无线轮胎压力监测系统的硬件设计

目录

摘要.......................................................................I

Abstract.......................................................................................................................................II

第1章绪论................................................................1

1.1课题的目的和意义....................................................1

1.2国内外发展现状及发展趋势............................................3

1.2.1国内外发展现状....................................................3

1.2.2发展趋势..........................................................4

1.3TPMS的分类及结构..................................................5

1.4本文主要研究内容....................................................6

第2章影响轮胎性能的主要因素...............................................8

2.1轮胎的分类..........................................................8

2.2爆胎的原因..........................................................9

2.3温度对轮胎性能的影响...............................................10

2.4压力对轮胎性能的影响................................................11

2.5本章小结............................................................12

第3章TPMS总体设计.....................................................13

3.1设计要求...........................................................13

3.2方案设计的主要问题..................................................15

3.2.1TPMS的工作环境.................................................15

3.2.2方案设计的主要问题...............................................15

3.3TPMS的方案的总体设计..............................................18

3.3.1硬件的总体设计...................................................18

3.3.2轮胎模块软件的总体设计...........................................19

3.4轮胎定位技术研究....................................................19

3.4.1轮胎定位和重定位问题.............................................19

3.4.2TPMS轮胎定位技术研究...........................................20

3.5TPMS方案主要芯片的选型...........................................22

3.5.1传感器的比较与选择...............................................22

3.5.2无线收发芯片的选择...............................................26

3.5.3微控制器的选择...................................................27

3.5.4电池的选择.......................................................27

3.6本章小结...........................................................28

第4章轮胎压力监测系统硬件设计...........................................29

4.1轮胎模块硬件设计...................................................29

4.1.1传感器SP12电路设计.............................................29

4.1.2MAX1479射频发射电路设计........................................33

4.1.3PIC16F636微控制器电路设计.......................................36

4.2轮胎压力接收模块硬件设计............................................38

4.2.1MAX1471射频接收电路设计........................................38

4.2.2显示报警和按键电路设计...........................................39

4.2.3LPC2119微控制器电路的设计.......................................41

4.3天线的设计..........................................................42

4.4本章小结............................................................46

第5章轮胎模块软件的设计..................................................47

5.1低功耗软件设计的考虑...............................................47

5.2轮胎模块软件的设计..................................................48

5.2.1数据采集程序设计.................................................48

5.2.2数据处理程序设计.................................................50

5.2.3数据发射程序设计.................................................51

5.2.4轮胎模块主程序设计...............................................57

5.3本章小结............................................................59

结论.....................................................错误！未定义书签。

参考文献.................................................错误！未定义书签。

攻读硕士学位期间所发表的学术论文.........................错误！未定义书签。

致谢.....................................................错误！未定义书签。

第1章绪论

1.1课题的目的和意义

随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故

也在不断增多，其中由于轮胎的压力引起的比例非常高，这就使得人们需要

对行驶中的轮胎压力进行关注。轮胎压力影响着汽车的使用性能和轮胎的寿

命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀

手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾

经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际

上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。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，也

