基于单向式的记忆式胎压监测方案研究

王梓，车新生



基于单向式的记忆式胎压监测方案研究

王梓1,2，车新生1

（1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

为了满足车辆在上电启动之前即显示当前车辆各个轮胎压力、温度等信息，文章介绍胎压监测系统的现状和国标情况，给出一种采用低功耗硬件设计，利用单向式胎压监测系统便能够达到双向式胎压监测系统效果的新型胎压监测，记忆式胎压监测方案。该能够省去双向式胎压监测系统高额的成本，试验显示胎压显示值接近真实值。

胎压监测；单向式；双向式；记忆

1 引言

随着当今市场汽车保有量的增加，交通事故不断发生，特别在炎热的夏天，经常出现车辆爆胎现象。据统计，75%的高速公路事故均是由于轮胎问题引起的，其中80%是由于胎压异常导致。

TPMS（Tire Pressure Monitoring System，胎压监测系统）是一种对车辆轮胎的压力、温度等进行实时监测的系统，方便驾驶员实时了解各轮胎的压力、温度等关键参数，在轮胎出现异常时，能够及时得到解决，减少因爆胎、漏气等引起的交通事故发生。

目前汽车市场中大部分车型采用的是单向式胎压监测系统，其唯一缺点是不能像双向式胎压系统一样，在整车刚上电时就能监测到当时轮胎的压力和温度值，而是必须行驶车速大于30km/h时才能显示出真实胎压值。本文设计了一种利用单向式胎压监测系统实现成本较高的双向式胎压系统的功能的方法，在上电后车辆静止状态即能够令驾驶员了解当前轮胎压力等信息。

2 TPMS的分类及原理[3-4]

胎压监测系统按照工作原理分可分为两大类，一类为直接式胎压监测系统，另一类为间接式胎压监测系统，下面将这两类系统分别进行介绍。

2.1 直接式胎压监测系统

直接式胎压监测系统主要由三大部分组成，第一部分是安装在每个轮胎上用来监测轮胎压力、温度、加速度的胎压传感器；第二部分是用来收发传感器信号，进行计算控制的胎压控制器；第三部分为显示各个轮胎信息的显示器及报警器，通常使用汽车组合仪表来担任这一角色。所获数据通过射频信号发送出来，由主机无线接收器接收解调后得到并实时显示在仪表盘上，同时主机程序会对轮胎信息进行评估，并在轮胎漏气和压力变化超过安全阈值（该阈值可通过人机界面设定）时进行报警。图1为直接式胎压监测系统构成图。

图1 直接式胎压监测系统构成图

直接式胎压监测系统的工作原理基本上是一样的，车辆的每个轮胎都安装压力传感器以及温度传感器，通过传感器监测汽车轮胎气压和温度的变化，并将测量值通过RF天线发送至胎压控制器，胎压控制器接收解调后将胎压信息通过CAN总线的方式传输至组合仪表显示器上，同时控制器会对轮胎信息进行评估，并在轮胎漏气和压力变化超过安全阈值（该阈值可通过人机界面设定）时通知仪表进行报警。

2.1.1双向式胎压监测系统

图2 双向式胎压控制系统原理图

直接式胎压监测系统根据信号传输方式又分为双向式和单向式两种。双向式胎压控制系统的特点是能够在整车上电时实时检测到当前轮胎各项压力及温度值。但由于相对于单向式胎压系统，每个传感器上分别多出了一个低频天线LF，导致成本相对较高。图2为双向式胎压控制系统原理图。

双向式工作方式如下：

关于如何认识和把握哲学社会科学的地位、作用及其发展规律这个问题，这是一个重要而复杂的方法论问题，但是学术界远远没有引起足够的重视。在有关社会科学的综合性研究中，如社会科学史、社会科学方法论、社会科学，仍然不被看作专门的学术领域，甚至可以说,远不如自然科学史、科学技术哲学、科学技术社会学或科学知识社会学那样引起学术界的广泛重视。乐观的是，伴随着社会科学的发展，目前我国社会科学内部的方法论意识日益增长,社会科学的科学性与实践性、本土化与国际化等，正成为经济学、社会学和政治学等社会科学激烈讨论的问题

