轮胎压力监测及控制系统*

梁　涛，杨伟达，杨玉坤，徐冠楠

（河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130）

轮胎压力监测及控制系统*

梁涛*，杨伟达，杨玉坤，徐冠楠

（河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130）

轮胎内的气压实时状况对于汽车的行驶安全以及性能来说都是非常重要的，如何对轮胎内的气压进行监测、控制、以及保持汽车所有轮胎内的气压相对平衡，一直以来就是一项十分重要的研究课题。然而目前市场上应用的轮胎压力监测系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System），仅仅能对轮胎的气压进行监测，而不能自动的对轮胎内的气压做出反馈，来及时控制轮胎内的气压并保持所有轮胎内的气压平衡。为了解决这个问题，介绍设计的一种闭环汽车轮胎压力监测及控制系统，主要包括总体方案、硬件设计、软件设计、加密算法、性能分析。经试验和实际测试表明:该系统监测的数据可靠，更新及时，系统能有效的保持汽车所有轮胎内的气压相对平衡来增加了汽车的燃油效率，有很强的实用性。

闭环控制系统；LIN总线；控制终端；胎压传感器；

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.026

随着当今汽车工业的快速发展，汽车的保有量日益增多；与日增加的汽车数量在使人们生活更加便利的同时，随之引发的交通事故也越来越不容忽视。轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制，已经成为了引发交通事故的首要因素。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于轮胎气压问题引起的，而在美国这一比例则高达80%。因此，怎样有效监测及控制轮胎气压已成为一个重要课题，而保持标准的轮胎气压和及时发现轮胎气压出现的状况是有效解决问题的关键［1-5］。

轮胎压力监测及控制系统，是利用胎压传感器来实时采集汽车轮胎的压力、温度、加速度等数据，并将数据利用无线传输技术传送到驾驶室内控制终端上，在轮胎气压出现异常时对驾驶者进行预警并对轮胎气压做出快速反应的主动安全系统。

轮胎压力监测及控制系统不仅可以通过实时监视和控制轮胎的气压情况来防止爆胎以保障行车安全，还可以通过保持所有轮胎内的气压相对平衡使轮胎达到最佳负荷状态和良好的弹性，来节省燃油以及延长轮胎寿命［6-8］。

1　总体方案

图1为此轮胎压力监测及控制系统的结构图，主要包括安装在4个轮胎轮毂上的内置式胎压传感器、控制终端和仪表盘上的胎温胎压数据显示区域。胎压传感器主要用来监测轮胎内部的气压、温度以及汽车的运动状态，并控制各个轮胎内的气压防止气压过高，保持所有轮胎的气压动态平衡。胎压传感器以无线传输的方式将信号发送给安装在汽车内部的控制终端，控制终端接收并处理无线信号，并将处理过的信号通过LIN总线发送到汽车仪表盘的胎温胎压数据显示区域，完成数据显示。控制终端还可以将控制命令以无线传输方式发送给胎压传感器，通过胎压传感器来控制轮胎气压，使所有轮胎内的气压保持相对平衡。

图1 系统结构设计

图2为此轮胎压力监测及控制系统的控制策略图，其中以控制终端为此控制系统的控制器，以胎压监测传感器的执行器部分为此控制系统的执行机构，以胎压监测传感器的传感器部分为此控制系统的检测变送环节，以汽车轮胎的胎压为此控制系统的受控对象，构成了一套完整的闭环轮胎压力监测及控制系统。

图2　系统控制策略

2　系统硬件设计

2.1胎压传感器硬件设计

由于胎压传感器处于强压力、强湿度、强电磁干扰、强震动的工作环境下，故设计的胎压传感器采用固化整体设计，通过塑料外壳对电路板进行密封，并在塑料外壳与电路板之间填充硅胶，成型的胎压传感器安装在轮胎内部的轮毂上，仅通过露出塑料外壳和轮胎的气门嘴来发射无线数据信号。胎压传感器的硬件结构如图3所示，主要包括执行器部分和传感器部分［9-10］。