是突发性交通事故发生的重要原因⑴。

据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起

的，而在美国这一比例则高达80%o怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个

重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎

气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监

测系统(TirePressureMonitoringSystem,简称TPMS)毫无疑问将是理想

的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎压力监测系统以便在轮胎压力低

于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎压力监测技术应运而生⑵。

轮胎压力监测系统主要用于在汽车行驶时实时对轮胎气压进行自动监

测，对轮胎漏气和低气压进行报警；是驾驶员和乘客的生命财产安全保障预

警系统⑶。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最

难预防的，是造成突发性交通事故发生的重要原因之一，由此产生了对

TPMS系统应用研究。

TPMS系统主要作用如下：

1.可有效预防轮胎爆胎事故。除特殊机械故障外，汽车行驶安全最重

要的两大因素就是刹车装置和轮胎。因为轮胎气压形成轮胎强度，轮胎低压

行驶时，变形下沉，将加大对轮胎胎肩的磨损。同时，各部件胶于帘布层，

帘布层之间剪切力增大，生热加剧，使胶层与帘线的物理性能下降，轮胎使

用寿命缩短。若胎压长期低于正常气压的80%,在高速行使时，轮胎会急

剧升温而脱层，最后导致爆胎。轮胎超压行驶时，轮胎与地面接触的面积减

少，单位压力增高，轮胎胎面的中部磨损增加。室内试验证明：气压超出

25%,轮胎寿命降低15~20%；降低气压25%,寿命降低约30%o汽车轮

胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大，轮胎磨损增加。TPMS可于行驶

时实时对轮胎气压、温度进行自动监测报警，可有效防止轮胎爆胎事故的发

生⑶。

2.提供“事前主动”型安全保护。汽车防抱死制动系统（ABS）、安

全气囊等均是“事后被动”型安全保护，即事故已经发生时保护人和汽车的安

全，降低伤害程度。而TPMS是“事前主动”预警系统。连续的压力、温

度监测系统保证车辆在正确的负载中行驶。避免因轮胎压力过低或过高，温

度的异常，造成的爆胎；避免由于轮胎压力不平衡，造成的驾车容易跑偏的

现象；能最大限度的减少因轮胎故障导致的半路抛锚及交通事故的可能性。

将事故消灭在萌芽状态，确保汽车行驶中始终处于安全状态⑸。

3.具有经济效益和绿色环保作用。轮胎气压和温度过高，胎冠会加速

磨损；轮胎压力过低，汽油损耗量增加。而保持正常气压行驶可节省油费开

支。除此以外还能避免由于爆胎引起的车辆损坏的修理费、新胎或轮轴的购

置费用，以及因为轮胎原因发生故障所造成的有形或无形的损失⑹。轮胎气

压过低对轮胎的影响如表1-1所示。另外，低压行驶将增加行驶阻力、燃料

消耗和废气排放。过快磨损的橡胶粉尘也将增加环境污染。

4.保障整车的性能与寿命。正确的轮胎压力有助于优化车辆整体性

能，如：转性能，刹车性能，对方向操纵的响应，显示车辆负载能力等；延

长发动机及底盘、挂、轮胎的寿命，提高整车寿命与舒适性

表1-1压力对轮胎的影响

Tablel-1Theeffectsofpressureonthetires

轮胎压力低于标准值单位汽油行程数的下降轮胎使用寿命下降

30%6.25%37%

20%4.50%28%

15%3%20%

10%2%15%

-2-

1.2国内外发展现状及发展趋势

1.2.1国内外发展现状

据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防

止爆胎的关键。TPMS系统无疑将是理想的工具。凡世通(Firestone)轮胎

的质量问题，造成了超过千人的伤亡，此事引起了业界和美国政府的高度关

注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650万只轮胎。据美国汽车工程

师学会的调查，美国每年有26万交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成

的，另外，每年75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。由于

每年造成的经济损失巨大，美国政府要求汽车制造商加速发展TPMS系

统，以求减少轮胎事故的发生网。

因此，在2000年美国国会通过了TREAD(TransportationRecall

EnhancementAccountabilityandDocumentationAct)法案。TREAD法案的要

求之一是到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系

统。2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法

的提案，要求2003年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。回应

TREAD法案，美国公路交通安全局(NTHTSA)要求到2007年，所有在美

国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时

间表：美国市场出售的汽车，2004年占10%,2005年占35%,2006年占

65%,2007年达到100%⑼。美国每年的汽车销量约为1500万辆(包括轿车

和卡车)，全球每年约5000万辆，平均每辆车需要4.2个轮胎(不包括备用

胎)叫

受该法案驱动，各大公司及许多研究机构都己经开始研究相应的TPMS

方案，如Motorola,GE等都已经研制出适用于TPMS的MEMS传感器及

相应的TPMS技术方案。国外的TPMS产品已经相当成熟，能够经受5~7

万公里的使用测试°"。

在2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准——《机动车运

行安全技术条件(征求意见稿)》中，对安装轮胎压力检测装置做出了说明：

“车长大于6米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1.2吨的载货

汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎

压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实

施”。由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，而载货汽车的所

有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高

昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用而家用轿车轮胎使用环境

远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车

主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地

位。但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性TPMS安装规定。尤其大型载

货汽车，安装TPMS是非常必要的。因此市场前景广阔，目前大部分厂家

都处在研究开发阶段，出货量不高。全国开展TPMS研究的厂家接近200

家，专业的TPMS厂家大约为30家“刃。

TPMS的研究在中国刚刚起步。目前各厂家的重点并非是如何开拓市

场，而是如何提高产品性能和质量。目前国内的TPMS系统问题不少：车

内需配备专用的主机、显示屏；需要在车内固定和接线，安装繁琐、影响美

观、整车厂难以配装；不能设定标准胎压、无法保障轮胎合理使用；不具备

抗干扰的清晰语音提示报警功能，会造成驾驶员视线转移：因射频效率、编

码纠错性能差、在恶劣环境下漏报严重。直接式TPMS产品无线信号传输

的稳定性可靠性不足，电池寿命问题，传感器寿命和耐久性问题。此外，

TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品“可。

1.2.2发展趋势

目前国外带电池的TPMS系统相对己经比较成熟，主要在进行无源

TPMS系统的研究，如利用SAW这类无源器件频率的变化来监测轮胎压力

变化[⑸。米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司己经开发出在轮胎制造时

的成形工序中，将压力、温度监测和信号发射装置被埋入轮胎胎壁内，它在

轮胎的整个寿命期间（一般为1〜7年）发挥作用；作为信号接收装置做成如

手机的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携

带。以RFID技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是

其中的一员。该公司和西门子VDO汽车配件公司合作，成功研发出一种钮

扣电池般大小的带RFID卡传感器。该传感器除了能够感知轮胎内的气压、

胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具有标识轮胎的功能，也

就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记录

[161o上海交通大学也开始基于声表面波技术的TPMS开发研究，这种能同

时测量轮胎内压力、温度和发射数据的SAW传感器，不仅可实现智能轮胎

-4-

信息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产权1⑺。

1.3TPMS的分类及结构

根据工作原理的本质区别可以将轮胎压力监测系统分为间接式TPMS

和直接式TPMS。

间接式TPMS,这种系统通过车辆安装的防抱死制动系统（ABS）来确

定轮胎压力的变化。ABS通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定

是否启动防抱死系统。对于在4个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来

说，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，轮胎压力变低也会导致车速

发生变化。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会

导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于触发警报系统来向

司机发出警告“3该类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气

的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。间接系统相对便宜，只

需对ABS软件进行升级就可以实现。但是，目前这类系统没有直接系统准

确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂。此外，在某些

情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的2个轮胎气压都低，或者

是行车速度超过100公里/小时的情况口力

目前，直接式TPMS方案主要有单向通信和双向通信两种。

单向通信系统只有一条通信链路，由轮胎模块将检测的轮胎数据发送给

中央接收模块，一般采用无线发射芯片和无线接收芯片实现数据的发射和接

收。无线射频通信是一种高频通信方式，TPMS所占用的频段在不同的地区

有不同的标准，北美为315MHz,欧洲433.92MHz,韩国448MHz,目前我

国还没有制定TPMS占用的频段标准，很多厂商参照欧洲标准即

433.92MHz实现高频通信。单向通信成本低，结构简单，但是由于系统是

轮胎模块单向地与接收模块通信，接收模块不能控制轮胎模块的工作，只能

被动地接收轮胎数据，其重点要解决的问题是轮胎模块的定位设计和信号免

碰撞功能设计

双向通信主要有两种，双向高频通信和高频/低频通信。双向高频通信

为系统增加了另一条高频通信链路，通过向系统增加额外的发射芯片和接收

芯片或者集收发于一体的无线收发芯片实现，该系统要解决的主要问题是系

统能耗问题。而高频一低频通信为系统增加了一条低频通信链路，通过向接

收模块加入了4个低频触发器、向轮胎模块分别加入了一个低频接收器实

现，接收模块可以通过低频触发器发射低频信号来控制轮胎模块的工作状

态，该系统可以很好地实现轮胎模块的自动定位以及信号的免碰撞功能，但

是该系统成本较高，而且需要将4个低频触发器安装在轮胎附近，安装复杂

[21]

