高速运算、实时输入和输出的能力,同时Flex CAN等集成模块专门为汽车电子量身定制,使得轮胎定位匹配仪外接芯片少、硬件布线少、功耗低,适用于便携式仪器的设计。轮胎定位匹配仪的硬件电路原理框图如图3所示。
MPC5606S片上集成了48 KB的SRAM和1 MB的Flash存储空间,帮助处理器实现高速数据采集、运算和处理,这样的芯片结构使得MPC5606S无须外扩存储芯片,就能完全满足轮胎定位匹配仪的设计要求。
MPC5606S内置模组输入输出设备e MIOS,设定PWM方式,向无线传感器节点发出125 k Hz的低频唤醒指令,其方法简单有效,功能实现难度低,可靠性强。
轮胎定位匹配仪要接收无线传感器节点发送的信号,需要连接外围的射频接收芯片。本设计使用美国Freescale生产的MC33696射频芯片,该芯片频段为304 MHz~915 MHz ISM频段,频率范围宽;软件可选择OOK和FSK两种解调方式;内置数字和模拟接收信号强度指示器,接收灵敏度高达108 d Bm;带可编程单词识别功能的嵌入式数据处理器;380 k Hz的IF过滤器带宽,功能非常强大。MPC5606S使用内置的DSPI模块和GPIO口(通用输入输出口)连接MC33696芯片,直接读取无线传感器节点发送的轮胎压力、温度、加速度、电压、节点ID等信号。
MPC5606S芯片的内置Flex CAN控制器的输出信号,不能直接与CAN现场总线物理连接,信号线必须连接CAN接口芯片。本设计中使用了Philips生产的TJA1050,该芯片完全遵循ISO11898规范,通信速率最高可达1 Mb/s,输入级与3.3 V电平兼容,功耗低;芯片电磁辐射低,在暂态时自动对总线引脚进行保护,其差分接收器能抗宽范围的共模干扰和抗电磁干扰,没有上电的节点对总线无影响,具有很强的保护总线能力。
轮胎定位匹配仪有人性化的人机界面接口。本设计使用MPC5606S片内的160 KB专用的Video SRAM和DCU图像控制单元直接驱动TFT液晶屏(Wide Quarter VGA-WQVGA,400像素×240像素),使用菜单式界面,显示现场无线传感器节点的状态,并通过芯片内部的SIU系统综合单元实现键盘操作,完成用户对各个无线传感器节点功能参数和轮胎定位匹配仪的设定(包括轮胎位置、低频唤醒命令格式、终端地址、通信速率、操作优先级等),这些参数直接保存在MPC5606S的片上SRAM里。
为保证轮胎定位匹配仪的可靠运行,MPC5606S使用芯片内部的软件看门狗定时器SWT(Software Watchdog Timer),如果处理器发生故障,软件看门狗定时器将溢出,同时产生一个中断和硬件复位信号重新启动处理器。
3 软件控制策略及通信协议
3.1 无线传感器节点软件控制策略及通信协议
无线传感器节点在实时监测胎压的同时,始终在侦听低频唤醒命令。一旦无线传感器节点探测到轮胎定位匹配仪发出的唤醒命令,立即进入中断,在中断响应中判断唤醒命令的格式和要执行的命令,完成采样胎压、温度、加速度等信息,并对无线传感器节点芯片ID和现场采样的数据信息进行曼彻斯特格式编码,然后以FSK的无线调制方式连续发送8个数据响应帧到轮胎定位匹配仪,每个数据响应帧间隔200 ms,具体的无线传感器节点唤醒中断软件流程图如图4所示。无线传感器节点无线通信数据帧格式如表1所示。
3.2 轮胎定位匹配仪软件控制策略及通信协议
轮胎定位匹配仪软件控制策略是:系统操作界面进行初始化,操作人员使用按键在菜单界面上选定左前轮胎的位置和命令,然后启动发送LF唤醒命令,低频唤醒通信数据帧格式如表2所示,同时轮胎定位匹配仪开始接收无线传感器节点响应的数据帧,收到数据帧后,停止发送LF唤醒命令,并在界面上显示胎压、温度、加速度和节点ID等信息;依次对右前、左后、右后轮胎进行唤醒操作,最后完成存储该车的无线传感器节点ID信息,具体的轮胎定位匹配仪匹配过程软件流程图如图5所示。
轮胎定位匹配仪与车身模块或生产/检测线等之间的CAN现场总线采用了基于CAN2.0及ISO11898的通信协议,轮胎定位匹配仪CAN报文帧数据场格式如表3所示。轮胎定位匹配仪接入车身模块和生产/检测线等后,上电初始化Flex CAN模块,设置模块配置寄存器MCR和控制寄存器CTRL,然后清空模块报文缓冲区,设置好Rx掩码字节和相应寄存器的中断屏蔽位后,将MCR.HALT置1,Flex CAN模块准备发送字节,进行命令交互,将匹配过程中获取的无线传感器节点的信息上传到车身模块或生产/检测线,使车身模块或生产/检测线能够自动识别无线传感器节点发送的信息,具体的轮胎定位匹配仪CAN通信协议流程图如图6所示。
4 测试与结论
在TPMS台架试验设备上,对轮胎定位匹配仪进行了台架测试,主要进行了轮胎定位匹配测试和CAN现场总线通信测试。
4.1 轮胎定位匹配测试
使用轮胎定位匹配仪样机,对不同轮胎位置的无线传感器节点进行持续的信息交互,记录连续300周期的测量数据,并将多组数据进行统计分析,结果如表4所示。
由表4统计结果可见,无线传感器节点响应轮胎定位匹配仪样机唤醒命令的实际响应时间接近理想响应时间,响应数据帧误码率低,匹配过程中数据帧有效率大于97.33%,说明使用便携式轮胎定位匹配仪和轮胎内的无线传感器节点进行数据交互是可行的。
4.2 CAN现场总线通信测试
将CANalyst-Ⅱ接口卡连接轮胎定位匹配仪样机,轮胎定位匹配仪读取SRAM内存储的无线传感器节点ID信息,然后遵照CAN2.0的协议完成编码,并进行连续5 min的在线数据通信,表5是轮胎定位匹配仪样机向CAN-BUS上传数据的统计结果。
由表5可见,轮胎定位匹配仪样机存储数据功能有效,CAN-BUS通信无远程帧和错误帧,说明使用便携式轮胎定位匹配仪将无线传感器节点ID等信息上传到车身模块或生产/检测线等是可行的。
测试结果表明,基于Power Architecture处理器的便携式胎压监测系统轮胎定位匹配仪设计可行,轮胎定位匹配仪能够准确地唤醒和识别不同轮胎位置的无线传感器节点监测的轮胎信息,并且完成数据的分析和存储;在接入CAN-BUS后,轮胎定位匹配仪读取SRAM内的数据正确,上传数据没有错误帧,信息交互正常,性能稳定。
参考文献
[1]李书福.关于建议出台《汽车胎压监测与爆胎安全控制强制性国家标准》的提案[N].中国商报·汽车导报,2008(4).
[2]TPMS tools for car assembly lines[EB/OL].http://www.tpms-tool.com/TPMS_tool_Production.html.2008.
[3]冷毅,赵根宝,李青侠,等.基于无线传感器和CAN总线的自动识别的轿车胎压监测系统[J].仪表技术与传感器,2007(6):63-66.