图3　胎压传感器结构框图

传感器部分采用内部集成有加速度传感器、温度传感器、压力传感器、电池电压检测模块、MCU和数模转换器等于一体的NPX2传感器，主要用来感应轮胎内的压力和温度，并将压力和温度信号转换为电信号后进行数字化处理，处理后NPX2产生相应的数据帧信号；NPX2传感器将数据帧信号经FSK方式调制后产生的无线信号，通过可控制的气门嘴发射出去，其信号中心频率为433.92 MHz。

执行器采用飞思卡尔公司的MC9S08RG32单片机和电流放大电路。可控制的气门嘴为安装有导线线圈的轮胎气门嘴，高频信号接收模块采用ATA5428射频收发模块。可控制的气门嘴接收控制终端发来的无线控制信号，经滤波后将信号传输给ATA5428模块处理；ATA5428模块将信号解析成8个字节的数据帧信号，以SPI通讯方式传输给MC9S08RG32单片机处理；MC9S08RG32单片机依据信号中的控制命令来决定是否产生控制可控制的气门嘴打开的电流；MC9S08RG32单片机产生的电流通过电流放大电路的放大后，进入可控制的气门嘴中的线圈中，并产生电磁力来控制气门芯打开，使轮胎内气体放出。为胎压传感器供电的电池为3 V纽扣电池，由于胎压传感器采用了固化整体设计，故胎压传感器不可拆卸，当电池电量耗尽后就必须更换胎压传感器。

2.2控制终端硬件设计

控制终端安装在汽车内部，依靠汽车蓄电池为其供电，并通过LIN总线与仪表盘连接。控制终端主要包括高频信号收发模块、高频信号接收模块、MCU、电源模块、稳压模块、LIN总线转换模块，如图4所示。

高频信号接收模块（MC33596模块）接收胎压传感器发来的无线信号，并将信号解析为8个字节的数据帧信号，通过SPI通讯方式传输给MCU （S9S08AW32单片机）处理，MCU将处理后的实时数据经LIN总线传输给仪表盘显示。

为了实现对胎压传感器的控制，MCU将控制命令信号以SPI通讯方式传输给高频信号收发模块（ATA5428模块），并通过高频信号收发模块将控制命令信号以无线方式发射出去。

稳压模块对汽车的12 V蓄电池提供的电流进行滤波，并通过MD3-50芯片将蓄电池电压降为稳定的5 V电压为控制终端供电。汽车的12 V蓄电池直接为LIN总线转换模块（MCZ33290模块）供电，使其正常工作。

图4　控制终端结构框图

3　系统软件设计

为了保障系统运行的可靠，建立了主从结构的通信模式。以控制终端为控制系统的主节点，以胎压传感器和汽车仪表盘为控制系统的从节点。系统的软件设计主要包括胎压传感器的软件设计和控制终端的软件设计。

为了防止胎压传感器发出的监测轮胎实时状况的无线信号与控制终端发出的控制胎压传感器的无线控制命令信号相互干扰，两种无线信号采用了不同的通信协议，但均采用如图5所示的曼彻斯特编码。

图5　采用的曼彻斯特编码方式

3.1胎压传感器软件设计

胎压传感器的软件设计主要包括传感器部分的软件设计和执行器部分的软件设计。

3.1.1传感器部分软件设计

传感器部分的软件流程图如图6所示。由于胎压传感器的NPX2内部集成有加速度传感器，故可以通过加速度传感器来判断汽车的启动、运行、停止状态来控制胎压监测传感器所处的状态，以降低功耗。

图6　传感器部分的软件流程图

为了保障系统通信的可靠性，在传感器部分采用了如表1所示的信号编码方式，采用了如表2所示的数据帧格式。通过前导码、校验ID和字头的校验后得到1个字节的胎压传感器发出的数据帧中的数据。8个表1中的数据能组成一个完整的数据帧。数据帧中4个字节的ID为胎压传感器的唯一身份标识，1个位置字节代表安装胎压传感器轮胎的位置（0X01表示左前轮、0X02表示右前轮、0X04表示左后轮、0X08表示右后轮），1个压力字节代表轮胎内实时气压，1个温度字节代表轮胎内实时温度，1个校验字节为前7个数据字节的异或和校验。

