梁　濤，楊偉達，楊玉坤，徐冠楠

（河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津300130）

輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)*

梁濤*，楊偉達，楊玉坤，徐冠楠

（河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津300130）

輪胎內的氣壓實時狀況對于汽車的行駛安全以及性能來說都是非常重要的，如何對輪胎內的氣壓進行監(jiān)測、控制、以及保持汽車所有輪胎內的氣壓相對平衡，一直以來就是一項十分重要的研究課題。然而目前市場上應用的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS（Tire Pressure Monitoring System），僅僅能對輪胎的氣壓進行監(jiān)測，而不能自動的對輪胎內的氣壓做出反饋，來及時控制輪胎內的氣壓并保持所有輪胎內的氣壓平衡。為了解決這個問題，介紹設計的一種閉環(huán)汽車輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)，主要包括總體方案、硬件設計、軟件設計、加密算法、性能分析。經試驗和實際測試表明:該系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)可靠，更新及時，系統(tǒng)能有效的保持汽車所有輪胎內的氣壓相對平衡來增加了汽車的燃油效率，有很強的實用性。

閉環(huán)控制系統(tǒng)；LIN總線；控制終端；胎壓傳感器；

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

隨著當今汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車的保有量日益增多；與日增加的汽車數(shù)量在使人們生活更加便利的同時，隨之引發(fā)的交通事故也越來越不容忽視。輪胎爆胎由于其不可預測性和無法控制，已經成為了引發(fā)交通事故的首要因素。據(jù)統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于輪胎氣壓問題引起的，而在美國這一比例則高達80%。因此，怎樣有效監(jiān)測及控制輪胎氣壓已成為一個重要課題，而保持標準的輪胎氣壓和及時發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓出現(xiàn)的狀況是有效解決問題的關鍵［1-5］。

輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)，是利用胎壓傳感器來實時采集汽車輪胎的壓力、溫度、加速度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)利用無線傳輸技術傳送到駕駛室內控制終端上，在輪胎氣壓出現(xiàn)異常時對駕駛者進行預警并對輪胎氣壓做出快速反應的主動安全系統(tǒng)。

輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)不僅可以通過實時監(jiān)視和控制輪胎的氣壓情況來防止爆胎以保障行車安全，還可以通過保持所有輪胎內的氣壓相對平衡使輪胎達到最佳負荷狀態(tài)和良好的彈性，來節(jié)省燃油以及延長輪胎壽命［6-8］。

1　總體方案

圖1為此輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)的結構圖，主要包括安裝在4個輪胎輪轂上的內置式胎壓傳感器、控制終端和儀表盤上的胎溫胎壓數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。胎壓傳感器主要用來監(jiān)測輪胎內部的氣壓、溫度以及汽車的運動狀態(tài)，并控制各個輪胎內的氣壓防止氣壓過高，保持所有輪胎的氣壓動態(tài)平衡。胎壓傳感器以無線傳輸?shù)姆绞綄⑿盘柊l(fā)送給安裝在汽車內部的控制終端，控制終端接收并處理無線信號，并將處理過的信號通過LIN總線發(fā)送到汽車儀表盤的胎溫胎壓數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，完成數(shù)據(jù)顯示。控制終端還可以將控制命令以無線傳輸方式發(fā)送給胎壓傳感器，通過胎壓傳感器來控制輪胎氣壓，使所有輪胎內的氣壓保持相對平衡。

圖1 系統(tǒng)結構設計

圖2為此輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)的控制策略圖，其中以控制終端為此控制系統(tǒng)的控制器，以胎壓監(jiān)測傳感器的執(zhí)行器部分為此控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，以胎壓監(jiān)測傳感器的傳感器部分為此控制系統(tǒng)的檢測變送環(huán)節(jié)，以汽車輪胎的胎壓為此控制系統(tǒng)的受控對象，構成了一套完整的閉環(huán)輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)。