O

直接式TPMS工作原理的本质在于是利用安装在每一个轮胎里的压力

传感器和温度传感器来直接测量轮胎的压力和温度，并对各轮胎气压进行显

示及监控。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变

化时可以及时向无线接收模块报警，有效防止爆胎；可以同时监测所有轮胎

的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求；缺点在于无线电波容易受到

干扰，轮胎压力监测模块需要的电池存在使用寿命的问题A幻。

直接式TPMS系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的轮胎压

力监测模块（以后简称轮胎模块）和安装在汽车驾驶台上的中央接收模块

（以后简称接收模块）。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的轮胎

模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波发射出去。一个TPMS

系统有4个或5个（包括备用胎）轮胎模块。接收模块接收轮胎模块发射的

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31。

1.4本文主要研究内容

由上面有关内容可知，直接式TPMS系统可以直接显示出每个轮胎内

部压力和温度的实时数据，使驾驶者直观了解轮胎的使用状况，从而能更好

地预防轮胎爆胎，因此，决定针对直接式TPMS进行相关的研究。

其工作原理为：首先是放置在轮胎内部的发射系统对轮胎内部的压力和

温度进行在线的测量，然后把测量到的数据进行相应处理后，通过无线传输

的方式发送到位于驾驶室中的接收系统，接收系统对接收到的数据进行相应

的处理，然后在显示面板进行数据的显示，如果轮胎压力和温度出现异常情

况的话，进行相应的声光报警。

由于现有方案及产品大部分在功耗管理，无线数据通信可靠性以及产品

价格等方面还有待改进，所以本课题的研究内容主要集中在以下述儿个方

面：

1.分析比较当前国内外TPMS系统的现状和优缺点，为TPMS整体方

-6-

案的设计提出参考。

2.确定TPMS的整体方案和应该实现的功能和性能。

3.根据系统的应用环境和功能要求，需要系统具有体积小、抗干扰能

力强、低功耗的特点，因为轮胎模块是放置在轮胎内部，还需要具有耐高

压、耐高温、耐腐蚀等特点。按照这些要求，来进行轮胎模块和接收模块的

硬件设计。比如元器件选择上需要选用体积小、集成程度高、可靠性高的芯

片；并采取相应的硬件可靠性措施，设计抗干扰能力强的功能电路；选用容

量大的专用TPMS锂亚电池以提高轮胎模块的电池使用寿命等。

4.研究TPMS系统中，测量、处理数据和传输的高效率算法及其软件

实现，延长轮胎模块电池的使用寿命和提高系统可靠性。

-7-

第2章影响轮胎性能的主要因素

轮胎是汽车的主要部件，价值昂贵，在机械成本和运营费中约占

20%〜30%；另一方面，轮胎又是易损件，耐磨性能和耐切割性能较差，

使用寿命较短，使用条件相对苛刻。要想采取有效措施保证行车安全，就必

须分析对轮胎性能有影响的因素。

2.1轮胎的分类

汽车轮胎按用途可分为:轿车轮胎、重载车轮胎和特种车辆及工程机械

用轮胎等。按轮胎结构特点可分为：斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮

胎。按轮胎花纹可分为：普通花纹轮胎（横沟花纹轮胎与纵沟花纹轮胎），混

合花纹轮胎（横沟与纵沟兼有花纹轮胎）和越野花纹轮胎（砌块花纹轮胎）。按

轮胎内空气压力大小可分为：高压轮胎（气压为490〜686kPa）、低压轮胎

（气压为196〜490kPa）和超低气压轮胎（气压为196kPa以下）。此外，还可

按轮胎帘线类型分为:钢丝轮胎、尼龙轮胎、人造丝轮胎和聚酷帘线轮胎

等。以上各类轮胎又可分为有内胎与无内胎的两种基本形式。

无内胎轮胎的结构如图2-1所示，由气密层、密封胶和特殊结构的胎圈

等部分构成1冽。

0

54

1一橡胶密封层2—自粘层3—槽纹4

一轮辆5—气门嘴

图2-1无内胎轮胎结构示意图

Fig.2-1Schematicdiagramoftubelesstires

气密层是贴于胎里表面并延伸至胎圈底部的一层厚约0.5〜3mm的胶

层，其作用是防止压缩空气渗入胎体引起脱层。由于它与胎体形成一体，并

不像内胎那样受到拉应力，所以受伤后并不会迅速扩大裂口，使气压下降。

无内胎轮胎胎圈底部斜度较大，胎圈直径较轮毂直径小，与轮毂边缘相接触

的“密封胶”部位的曲率较轮^边缘曲率大，因此胎圈能与高精度的带有金

属气门嘴的轮桐I之间形成可靠的密封。

由无内胎轮胎结构可知，无内胎轮胎具有以下优点：

1.在汽车批量生产中，轮胎安装更简单，更快捷。

2.气密性能好，轮胎受小的损伤时能自动封闭。

3.减少汽车因轮胎故障在路上停留时间（不必更换内胎，修理时轮胎

不必从轮上卸下来，修理简单）。

4.没有内胎和衬垫，结构简单，且没有内胎与帘布层的摩擦，提高轮

胎寿命。

目前，轿车已广泛使用无内胎轮胎，一些新型载重汽车己开始使用无内

胎轮胎，但目前的应用尚不十分普遍。这主要有两个原因:一是很多司机局

限于以往的经验和眼前需要，不愿更换;另一是无内胎轮胎需要安装在深式

轮^上，而这种深式轮辆与目前所用的轮^不能互相替换。因此运输公司为

了换用无内胎轮胎存在着投资损耗和编制问题，从而使无内胎轮胎在载重汽

车上的普遍使用受到了限制。但是无内胎轮胎在诸多方面的优势使它成为轮

胎的发展趋势，相信在不久无内胎轮胎将会在各种车辆上得到广泛得应用。

本文正是基于无内胎轮胎设计的一款轮胎压力监测系统。无内胎轮胎的

良好应用前景也为本系统的应用提供了保障

2.2爆胎的原因

汽车爆胎是指因轮胎某一局部机械强度被严重削弱，胎压失去平衡而突