系统停机时所有传感器处于深度睡眠状态以降低功耗，接收控制器未上电。汽车点火后，系统开始工作，接收控制器上电，依序打开各个低频驱动天线LF，发出低频磁场，对应的传感器被激活开始工作，通过轮胎上传感器测量胎压、温度及传感器自身状态信息并由射频通道RF发出，接收控制器内置天线接收该信号解调后得到原始数据并解析判断，得出结果（高压、低压、快速漏气、高温、传感器错误、传感器电池电量低等）后通过CAN总线发给组合仪表进行显示报警，之后接收控制器利用低频磁场设置传感器定期发送轮胎数据。当轮胎正常时，接收控制器逐步降低查询频率，整个系统进入缓慢查询状态。当轮胎异常时，接收控制器加快查询频率，整个系统进入预警状态。汽车熄火后，接收控制器掉电，传感器一定时间内未检测到加速度信号后进入睡眠。

2.1.2单向式胎压监测系统

单向式胎压监测系统与双向式胎压监测系统相比，没有控制器主动去激活各个胎压传感器这一工作模式，仅由胎压传感器采集信号后单向发送给胎压控制器，其他工作模式与双向式基本相同。由于单向式相比双向式减少了低频天线模块，成本相对较低，而功能与双向式差别不大，因此性价比较高，是目前国内汽车制造商首选的胎压系统。

单向式胎压监测系统中的胎压传感器由于没有控制器主动激活，需要自身自行激活，而其激活条件为车速大于30km/h（此数值可标定），故驾驶员在启动车辆行驶之前是无法看到车辆的胎压信息的。

2.2 间接式胎压监测系统[5]

间接式胎压监测系统实际上是一个虚拟传感器，利用现有的信号间接获取那些不能直接测量或直接测量成本非常高的一种监测方法，特点就是以算法为主。

图3 间接式胎压监测系统结构原理图

目前存在的间接式胎压监测方法都是利用汽车上的ABS 轮速传感器信息，通过ABS ECU建立轮速信息与轮胎气压之间的关系，通过相应的算法对轮胎气压进行监测。典型的间接式胎压监测系统结构原理如图3所示。

2.3 直接式与间接式胎压监测系统的优缺点

两种 TPMS 有各自的优点与不足。

直接式胎压监测系统的优点主要表现一是独立的硬件处理系统响应速度快；二是灵敏度高；三是实时处理程度比间接式监测系统强，四是能够监测出每个轮胎的胎压及温度数值，并有多种报警模式。

间接式胎压监测系统基于轮速传感器信号，只需己安装的传感器，通过将气压监控软件存储到ABS 的 ECU 中就可以实现对轮胎气压的监控工作。由于此系统是通过间接方法监测轮胎气压，其测试结果与轮胎的结构、状态参数相关，所以当轮胎气压正常但因更换新轮胎或轮胎长期使用后造成磨损不均等原因可能会导致误报警。因此，一般轮胎的选用、更换都有一定的要求，新轮胎在安装后必须对电子控制模块中的轮胎参数进行重新设定以减少误报警。

与直接式 TPMS 相比，目前的间接 TPMS 存在的主要问题是：

1）汽车必须达到一定的行驶速度，系统才能有效工作；

2）系统反应速度慢，ABS 中央处理单元需要进行繁琐的数据处理和自我检测以防系统出现误诊断，因此向司机发出信号迟缓；

3）车速大于 100km/h 时无法进行监测；

4）无法判断同轴或同侧的两条轮胎的低压报警；

5）仅能够大致判断轮胎压力过低报警，其他诸如压力过高、温度过高、快速漏气等等无法监测，并且无法显示出各个轮胎的胎压数值。

因此，对于成本控制较低的车型来讲，选用间接式胎压监测系统便可基本实现其胎压监测报警功能；而对于那些对功能、人机要求较高的车型来讲，能够实时显示各个轮胎温度及胎压数值的、响应时间更为快速的直接式胎压监测系统则更具有吸引力。