圖2　系統(tǒng)控制策略

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1胎壓傳感器硬件設計

由于胎壓傳感器處于強壓力、強濕度、強電磁干擾、強震動的工作環(huán)境下，故設計的胎壓傳感器采用固化整體設計，通過塑料外殼對電路板進行密封，并在塑料外殼與電路板之間填充硅膠，成型的胎壓傳感器安裝在輪胎內部的輪轂上，僅通過露出塑料外殼和輪胎的氣門嘴來發(fā)射無線數(shù)據(jù)信號。胎壓傳感器的硬件結構如圖3所示，主要包括執(zhí)行器部分和傳感器部分［9-10］。

圖3　胎壓傳感器結構框圖

傳感器部分采用內部集成有加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電池電壓檢測模塊、MCU和數(shù)模轉換器等于一體的NPX2傳感器，主要用來感應輪胎內的壓力和溫度，并將壓力和溫度信號轉換為電信號后進行數(shù)字化處理，處理后NPX2產生相應的數(shù)據(jù)幀信號；NPX2傳感器將數(shù)據(jù)幀信號經FSK方式調制后產生的無線信號，通過可控制的氣門嘴發(fā)射出去，其信號中心頻率為433.92 MHz。

執(zhí)行器采用飛思卡爾公司的MC9S08RG32單片機和電流放大電路。可控制的氣門嘴為安裝有導線線圈的輪胎氣門嘴，高頻信號接收模塊采用ATA5428射頻收發(fā)模塊。可控制的氣門嘴接收控制終端發(fā)來的無線控制信號，經濾波后將信號傳輸給ATA5428模塊處理；ATA5428模塊將信號解析成8個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀信號，以SPI通訊方式傳輸給MC9S08RG32單片機處理；MC9S08RG32單片機依據(jù)信號中的控制命令來決定是否產生控制可控制的氣門嘴打開的電流；MC9S08RG32單片機產生的電流通過電流放大電路的放大后，進入可控制的氣門嘴中的線圈中，并產生電磁力來控制氣門芯打開，使輪胎內氣體放出。為胎壓傳感器供電的電池為3 V紐扣電池，由于胎壓傳感器采用了固化整體設計，故胎壓傳感器不可拆卸，當電池電量耗盡后就必須更換胎壓傳感器。

2.2控制終端硬件設計

控制終端安裝在汽車內部，依靠汽車蓄電池為其供電，并通過LIN總線與儀表盤連接?？刂平K端主要包括高頻信號收發(fā)模塊、高頻信號接收模塊、MCU、電源模塊、穩(wěn)壓模塊、LIN總線轉換模塊，如圖4所示。

高頻信號接收模塊（MC33596模塊）接收胎壓傳感器發(fā)來的無線信號，并將信號解析為8個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀信號，通過SPI通訊方式傳輸給MCU （S9S08AW32單片機）處理，MCU將處理后的實時數(shù)據(jù)經LIN總線傳輸給儀表盤顯示。

為了實現(xiàn)對胎壓傳感器的控制，MCU將控制命令信號以SPI通訊方式傳輸給高頻信號收發(fā)模塊（ATA5428模塊），并通過高頻信號收發(fā)模塊將控制命令信號以無線方式發(fā)射出去。

穩(wěn)壓模塊對汽車的12 V蓄電池提供的電流進行濾波，并通過MD3-50芯片將蓄電池電壓降為穩(wěn)定的5 V電壓為控制終端供電。汽車的12 V蓄電池直接為LIN總線轉換模塊（MCZ33290模塊）供電，使其正常工作。

圖4　控制終端結構框圖

3　系統(tǒng)軟件設計

為了保障系統(tǒng)運行的可靠，建立了主從結構的通信模式。以控制終端為控制系統(tǒng)的主節(jié)點，以胎壓傳感器和汽車儀表盤為控制系統(tǒng)的從節(jié)點。系統(tǒng)的軟件設計主要包括胎壓傳感器的軟件設計和控制終端的軟件設計。

為了防止胎壓傳感器發(fā)出的監(jiān)測輪胎實時狀況的無線信號與控制終端發(fā)出的控制胎壓傳感器的無線控制命令信號相互干擾，兩種無線信號采用了不同的通信協(xié)議，但均采用如圖5所示的曼徹斯特編碼。