表1　传感器部分信号编码格式

表2　传感器部分数据帧格式

3.1.2执行器部分软件设计

执行器部分的软件流程图如图7所示。执行器等待接收处理控制终端发来的控制命令，并完成对应的控制动作。

图7　执行器部分的软件流程图

3.2控制终端软件设计

控制终端作为整个通信系统的主节点，是整个系统设计的关键。控制终端主要用来接收胎压传感器发来的无线数据信号，并判别轮胎的实时气压和温度是否过低或者过高，如果轮胎的实时气压和温度低于或者高于标准轮胎气压的范围，则控制终端产生相应的报警来提示驾驶人员。控制终端还以无线传输方式完成通过胎压传感器对轮胎气压的控制，防止轮胎气压过高，并保持所有轮胎气压平衡。控制终端接入的汽车LIN总线网络，通过LIN总线将胎压传感器监测的胎温胎压实时数据，传送给汽车仪表盘完成实时数据的显示。控制终端的软件流程图如图8所示。

图8　控制终端的软件流程图

控制终端发出的无线控制信号数据帧格式如表3所示。其中4个字节的ID和1个位置字节代表控制指定位置的胎压传感器，1个字节的高压字节代表轮胎目前是否处于气压过高状态（0X01表示轮胎气压超过安全气压范围，需要胎压传感器快速将轮胎内气体放出，0X10表示轮胎气压在安全气压范围内）。1个字节的命令字节代表是否因需要控制所有轮胎气压平衡而调整轮胎气压（0X01表示需要慢速将轮胎内气体放出，0X10表示无动作，0X11表示关闭气门芯）。校验和字节为从ID字节到命令字节的异或和校验。控制终端控制汽车所有轮胎的气压平衡的策略:以在安全气压范围内的最低汽车轮胎气压为基准点，通过发射无线控制命令信号，控制胎压传感器的慢速放气或关闭状态来控制其它各个位置的轮胎气压，使其它各个位置的轮胎气压与基准点轮胎气压保持在（-3 kPa～8 kPa）内。而且，胎压传感器监测到某个位置的轮胎气压过高时，控制终端就会发出控制对应位置胎压传感器快速放气命令，使气压过高位置的轮胎气压快速恢复到安全范围。

表3　控制信号数据帧格式

控制终端将胎压传感器发来监测数据传输到汽车仪表盘的数据帧格式如表4所示。其中4个字节的ID和1个位置字节代表更新数据的位置，1个压力字节和1个温度字节，代表要更新的压力和温度数值，其中，温度字节由0～175，线性表示-50℃～125℃，分辨率为1摄氏度；压力字节由0～255，线性表示0～350 kPa，分辨率为1.37 kPa；状态字节标识轮胎状态（字节最后4位分别表示轮胎是否漏气、是否温度过高、是否处于高压状态、是否处于低压状态，0则表示是，1则表示否）；通过软件设置数据的刷新频率为100 ms。

4　加密算法设计

在进行通信过程中，信道中的各种干扰有可能使通信的内容发生差错。为了提高信息在通信过程中的安全性，一般要在通信前再进行一次编码［11］。

由于此系统运行的环境难以避免电磁干扰，为保证系统的安全性和可靠性，以及应对外部信号的干扰，此系统采用了一种有效的加密算法。在胎压传感器发射监测到的无线数据信号前以及在控制终端发射无线控制命令信号前，都要对数据进行加密处理，因此与之对应的接收信号设备在接收到对应的无线信号后也要对相关的数据进行解密，如果解密后的数据不能通过异或和校验，则表明数据错误，将数据帧丢弃［12］。加密算法设计:胎压传感器和控制终端发出的无线信号数据帧的前四个字节均为ID字节，为提高数据信号的可靠度，对数据帧的前四个字节和后四个字节采用不同的数据处理方式。对前四个字节的处理方式为:设前四个字节为A=［A0 A1 A2 A3］，首先对A按位取反得到B，再对B进行循环右移2位操作得到C，再对C按位取反得到D，最后将D进行循环右移2位得到E。对后四个字节的处理方式为:设后四个字节为F=［A4 A5 A6 A7］，首先对F按位取反得到G，再对G进行循环左移2位操作得到H，再对H按位取反得到I，最后将I进行循环左移2位得到J。