然爆破的故障.爆胎一旦发生，轻则汽车将发生剧烈的侧滑、甩尾，重则汽

车将连续翻滚.这样，不仅危及爆胎汽车自身安全，而且也会引起与附近车

辆和行人发生连续碰撞，造成重大交通事故。

汽车发生爆胎事故的原因是多方面的。归纳起来，主要有以下几个方

面：

1.汽车高速行驶时，因轮胎胎体变形而发热，相应的轮胎内压升高;同

时轮胎在负荷作用下弯曲变形，帘线、钢丝和橡胶产生疲劳，胎体整体强度

-9-

下降，因此，当轮胎碰到障碍物时，胎体受到过大的单位面积冲击力，轮胎

就发生爆裂。

2.汽车高速行驶时，轮胎的流动阻力随行驶速度的增加而增大，达到

一定的程度轮胎便发生驻波现象，轮胎不再是圆形，而是呈波浪形，胎体内

部组织间的摩擦加剧，胎体温度升高，胎体内的帘线、钢丝和橡胶性能下

降，部件间的附着力降低，导致各部件之间的分离、脱落，直到爆裂。

3.轮胎气压不足时，胎面接触地面面积增大，胎面与地面摩擦阻力加

大，同时胎体各部件的变形量变大，轮胎内部组织间的摩擦也进一步加剧，

这些因素都进一步加剧胎体升温。另一方面，因胎肩变形量大，容易引起帘

线、钢丝和橡胶等材料扯断、拆裂，导致胎体强度下降，温度上升或强度下

降到■■定程度就发生爆胎。

4.车辆超载时，轮胎负荷过大。每条轮胎都标有该轮胎的负荷指数，

如果轮胎超负荷运行，胎内气压增大，则轮胎变形增大，使胎冠剥离，帘布

破裂，胎体温度迅速升高，更容易爆胎。

5.车辆超速行驶时，由于轮胎与路面的摩擦加剧，轮胎屈挠频率升

高，使轮胎温度与内压上升，加速了帘布胶质老化和帘线疲劳，造成早期脱

层和爆裂，出现行车事故。由上可见，爆胎现象与轮胎压力和温度的异常有

着密切的关系，只要能及时发现轮胎压力和温度的骤变，就能避免爆胎事故

的发生。

2.3温度对轮胎性能的影响

汽车行驶中，轮胎连续不断的发生伸缩变形，橡胶与帘线，帘线与帘

线，外胎与内胎及胎面与地面等均会发生摩擦，产生大量的热量；此外轮胎

的构成材料并不具有良好的弹性，这些材料在轮胎的行驶过程中也吸收能

量，并将其转化为热量，具有较大的“滞后损失”；而轮胎本身不易散发热

量，于是胎体温度逐渐上升，导致橡胶及帘线的强度下降。试验表明，当温

度由升到100℃时，橡胶的强度及帘线的附着力大约降低50%,不同材

料的帘线，其强度也有不同程度的下降。温度升高引起材料疲劳，强度降

低，当应力超过帘线的强度时，帘线就会折断。轮胎变形使帘布层之间产生

剪应力，当剪应力超过帘布与橡胶之间的附着力时，就会出现帘布松散或局

部帘布脱层。温度超过125℃时，轮胎就会脱空分层发生爆破。

另外，轮胎温度升高还将造成轮胎气压随之升高，使帘线所受的应力加

-10-

大轮胎的正常工作温度应为105℃左右，当大气温度为25℃时，则允许轮胎

温升为80℃o在标准气压下，气温每升高5℃,轮胎气压增加5〜lOkPa。

此外，轮胎比正常工作温度每升高1℃,磨损强度增加2%。一般在同一路

面、同一车速下行驶，气温升高5℃,轮胎使用寿命缩短45%。

轮胎的生热和温升不仅影响其使用性能，而且对汽车油耗也有很大的影

响。据报道，轮胎的能量损失占轿车总能量损失的5%,占载重汽车总能量

损失的10%o

由上可见，轮胎的温升对其安全性能和使用寿命的影响很大。因此，对

轮胎的温度进行实时监测，当温度升高到一定数值时对司机提出报警，提示

司机进行相应处理，可以有效地降低爆胎事故的可能性并提高轮胎的寿命。

需要注意的是，当行驶中发现轮胎温度过高时，不应通过放气或泼冷水

的方式进行处理，而应降低车速，将车停在阴凉通风处降温。原因是当轮胎

的温度升高到吸热量与散热量平衡时，其温度和压力就不再升高。若采用放

气的办法来降温降压，结果会适得其反，轮胎的温度不仅不会降低，反而会

由于气压降低，变形增大而继续升高，致使气压也随之升高，直到轮胎的散

热量与吸热量达到新的平衡为止。如果这时再次放气，则轮胎的温度会上升

得更高，从而给轮胎带来严重损害，大大降低轮胎的使用寿命。若用泼冷水

的办法降温，则会因降温过快导致轮胎胎面和胎侧胶层收缩不均，产生裂

纹，缩短轮胎的使用寿命。

2.4压力对轮胎性能的影响

在影响轮胎性能的诸多因素中，充气压力是极其重要的一个。轮胎气压

对轮胎的承载性能、高速性能、制动性能、防浮滑性能、耐久性能、抗刺穿

和耐爆破性能都有着重要影响，可以说，气压是轮胎的生命。具体影响有一

下几点：

1.气压过低对轮胎性能的影响：气压过低，轮胎接地面积增大，胎侧

屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产生压缩应力，随着胎温升高，易使胶

料的物理性能受到破坏，从而导致以下影响：

a.轮胎在负荷下变形加大，胎肩与地面接触部分的磨耗增大，胎面磨

耗不均，轮胎生热快，造成脱层。

b.轮胎碰到障碍物时，由于冲击力大，胎体帘线易断裂，致使轮胎爆

破。

-11-

C.轮胎生热高，加速内胎损坏。

d.并装双胎气压过低，相邻的两胎胎侧互相挤压、摩擦而损坏。如一

胎气压过低，则加大另一胎的负荷而促使轮胎早期损坏。

e.外胎在轮惘上有时发生转动，易引起气门嘴脱落，而且驱动轮上的

轮胎易损坏。

f.轮胎滚动阻力增大，燃料消耗增加，转向性能差。

g.在坏路面上高速行驶，造成胎冠损伤有小洞眼、花纹掉块。

h.在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎

体脱离、胎里和胎体碾伤。

i.轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增加或移位

导致过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散。

2.气压过高对轮胎性能的影响：气压过高，轮胎帘线过度伸张，胎体

弹性降低，刚性增大，单位压力增大，胎冠部接地面积减小，同时磨耗增

加，胎面花纹易裂口，行驶中一旦受到障碍物冲击，便会产生内裂或爆破。