圖5　采用的曼徹斯特編碼方式

3.1胎壓傳感器軟件設計

胎壓傳感器的軟件設計主要包括傳感器部分的軟件設計和執(zhí)行器部分的軟件設計。

3.1.1傳感器部分軟件設計

傳感器部分的軟件流程圖如圖6所示。由于胎壓傳感器的NPX2內部集成有加速度傳感器，故可以通過加速度傳感器來判斷汽車的啟動、運行、停止狀態(tài)來控制胎壓監(jiān)測傳感器所處的狀態(tài)，以降低功耗。

圖6　傳感器部分的軟件流程圖

為了保障系統(tǒng)通信的可靠性，在傳感器部分采用了如表1所示的信號編碼方式，采用了如表2所示的數(shù)據(jù)幀格式。通過前導碼、校驗ID和字頭的校驗后得到1個字節(jié)的胎壓傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)。8個表1中的數(shù)據(jù)能組成一個完整的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀中4個字節(jié)的ID為胎壓傳感器的唯一身份標識，1個位置字節(jié)代表安裝胎壓傳感器輪胎的位置（0X01表示左前輪、0X02表示右前輪、0X04表示左后輪、0X08表示右后輪），1個壓力字節(jié)代表輪胎內實時氣壓，1個溫度字節(jié)代表輪胎內實時溫度，1個校驗字節(jié)為前7個數(shù)據(jù)字節(jié)的異或和校驗。

表1　傳感器部分信號編碼格式

表2　傳感器部分數(shù)據(jù)幀格式

3.1.2執(zhí)行器部分軟件設計

執(zhí)行器部分的軟件流程圖如圖7所示。執(zhí)行器等待接收處理控制終端發(fā)來的控制命令，并完成對應的控制動作。

圖7　執(zhí)行器部分的軟件流程圖

3.2控制終端軟件設計

控制終端作為整個通信系統(tǒng)的主節(jié)點，是整個系統(tǒng)設計的關鍵?？刂平K端主要用來接收胎壓傳感器發(fā)來的無線數(shù)據(jù)信號，并判別輪胎的實時氣壓和溫度是否過低或者過高，如果輪胎的實時氣壓和溫度低于或者高于標準輪胎氣壓的范圍，則控制終端產生相應的報警來提示駕駛人員。控制終端還以無線傳輸方式完成通過胎壓傳感器對輪胎氣壓的控制，防止輪胎氣壓過高，并保持所有輪胎氣壓平衡?？刂平K端接入的汽車LIN總線網(wǎng)絡，通過LIN總線將胎壓傳感器監(jiān)測的胎溫胎壓實時數(shù)據(jù)，傳送給汽車儀表盤完成實時數(shù)據(jù)的顯示。控制終端的軟件流程圖如圖8所示。

圖8　控制終端的軟件流程圖

控制終端發(fā)出的無線控制信號數(shù)據(jù)幀格式如表3所示。其中4個字節(jié)的ID和1個位置字節(jié)代表控制指定位置的胎壓傳感器，1個字節(jié)的高壓字節(jié)代表輪胎目前是否處于氣壓過高狀態(tài)（0X01表示輪胎氣壓超過安全氣壓范圍，需要胎壓傳感器快速將輪胎內氣體放出，0X10表示輪胎氣壓在安全氣壓范圍內）。1個字節(jié)的命令字節(jié)代表是否因需要控制所有輪胎氣壓平衡而調整輪胎氣壓（0X01表示需要慢速將輪胎內氣體放出，0X10表示無動作，0X11表示關閉氣門芯）。校驗和字節(jié)為從ID字節(jié)到命令字節(jié)的異或和校驗。控制終端控制汽車所有輪胎的氣壓平衡的策略:以在安全氣壓范圍內的最低汽車輪胎氣壓為基準點，通過發(fā)射無線控制命令信號，控制胎壓傳感器的慢速放氣或關閉狀態(tài)來控制其它各個位置的輪胎氣壓，使其它各個位置的輪胎氣壓與基準點輪胎氣壓保持在（-3 kPa～8 kPa）內。而且，胎壓傳感器監(jiān)測到某個位置的輪胎氣壓過高時，控制終端就會發(fā)出控制對應位置胎壓傳感器快速放氣命令，使氣壓過高位置的輪胎氣壓快速恢復到安全范圍。