与之对应的接收信号设备在接收到对应的无线信号后，对数据进行反操作解密。

既由E循环左移2位得到D，再由D按位取反得到C，再对C循环左移2位得到B，再对B按位取反得到A=［A0 A1 A2 A3］；同样的由J循环右移2位得到I，再由I按位取反得到H，再由H循环右移2位得到G，再由G按位取反得到F=［A4 A5 A6 A7］；最后计算是否A0^A1^A2^A3^A4^A5^A6=A7，来验证数据的可靠性。

5　测试结果

为了确保测试精度和提高系统的性能，经过与国内某大型汽车生产商的合作，依靠汽车生厂商提供的实验汽车和测试平台，做了大量相关的验证实验。

5.1胎温胎压监测实验

测试系统的无线数据信号的收发和总线的通讯状况，选定在不同环境状况下完成相关测试。选取平直的高速公路，在不同的温度环境下的无线数据信号收发结果如表5前两列所示，测试表明无线信号的收发和LIN总线通讯的可靠率均在95%以上。由于系统的信源编码采用占空比为1:1，具有良好的抗干扰性能和自同步能力的曼彻斯特编码，并且设计的加密算法能有效的应对无线信号传输过程中受到的干扰，故设计的系统的满足抗干扰性的要求。

在不同的温度环境下，人为的使轮胎产生各种异常（温度过高、气压过高、气压过低、漏气），测试相关的异常报警实验结果如表5后两列所示，测试表明此系统能有效的对轮胎出现的各种异常状况，通过仪表盘对驾驶人员产生相关的报警提示。

在气压过高的测试中也观察了系统应对轮胎气压过高时做出的反馈动作，结果表明:反馈效果明显，能对过高的轮胎气压做出快速反应，使轮胎气压快速恢复到安全范围内，使仪表盘及时解除因气压过高而做出的报警动作。

表5　相关测试结果

5.2不同状况下的汽车耗油量实验

系统通过控制汽车所有的轮胎气压相对平衡来使汽车各个位置的轮胎达到受力平衡来降低汽车耗油量。选取三辆型号相同的测试汽车，该型号汽车的平均耗油量为7 L/（100 km）。在平直高速公路上测试汽车的耗油量，实际测试结果如表6所示，其中A表示普通测试汽车，B为安装市场上普通胎压监测系统的测试汽车，C为安装设计的轮胎压力监测及控制系统的测试汽车；测试表明此轮胎压力监测及控制系统，能有效的降低汽车耗油量，达到预期效果。

6　结论

目前市场上应用的胎压监测系统仅能对汽车轮胎的气压进行实时监测，而不能对其进行相关的控制。设计的此轮胎压力监测及控制系统通过对轮胎气压实时的反馈控制，实现了一套高效稳定的闭环控制系统。经过大量的实验和测试表明:此系统的轮胎状态监测可靠率在95%以上，能很好的对汽车进行胎温胎压实时数据监测，并且能及时预防因轮胎气压过高而引发的爆胎，为汽车的行驶安全提供了有力的保障；此系统也能有效的降低汽车的耗油量，增加汽车的燃油效率，有很强的实用性。

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梁涛（1975-），教授，博士，从事自动控制、汽车电子、计算机智能控制和现场总线技术的研究；

杨伟达（1990-），硕士研究生，从事嵌入式应用开发、汽车电子、无线通讯等方面的研究。

Tire Pressure Monitoring and Control System*

LIANG Tao*，YANG Weida，YANG Yukun，XU Guannan
（School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The Real-time tire pressure status inside the tire is very important to car driving safety and vehicle performance.How to monitor，control the tire pressure inside the tire，and maintain the air pressure inside all tires relative balance，has always been a very important research topic.However，applications currently on the market tire pressure monitoring system（Tire Pressure Monitoring System，TPMS），only can monitor the tire pressure，but not automatically make the air pressure inside the tire feedback to control the air pressure within the tire in time and keep pressure within all tires balance.To solve this problem，describes the design of a closed-loop tire pressure monitoring and control system，including overall program，hardware design，software design，encryption algorithms，performance analysis..The experiment and the test showed that:the system monitoring data is reliable and timely updates，which can effectively maintain the relative balance of all automobile tire pressure in order to increase the fuel efficiency of the car，which has a strong practical.

closed-loop control system；lin bus；control terminal；tire pressure sensors

TP393

A

1004-1699（2016）04-0627-06

项目来源:河北省科技支撑计划项目（14214902D）

2015-09-26修改日期:2015-11-06