轮胎胎压监测现状及优化一、胎压监测系统的背景随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，公路和高速公路也日渐得到重视，并开始发展起来。高速公路的速度和便利，改变了人们的时空观念，拉近了地域距离，改善了人们的生活方式。但是随之而来的高速公路恶性交通事故却令人震惊，已经引起世界各国的强烈关注和重视，并开始讨论或采取相应防范措施。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是杀伤力最大也是最难预防的事故隐患，是突发性交通事故发生的重要原因。如何解决轮胎故障、怎样防止爆胎，已成为全球关注的首要问题。二、胎压监测系统原理胎压监测系统简称“ TPMS”，是“ tire pressure monitoring system ” 的缩写。分两种：一种是间接式胎压监测系统，是通过轮胎的转速差来判断轮胎是否异常；另一种是直接式胎压监测系统，通过在轮胎里面加装四个胎压监测传感器， 在汽车静止或者行驶过程中对轮胎气压和温度进行实时自动监测，并对轮胎高压、低压、高温进行及时报警，避免因轮胎故障引发的交通事故，以确保行车安全。射频接收芯片（解调输出数据）射频发送芯片微控制器 （ A/D 转换 ,信号调制编码）压力、温度传感器微控制器（数据处理、判断、决策）射频发送芯片微控制器（ A/D 转换 ,信号调制编码）压力、温度传感器接收天线 声波报警 液晶显示SCI 发射天线MANCHESTGR 编码压力检测模块（ 1 号轮胎） 压力检测模块（ n 号轮胎）发射天线TPMS 系统主要由胎压监测节点和接收机两部分构成 ,系统结构框图图 7 胎压监测模块软件流程图1、系统通过安装在轮胎内的发射器直接检测每个轮胎的气压和温度数据；2、 数据通过无线传输至接收机 , 接收机经过数据分析后在显示器上显示出每个轮胎压力和温度数据；3、系统通过不断分析连续数据来发现异常状况，并针对不同的异常状况通过显示器向驾驶员发出各类声光警报。三、不足与展望由于一方面目前汽车轮胎压力监测系统在国内的发展尚属起步阶段， 还没有制定相应的行业标准，另一方面时间有限和人为设计失误等原因，本文不可避免地会存在一些不足之处：1在汽车轮胎压力监测系统的采样端和接收端信号传送的抗干扰问题上，虽然提出了同一车辆的四个轮胎之间的互相干扰和不同车辆 ( 都安装了汽车轮胎压力监视系统 ) 之间的信号干扰的问题， 但是仅仅基本解决了同一车辆的四个轮胎之间的互相之间的信号干扰问题， 对于不同车辆的轮胎之间的信号干扰问题， 由于实验条件的限制， 并未能加以解决； 而在实际中， 随着越来越多的汽车安装上汽车轮胎压力监测系统， 不同车辆的轮胎之间的信号干扰时非常严重的， 这一问题必须在今后的工作中得到有效的解决。 可以通过汽车生产厂家和汽车轮胎压力监测系统开发机构制定统一的标准， 比如统一通信协议， 在数据帧中加上该汽车的标志加以识别，接收端进行信号判断决定是否处理，从而解决这一问题；2 从采样端发送数据信号到接收端， 由于采用的是无线信号传送， 会受到各种因素的影响，例如轮胎内部的温度和压力， 采样端与接收端相对位置的高速的变化， 外界的天气环境， 所以传送的信号存在着错误的发送和遗漏的发送， 这就是数据传输过程中的误码率问题。 如何显 示发 射发 射天线发 射发 射接 收 主降低误码率， 需要在测试中不断的改进， 这是今后工作的重点， 因为只有低误码率才能保证系统有效地工作；3随着汽车工艺的不断提高，将来轮胎的使用寿命也会不断增加。在汽车轮胎压力监测系统中， 采样端所用的电池也需要相对地提高使用寿命。 但是这并没有从本质上解决问题， 如何开发一种无源的汽车轮胎压力监测系统，这将成为今后关于这一系统研究和开发的趋势所在。四、优化方案1、 可靠性TPMS是一种行车安全系统，可靠问题已成为该系统首要解决的问题。要保证 TPMS的可靠工作， 首先所有元器件要非常可靠， 特别是用于轮胎检测模块的元器件。 由于轮胎检测模块安装在轮胎上，环境温度变化大，所有器件包括 TPMS传感器、 RF发射芯片、 MCU等必须满足礴 0 125的使用温度范围。其次，无线信号传输和接收要可靠。