表3　控制信號數(shù)據(jù)幀格式

控制終端將胎壓傳感器發(fā)來監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡噧x表盤的數(shù)據(jù)幀格式如表4所示。其中4個字節(jié)的ID和1個位置字節(jié)代表更新數(shù)據(jù)的位置，1個壓力字節(jié)和1個溫度字節(jié)，代表要更新的壓力和溫度數(shù)值，其中，溫度字節(jié)由0～175，線性表示-50℃～125℃，分辨率為1攝氏度；壓力字節(jié)由0～255，線性表示0～350 kPa，分辨率為1.37 kPa；狀態(tài)字節(jié)標識輪胎狀態(tài)（字節(jié)最后4位分別表示輪胎是否漏氣、是否溫度過高、是否處于高壓狀態(tài)、是否處于低壓狀態(tài)，0則表示是，1則表示否）；通過軟件設置數(shù)據(jù)的刷新頻率為100 ms。

4　加密算法設計

在進行通信過程中，信道中的各種干擾有可能使通信的內容發(fā)生差錯。為了提高信息在通信過程中的安全性，一般要在通信前再進行一次編碼［11］。

由于此系統(tǒng)運行的環(huán)境難以避免電磁干擾，為保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，以及應對外部信號的干擾，此系統(tǒng)采用了一種有效的加密算法。在胎壓傳感器發(fā)射監(jiān)測到的無線數(shù)據(jù)信號前以及在控制終端發(fā)射無線控制命令信號前，都要對數(shù)據(jù)進行加密處理，因此與之對應的接收信號設備在接收到對應的無線信號后也要對相關的數(shù)據(jù)進行解密，如果解密后的數(shù)據(jù)不能通過異或和校驗，則表明數(shù)據(jù)錯誤，將數(shù)據(jù)幀丟棄［12］。加密算法設計:胎壓傳感器和控制終端發(fā)出的無線信號數(shù)據(jù)幀的前四個字節(jié)均為ID字節(jié)，為提高數(shù)據(jù)信號的可靠度，對數(shù)據(jù)幀的前四個字節(jié)和后四個字節(jié)采用不同的數(shù)據(jù)處理方式。對前四個字節(jié)的處理方式為:設前四個字節(jié)為A=［A0 A1 A2 A3］，首先對A按位取反得到B，再對B進行循環(huán)右移2位操作得到C，再對C按位取反得到D，最后將D進行循環(huán)右移2位得到E。對后四個字節(jié)的處理方式為:設后四個字節(jié)為F=［A4 A5 A6 A7］，首先對F按位取反得到G，再對G進行循環(huán)左移2位操作得到H，再對H按位取反得到I，最后將I進行循環(huán)左移2位得到J。

與之對應的接收信號設備在接收到對應的無線信號后，對數(shù)據(jù)進行反操作解密。

既由E循環(huán)左移2位得到D，再由D按位取反得到C，再對C循環(huán)左移2位得到B，再對B按位取反得到A=［A0 A1 A2 A3］；同樣的由J循環(huán)右移2位得到I，再由I按位取反得到H，再由H循環(huán)右移2位得到G，再由G按位取反得到F=［A4 A5 A6 A7］；最后計算是否A0^A1^A2^A3^A4^A5^A6=A7，來驗證數(shù)據(jù)的可靠性。

5　測試結果

為了確保測試精度和提高系統(tǒng)的性能，經過與國內某大型汽車生產商的合作，依靠汽車生廠商提供的實驗汽車和測試平臺，做了大量相關的驗證實驗。

5.1胎溫胎壓監(jiān)測實驗

測試系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)信號的收發(fā)和總線的通訊狀況，選定在不同環(huán)境狀況下完成相關測試。選取平直的高速公路，在不同的溫度環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)信號收發(fā)結果如表5前兩列所示，測試表明無線信號的收發(fā)和LIN總線通訊的可靠率均在95%以上。由于系統(tǒng)的信源編碼采用占空比為1:1，具有良好的抗干擾性能和自同步能力的曼徹斯特編碼，并且設計的加密算法能有效的應對無線信號傳輸過程中受到的干擾，故設計的系統(tǒng)的滿足抗干擾性的要求。