3 记忆式胎压监测系统设计

直接式胎压监测系统的双向式系统由于需要在传感器中额外增加低频天线，故其成本相对于单向式系统将要高出很多。然而如果能够使用成本相对较低的单向式胎压系统也能实现接近双向式胎压系统的功能，这就是下面设计的新型胎压监测系统。

记忆式胎压监测系统是在单向式胎压监测系统基础上优化而来，增加了一个记忆功能。采用带高频唤醒的射频芯片，当整车熄火后，胎压控制器进入除射频芯片以外全部进入休眠，射频芯片进入低功耗模式，休眠时工作电流≤1mA。胎压传感器每隔0.5小时（时间可标定）监测一次胎压值，并发送高频信号给控制器，此时控制器中的射频芯片感应到一定场强的信号后读取信号，识别特定的识别头，当信号识别成功后射频芯片唤醒MCU，MCU存储当前数据，存储后MCU继续进入休眠状态。待下次上电时MCU把储存的最新的胎压数据通过CAN总线上传给仪表显示。而这时，驾驶员便能够在车辆行驶之前查看到在最近半小时内的胎压状态，及时采取维修措施。此方案在整车熄火后平均电流可控制在2mA以内，可以满足低功耗条件。

使用CANoe（CAN open environment）设备对刚上电后整车胎压进行测试验证，通过CAN报文界面观察车辆在静止状态下记忆的的胎压温度值以及压力值，如图4所示；再将车辆行驶车速大于30km/h，通过观察此时组合仪表显示屏显示的胎压和温度值，发现与之前控制器记忆的值相同，仪表显示值见图5。即记忆值与实际值基本相同，因此可以判定此方案满足设计要求。

图4 车辆静止状态下记忆的轮胎压力和温度值

图5 仪表显示的实际胎压和温度值

4 结论

TPMS是汽车安全系统的必备功能之一，本文设计的记忆式胎压监测系统能够利用成本相对较低的单向式胎压系统实现车辆静止上电即显示胎压值等信息的功能，方案可行，且仪表显示屏显示的胎压和温度值数值相对准确基本接近真实值。

[1] GB/T 26149-2010,基于胎压监测模块的汽车轮胎气压监测系统[S].

[2] GB 26149-2017,乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法[S].

[3] 梁晨,刘云太,高兴.浅谈胎压监测系统的整车设计方案[J].汽车实用技术,2017,(21): 32-34.

[4] 张春芳,王家龙,马玉清.高集成度胎压监测发射系统设计与实现[J].电子产品世界, 2013,(12): 68-70.

[5] 张虹.基于ABS的汽车胎压监测系统的研究[D].河北工业大学:河北工业大学,2011.

Research on Memory Type Tire Pressure Monitoring Scheme Basedon Unidirectional Type

Wang Zi1,2, Che Xinsheng1

（1.Shenyang University of Technology Information Science and Engineering Institute, Liaoning Shenyang 110870; 2.Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141）

In order to satisfy the vehicles display the current information such as the tire pressure, temperature before the key on, we introduce the present situation and the national standard of tire pressure monitoring system, and present a hardware design of low power consumption in the use of a unidirectional tire pressure monitoring system which can achieve bi-directional effect.We call this new type memory type tire pressure monitoring scheme. It can save high cost of the bidirec -tional type tire pressure monitoring system, and the test display tire pressure value close to the real value.

tire pressure monitoring; unidirectional type; bi-directional type; memory

V226

B

1671-7988(2018)24-114-03

V226

B

1671-7988(2018)24-114-03

王梓，男，就职于华晨汽车工程研究院，工程师，主要负责汽车组合仪表、胎压监测等相关领域，现沈阳工业大学信息科学与工程学院工程硕士在读。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.041