这主要表现在系统具有抵抗其他电子设备干扰的能力、 汽车高速行驶时中央模块接收轮胎模块信号的能力、 信号免碰撞的能力以及系统避免误报等的能力。2、 电源目前安装在车身上的 TPMS中央接收 / 显示模块由汽车电源供电， 而安装在轮胎上的检测模块主要采用纽扣电池供电。因为纽扣电池的能量非常有限，如何实现轮胎检测模块的低功耗，延长电池使用寿命成为当前研究的一个热点。 目前主要通过选用低功耗的芯片、 比能量高的电池、唤醒技术以及一些低功耗算法实现系统的低功耗。只有在大多数时间让系统处于断电状态或睡眠状态， 才能省电与延长电池的使用寿命。 在以往的 TPMS设计中通常让系统处于断电状态实现低功耗，系统通过在电池处串联一个加速度开关来实现轮胎检测模块的静止断电和运动工作。 汽车行驶时， 当加速度大于加速度开关的动作门限时，加速度开关闭合，电源接通， TPMS开始工作。这种方法虽然可以极大地降低系统功耗， 但是当汽车处于低速并且加速度变化较大时， 轮胎检测模块会频繁启动， 给系统带来不稳定的因素。 现在的通用方法是让系统大部分时间进入睡眠状态以实现低功耗， 其唤醒方式主要有定时唤醒和低频唤醒两种。 低频唤醒是通过在轮胎检测模块和中央接收模块之间增加一条低频通信链路实现的，低频信号一般为 125KHz，中央接收模块可以通过此链路大降低向轮胎检测模块发送唤醒信号。RF发射器是轮胎检测模块中耗电量最大的器件，其工作电流很大，减小其发射频率可以大系统功耗。目前一些 TPMS传感器集成了加速度传感如英飞的 SP12、 SP30、 SP5以及 GE的NRPX卫星传感器，系统可以利用该传感器检测的加速度大小控制 RF发射的频率，从而降低TPMS功耗。3、 轮胎检测模块的定位TPMS中央显示模块显示的轮胎位置和检测模块安装的轮胎位置有着一一对应的关系，这个关系在 TPMS出厂前或者第一次安装时就已经设置好，如图 3 所示。 TPMS中央接收显示模块存储有每个 TPMS传感器的 ID 码，一个 ID 码对应一个轮胎位置，当轮胎检测模块发射轮胎数据时，会连同传感器的 ID 码一起发射，中央显示模块将收到的 ID 码和存储的 ID 码相比较，就知道发射的数据是哪个轮胎的数据。当汽车行驶一段时间后， 由于各个轮胎的负荷不均， 导致磨损位置和程度不一样， 为了延长轮胎使用寿命， 需要进行轮胎的置换保养。 轮胎的置换导致安装在轮胎上的检测模块也随之换位， 从而导致以前的对应关系被打破， 这就要求对轮胎检测模块进行重新的位置定位， 另外当更换新的检测模块时，也需要进行模块的位置定位。位置定位功能是直接式 TPMS必须具备的功能，目前国内外主要有定编码形式、 界面输入式、低频唤醒式、天线接收近发射场式和外置编码存储器式等技术实现检测模块的定位， 下面主要介绍界面输入式和低频唤醒式两种定位方法。4、 轮胎中的天线天线是无线电通讯、无线电广播、无线电导航、雷达、遥测遥控等各种无线电系统中的基本组成部分，是一种用来发射 / 接收电磁波的器件。天线是决定直接式 TPMS 系统性能的关键之一。TPMS 系统中的天线是一个非常复杂的系统。 因为胎压遥测模块安装于轮胎内部，所以轮胎诸如轮毂、胎面、子午胎的钢丝层都会影响天线的工作状况。轮毂、 钢丝层对天线的方向图、 极化形式包括增益都有影响， 橡胶外胎层主要产生增益上的损耗。1发送端天线(1) 方向图：接收天线始终处于发射天线上方，如果发射天线固定不动，则其方向图最佳为最大波束向上且偏向汽车驾驶台； 但是四个轮胎中的发射天线是要跟随轮胎转动的，所以方向图最好具有一定的全向性。(2) 效率：天线效率越高越好，要求辐射效率高并且输入端匹配度高。(3) 极化特性：考虑到天线的旋转和轮胎的结构，为了减少接收盲点，尽可能的实现圆极化或椭圆极化。2接收端天线(1) 方向图： TPMS系统中，由于车底盘和车门的金属结构，一般的，电磁波只能从车窗透过， 接收天线置于驾驶台上， 正好与车窗同高。 所以天线的设计应尽可能增大水平方向的增益。因为其他方向的电磁波虽然反射后也可以透过车窗，但会有能量损失。(2) 效率：天线效率越高越好，要求辐射效率高并且输入端匹配度高。(3) 极化特性：接收天线的极化方式与来波的极化方式匹配。所以也设计成圆极化或椭圆极化 12。