在不同的溫度環(huán)境下，人為的使輪胎產生各種異常（溫度過高、氣壓過高、氣壓過低、漏氣），測試相關的異常報警實驗結果如表5后兩列所示，測試表明此系統(tǒng)能有效的對輪胎出現(xiàn)的各種異常狀況，通過儀表盤對駕駛人員產生相關的報警提示。

在氣壓過高的測試中也觀察了系統(tǒng)應對輪胎氣壓過高時做出的反饋動作，結果表明:反饋效果明顯，能對過高的輪胎氣壓做出快速反應，使輪胎氣壓快速恢復到安全范圍內，使儀表盤及時解除因氣壓過高而做出的報警動作。

表5　相關測試結果

5.2不同狀況下的汽車耗油量實驗

系統(tǒng)通過控制汽車所有的輪胎氣壓相對平衡來使汽車各個位置的輪胎達到受力平衡來降低汽車耗油量。選取三輛型號相同的測試汽車，該型號汽車的平均耗油量為7 L/（100 km）。在平直高速公路上測試汽車的耗油量，實際測試結果如表6所示，其中A表示普通測試汽車，B為安裝市場上普通胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的測試汽車，C為安裝設計的輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)的測試汽車；測試表明此輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)，能有效的降低汽車耗油量，達到預期效果。

6　結論

目前市場上應用的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)僅能對汽車輪胎的氣壓進行實時監(jiān)測，而不能對其進行相關的控制。設計的此輪胎壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)通過對輪胎氣壓實時的反饋控制，實現(xiàn)了一套高效穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。經過大量的實驗和測試表明:此系統(tǒng)的輪胎狀態(tài)監(jiān)測可靠率在95%以上，能很好的對汽車進行胎溫胎壓實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，并且能及時預防因輪胎氣壓過高而引發(fā)的爆胎，為汽車的行駛安全提供了有力的保障；此系統(tǒng)也能有效的降低汽車的耗油量，增加汽車的燃油效率，有很強的實用性。

［1］ 張兆華，劉兵武，張艷紅，等.硅基TPMS集成傳感器研究［J］.傳感技術學報，2006，19（5）:1815-1817.

［2］ 張艷紅，劉兵武，劉理天，等.TPMS硅基壓阻式壓力傳感器的研制［J］.傳感技術學報，2006，19（5）:1822-1825.

［3］ 冷毅，李青俠，劉勝，等.基于無線傳感器和CAN總線的直接式輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2008（4）:711-717.

［4］ National Highway Traffic Safety Administration of USA.Tire pressure maintenance:A statistical investigation［R］.Tire Technology International，2009.

［5］ HAN Zongqi，WANG Liqiang，LIU Qianyou，et al.New Method for Monitoring Tire Pressure of Cars Based on the Tire Deformation ［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，23（2）: 180-184.

［6］ 張猛，張多，張動力.汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)綜述［J］.汽車實用技術，2014（1）:33-35.

［7］ 張艷紅，張兆華，劉理天.TPMS的研究和設計［J］儀器儀表學報，2005，26（8）:441-443.

［8］ 隨辰揚，潘宏博，馮明，等.基于智能手機的汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，201 4（6）:114-116.

［9］ 肖文光，李艷華.基于SP37的新型TPMS系統(tǒng)設計［J］.電子設計工程，2011，19（6）:86-88.

［10］廖敏娜張，向文，顧明亮.基于MPXY8300傳感器的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.儀表技術與傳感器，2011（11）: 65-67.

［11］邵軍，潭勵，王曉連，等.汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計及其通信抗干擾研究［J］.測控技術，2014（3）:11-14，21.

［12］宋海賓，楊平，徐立波.MEMS傳感器隨機誤差分析及處理［J］.傳感技術學報，2013，26（12）:1719-1723.

梁濤（1975-），教授，博士，從事自動控制、汽車電子、計算機智能控制和現(xiàn)場總線技術的研究；

楊偉達（1990-），碩士研究生，從事嵌入式應用開發(fā)、汽車電子、無線通訊等方面的研究。

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

項目來源:河北省科技支撐計劃項目（14214902D）

2015-09-26修改日期:2015-11-06