汽车在同样使用条件下行驶，轮胎缓冲性能差，冲击震动大，操纵性能差，

特别是在坏路面上行驶时，轮胎易产生机械损伤，影响行车安全。

3.气压与行驶里程的关系：气压过低或过高都会缩短轮胎行驶里程。

气压过低，轮胎变形为外张内缩，导致生热增加，加速橡胶老化、疲劳，出

现脱层现象等;气压过高，轮胎接地面积小，磨耗量增大。

2.5本章小结

本章介绍了轮胎的分类以及发展趋势，着重阐述了无内胎轮胎的优点以

及应用前景，指出了无内胎轮胎的广泛应用是必然趋势。同时，本章分析了

爆胎的主要因素：胎压过高、胎压过低及胎温过高。

-12-

第3章TPMS总体设计

3.1设计要求

根据美国法规所规定的轮胎压力监测系统的功能要求，TPMS能够准确

监测汽车轮胎的压力和温度，当轮胎状况超出正常范围时，系统则向驾驶员

报警。

由于安装在一辆汽车上的系统有四个轮胎模块，且装有相同产品的其他

汽车上也有轮胎模块，都工作在同一频率上，所以系统应该避免同频率信号

之间的干扰现象，保证无线信号的正确传输。

汽车在使用过程中，由于轮胎的速度和受力不均，会造成不同轮胎的不

同程度的磨损。根据汽车轮胎保养手册，必须定期对汽车轮胎进行换位，这

样能有效地延长轮胎的使用寿命，并且保证行车安全。因此，该系统必须具

备在汽车轮胎换位之后的传感器模块重新定位功能。

在安装该系统之后，有可能因为使用不当，或者轮胎拆装过程中不留

意，从而造成轮胎内的传感器模块不工作或者硬件损坏。从经济方面着想，

只需要购买和更换该被损坏的传感器模块，所以系统必须具备更换新的传感

器模块之后的重新学习功能。

本文设计的TPMS系统，设计要求如下：

1.以四轮小型汽车为设计目标。

2.直接式。轮胎模块定位于轮胎气门嘴。整套系统由四个轮胎模块和

一个接收模块构成。

3.后装式。供应后装市场，轮胎模块与接收模块之间采用无线通信的

方式。

4.系统为有源TPMS,轮胎压力检测模块由电池供电。接收模块显示

各个轮胎的压力和温度参数，当某个轮胎的压力过高或过低和温度过高时，

发出报警声。

5.实时监测每个轮胎的压力和温度状况。

6.当某个轮胎的压力、温度状况出现异常时，显示器模块声、光报

警，并根据此时的轮胎压力、温度数值，通知驾驶员属于哪种报警状态。

7.系统能很好地区分同一•辆汽车上各个轮胎模块之间、不同汽车上轮

-13-

胎模块之间和轮胎模块与其它电子产品之间的无线信号。

8.系统出厂时，己经在数据显示端对四个轮胎做好了定位处理，无需

用户在系统安装时学习轮胎信号。

9.系统出厂即已经设定好科学合理的压力标准值和温度阀值。

10.当轮胎磨损需要换位保养时，可以通过人机界面方便快捷地重新定

位各个轮胎。

11.当某个轮胎内的数据采集模块损坏需要重新更换时，系统提供用户

操作简便的重新定位功能。

本研究针对的主要是轿车市场，一辆轿车需要4个轮胎模块和一个接收

模块。根据收集到的相关资料，并参考同类，本系统提出了以下的性能指标

要求：

轮胎模块：

1.产品使用寿命：6年以上（平均每天行驶5小时）

2.工作温度：-40℃到125℃

3.压力测量范围：lOOkPa到450kPa

4.发射频率：433.92MHz

5.调制方式：FSK

6.发射功率：5dBm到10dBm

7.压力测量精度：±1.5kPa

8.温度测量精度：±1℃

9.工作电压：3.6V

接收模块：

1.电源：车载电源

2.工作温度：-20℃到80℃

3.接收频率：433.92MHz

4.调制方式：FSK

5.接收灵敏度：＜-100dBm

6.LCD实时显示

7.声光报警

-14-

3.2方案设计的主要问题

3.2.1TPMS的工作环境

轮胎压力监视系统是用于测量轮胎压力。它的轮胎模块被埋置于轮胎内

部，工作在轮胎封闭的环境中。故而轮胎的压力信息传递必须通过无线通信

来解决。工作时轮胎处于高速旋转的状态，因而必须固定牢靠。在真空胎中

可很容易地解决这一问题。

此外，轮胎模块是固定在轮胎里的。当发射部分随着轮胎转到背向主机

时，由于金属轮毂对信号有屏蔽作用，接收灵敏度将有所下降。所以需要对

发射部分的天线装置的设计多加注意，尽量减小由于轮胎转动和屏蔽所带来

的负面影响。

3.2.2方案设计的主要问题

我国，南方的最高气温高于40℃,而北方的最低气温低至零下40℃,

并且汽车在高速行驶的过程中，汽车在高速行驶的过程中，轮胎与地面产生

很大的摩擦热量致使轮胎内部气温远高于环境温度，因此对安装其上的电子

设备有宽温度范围的要求。轮胎模块为电池供电系统，有限的电池容量需要

极为严格功耗控制才能确保系统的持续使用期限。频繁的更换电池会给使用

者带来不便，所以，系统设计时需严格控制功耗12句。

直接式TPMS的轮胎模块安装在汽车轮胎内部（气门嘴或轮毂处），其

物理尺寸在满足电路功能的条件下应尽可能小型化。数据采集及传送模块质

量的大小，决定了安装载体轮胎动平衡调整的难易程度。

综合起来，该产品的主要技术要求如下：

1.体积小，尤其是轮胎模块的体积要尽可能的小。

2.功耗低，尤其是轮胎模块的功耗要尽可能的低。

3.可靠性，系统的抗干扰能力要好。因为，模块间采用的是信号的无

线传输，在传输的过程受到各种各样的干扰。

因此，对于直接式TPMS系统，在方案设计的时候要考虑这儿个问

题。

3.2.2.1器件的选择TPMS的轮胎模块包含的组件有传感器、微控器、RF

-15-

电路、天线和电池。汽车制造商要求直接TPMS的电池能维持至少6年以

±o电池必须重量轻，体积小，电量大，且工作温度必须为-40℃到

125℃,o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。

组件除了要尽可能的低功耗外，压力传感器的介质兼容性和可靠性对

TPMS而言至关要。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。所谓传感器介质兼容性，主要指的与不同种类的介质，如水杨酸、

污水、磷酸钠等接触时所表现出来的不受干扰性。因为轮胎模块是内置于轮

胎内部的，所以电子组件面对的是轮胎内部的恶劣环境，除了一40℃到

125c的宽工作温度范围外，还将面对潮湿、灰尘和刹车油等其他介质的侵

袭。TPMS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。介质兼容性确保传感器能得到全面保护A”。

3.222功耗轮胎模块装置在轮胎内部，更换电池不便，所以轮胎模块的

功耗管理显得尤为重要。减少功耗可以从硬件和软件上两方面考虑。

硬件低功耗设计就是选择低功耗组件、使用具有集成功能的组件来减少

组件数量。采用运动开关或加速度传感器，当车辆处于停车状态时，轮胎模

块停止运行，取消发送以节省电量。多数情况下，车辆处于停车状态的时间

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。另外在电路

设计的时候，要避免与微控制器管脚直接相连的电阻在休眠状态下消耗电

能；对高阻输入的I/O弓|脚，应该在外部上拉到高电平或者下拉低电平，

以免悬空状态下的杂散信号侵入引起开关电流。

软件设计中高效的算法可调节发射和测量频率。在软件设计的时候，可

能要考虑以下这些问题：

1.数据测量的频率是多少？如果测量频率高，加大电量的消耗；如果

频率低，容易漏报，不能实时的监测轮胎的状态。

2.如何判断汽车是否处于行驶状态？在汽车停止行驶的时候使整个系

统处于睡眠模式，这样可以大幅度节省电量。

3.数据发送的频率是多少？延长发射间隔显然可以降低功耗，但需要

在此与数据可靠性和用户获取信息的及时性之间进行权衡。

4.是否需要重复发送数据？因为对一个完整的直接式TPMS系统而

言，4个轮子中的轮胎模块同时工作。而这4个模块都是相互独立的，无法

互相交流，所以在和唯一的中央监测器通信时，必然存在一定的冲突概率。

并且轮胎模块工作环境十分恶劣，干扰强，存在一定接收不到的概率。

5.每个数据帧的长度设为多少？发射芯片发射数据时要比轮胎模块上

-16-

其他任何部分消耗更多的电池能量，因此传输较短的数据帧能显著延长电池

寿命。

3.2.2.3可靠性TPMS的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰

能力是系统可靠性的重要指标。因此在轮胎监测系统的设计中，特别是涉及

到了高频无线信号，必须考虑与设计系统的抗干扰能力。抗干扰设计主要包

括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计，由于系统在高频无线信号的收发，还

应该特别关注了高频线路印刷电路板的设计由L

在系统的硬件设计中，为了消除高频信号对数字电路的干扰，在微控制

器，传感器等数字芯片的电源供应端，并联电解电容，消除高频信号的干扰

t29]o在元件布局和布线设计中，电源线尽可能的粗些，地线进行覆铜，按

键尽量的远离微控制器，因为它会产生较大的电磁干扰阴。对一些信号

线，尽可能粗和短，拐角时走135度斜线或者弧线，避免90度拐角；进行

“包地”等屏蔽，数字线与模拟线分开走线，若无法避免，则两者应垂直走

线，大电流快变信号线尽量靠近地线，必要时，采取电容滤波；PCB外接

信号线尽量缩短。系统中时钟信号关系到微控制器的运行和信号的无线收

发，为避免干扰，采取以下措施：晶振与芯片引脚的连线尽可能的粗和短，

用地线包围振荡电路，大电流快变信号远离晶振连线⑶】。

硬件系统采用的抗干扰措施，只能抑制高频率段的干扰，仍有一些干扰

会侵入系统，因此，除了采用硬件抗干扰方法外，还必须采用软件抗干扰措

施。采用软件抗干扰的前提是系统的抗干扰软件不会因干扰而受到损坏。由

于程序及一些重要的数据放在ROM区，这就为软件抗干扰设计创造了良好

的前提，并且在系统中所有RAM区的数据在破坏后，系统复位的情况下，

完全能够重新建立，这些都为软件的抗干扰设计提供了条件。

干扰引起的程序运行失常，以至于系统的失效，是一种比较严重的干扰

后果，一般会造成程序跑飞或者陷入死循环，对这种干扰后果的软件对策主

要是发现失常时，能够及时引导程序恢复原始状态。

对于干扰引起无线通讯信号变化的抗干扰设计，考虑采用哪种调制方

式，以提高了通讯的抗干扰能力，再者通讯数据中采用哪种校验，提高数据

的检错率。

-17-

3.3TPMS的方案的总体设计

3.3.1硬件的总体设计

系统方案的总体框图如图3-1所示。这个轮胎压力监测系统需要四个轮

胎模块和一个接收模块，四个轮胎模块和接收模块进行无线传输。

图3-1系统总体框图

Fig.3-1BlockdiagramofSystemgeneral

3.3.1.1胎模块的硬件总体设计轮胎模块的功能主要有两种：信号采集处

理和信号发射。从传感器采集的信号，由微处理器完成采样，然后由微处理

器进行数据分析处理，再进行软件编码，将数据帧送给射频发射电路；信号

经调制后发射给接收模块。设计框图见图3-2。

传感器一信号处理信号发射

念]

电池

图3-2轮胎模块框图

Fig.3-2Blockdiagramoftiremodule

3.3.1.2收模块的硬件总体设计接收模块的功能主要有信号接收、信号处

理、显示数据和报警，包括射频接收电路、信号处理、显示报警及人机接口

四部分；如图3-3所示。由轮胎模块发射出来的射频信号放大解调后，将数

字信号送给微处理器。微处理器再进行译码，从数据帧中提取各轮胎的位置

和压力值和温度值等；然后作出相应的处理，如更新当前压力和温度等值，

-18-

声光报警等。人机接口部分主要包括LED指示灯，按键等。

LCD,按

信号接收信号处理

=q键等

公仆

电源

图3-3接收模块框图

Fig.3-3Blockdiagramofrecivemodule

3.3.2轮胎模块软件的总体设计

软件总体分为睡眠模式和工作模式2种运行模式。

睡眠模式是以最低的功耗运行，响应系统的运行要求。

工作模式主要完成以下功能：

1.定时测量轮胎压力、温度等状态量；

2.压力在不同级别区域内有报警时，同一个级别只上报一定次数。

3.压力无明显变化，固定间隔时间段上报一次压力、温度。

4.保证系统可靠性，系统每隔一定时间复位一次。

5.不同级别报警同时出现，则以高温、高压、低压级别的优先级报。

3.4轮胎定位技术研究

3.4.1轮胎定位和重定位问题

汽车因为前后左右车轮负荷不均、前轮负责转向、前后轴悬挂角度不同

等原因，通常各轮胎磨损的位置和程度也不同。前驱动前转向车为了提高过

弯中的稳定性，多数后轮外倾角比前轮大很多，像外“八”字型（也有少数

车做成内''八"字型，这是悬挂设计决定的），所以后轮就容易内外偏磨，

此时轮胎截面成梯形。后轮驱动也会出现相应的轮胎偏磨现象。为了延长轮

胎的使用寿命，达到四个轮胎同步均匀磨损的效果，就需要定期进行轮胎换

位。

在轮胎换位的过程中，相应的胎压遥测模块也会换位。这就导致了原来

-19-

存储在接收模块存储器中的ID码与各轮胎对应关系表失效，如果不更新表

项，显示就会错位。

同样，如果调换新的轮胎，或者某一轮胎的胎压遥测模块损坏，用户需

要更换该模块时，新模块的DI码与已损坏的胎胎模块不同，且不在现存对

应关系表中，导致更换模块的信息不可识别而被丢弃。这样在轮胎换位或调

换轮胎时就存在一个轮胎重新识别的问题。

3.4.2TPMS轮胎定位技术研究

目前为了解决TPMS轮胎更换和轮胎换位时的定位以及重定位问题，

主要采用了定编码形式，界面输入，低频唤醒，天线接受近发射场等四种定

位技术。然而这四种技术在实际应用中都存在着明显的不足。作者在对一个

直接式TPMS系统的设计和研究过程中，研究开发了区分传感器和界面输

入混合使用的轮胎定位技术，使得轮胎定位更简单有效。3

1.定编码形式：接收显示模块中微控制器的存储器中的码与轮胎对应

定位关系信息在出厂时固化。在TPMS胎压遥测模块的外壳上有标记，安

装时按照标记将胎压遥测模块安装在对应的轮胎内。不足之处是：使用中不

能安装错位，否则定位混乱，同时若一发射模块损坏，用户不能方便地从市

场上购买到相同码组的模块更换，必须到厂商购买与前一损坏模块编码•致

的模块。轮胎换位时，胎压遥测模块不能跟随轮胎的变动而变动，而必须按

照其标记位置重新拆卸和安装，非常麻烦。

2.界面输入式：该定位技术是将每个胎压遥测模块的识别ID码打印

在外包装或产品上，但当轮胎换位或发射模块损坏后，就将识别ID码按键

输入到接收端，进行重新定位。不足之处是：识别ID码一般都很长，所以

输入就非常不方便，用户也容易出现码组输入错误的问题。而且按键多，在

本来就仪表众多的车上，将会显得十分突兀。

3.低频唤醒式：这是目前各大开发公司用的比较普遍的一种技术。该

定位技术是利用LF（低频）信号（125kHz）的近场效应。在该方案中，

TPMS系统可以结合遥控车锁技术或在中央监视器上集成LF发送模块。通

过近距离对相应轮胎发出LF信号，单独触发对应轮胎的胎压遥测模块，然

后被触发的胎压遥测模块将身份识别码通过RF发射，接收模块RF接收得

到相应轮胎模块的身份识别码，从而自动确定轮胎位置。TPMS系统通过单

独触发各个胎压遥测模块，可以依次收集各个轮胎的数据，避免了定时随机

-20-

方式可能发生的数据发送：“撞车”事件，提高了数据发送成功率。

该定位方式的不足之处有三个：

a.胎压遥测模块需要四个LF天线，增加了布线量。

b.LF信号可能会误触发相邻的发射检测模块。

c.由于汽车上电磁环境复杂，存在各种干扰，会对低频信号造成干

扰，导致身份识别失效。

4.天线接收近发射场式：该定位技术是接收显示模块有四个接收天

线，分别延伸到每个轮20〜30cm的近场内，接收天线由数控微波开关控

制。当需要接收某个轮胎胎压遥测模块的信息时，只闭合靠近该轮胎的接收

天线的微波开关，而关闭其它微波开关。

该定位技术的不足之处在于：

a.天线布线复杂，微波开关成本高，而且目前技术水平下RF开关隔

离度不够，有串码（即接收到了别的轮胎的信息）的可能。

b.由于汽车上电磁环境复杂，存在各种干扰，也存在定位失效的可

能。

c.射频开关的导通时序是按一定规则的，而4个轮胎发射检测模块的

发射是随机的，故存在某个轮胎附近的射频开关导通时，该轮胎的发射检测

模块正好没有发射信号的可能，导致漏帧。

5.区分传感器和界面输入式：所谓区分传感器，即轮胎模块在出厂时

即设定好安装位置。需要占用单片机两个通用I/O口，通过短接高/低电平

实现一个非常简单的二元编码。比如00代表前左、01代表前右、10代表后

左、11代表后右。这两个bit将被作为发送帧的•部分送至中央监视器，由

微控制器译码后决定接收数据的归属。当然为了避免接收到其他汽车上的无

效信.息，传感器唯一的ID码是必须发送的，接收模块微控制器需要存储属

于本车系统的4个传感器IDo

实现流程如下：

a.轮胎换位：需要按键修改中央模块的轮胎位置设置。在默认的情况

下，如前所述，00代表前左、01代表前右、10代表后左、11代表后右。但

由于行驶中后轮容易磨损，而可能需要将前后轮换位，继续行驶。此时，需

要记住换位前后4个轮胎的位置，并在中央监视器中进行相应的设置修改。

比如前左和后左轮胎换位时，10就代表前左、而00则代表后左。此时中央

监视器就需要变换原来前左和后左的轮胎位置信息，从而实现换位更新。

b.轮胎更换：因为同类产品在出厂时就已经设定好位置，所以只需购

-21-

买与欲替换轮胎相同位置的胎压遥测模块即可。但是此时传感器唯一ID显

然发生了变化，所以中央监视器需要具有“学习”的功能。这可以通过设定

接收到同一旧次数超过某预设值后即认为这个ID属于本系统。也就是说，

新的传感器在安装后的短时间内，可能会由于系统的自我保护性，而不被原

系统认可。但考虑到新安装轮胎出现问题的概率非常小，而且从安装完成到

起车本来就可能有一•段比较长的时间，所以这段时间的漏帧并不会对系统造

成任何不利的影响。

3.5TPMS方案主要芯片的选型

从系统角度考虑，如果确定了系统所需使用的主要芯片，则系统总体方

案也随之确定，因为随后的硬件设计和软件设计都是在此基础上进行的。因

此，下面将讲述本系统方案中主要芯片的选型，选型时综合考虑性能、价

格、供货等因素。

3.5.1传感器的比较与选择

TPMS传感器是包括压力传感器、温度传感器、电池电压检测、内部时

钟等组件的智能传感器。目前主要有硅集成电容式压力传感器，如

Freescale的MPXY8020.MPXY8040,和硅压阻式压力传感器，如GE的

NPXKNPXII和Infineon的SP12、SP30。电容式压力传感器是将压力的变

化转化成电容量，通过检测电容量来判断压力的大小，具有动态响应时间

小、灵敏度高和受环境影响小等特点。压阻式压力传感器则是采用半导体电

阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变化测量电路的，具有精度高，易于微型

化和集成化等特点。但是由于半导体材料对温度极为敏感，所以其性能受温

度影响较大，产品的一致性较差。

传感器是直接式汽车轮胎压力监测系统中非常关键的器件，主要从以下

几个方面考虑：

1.满足-40〜125c的使用温度范围要求。

2.为实现系统低功耗，选择能够检测加速度的传感器。

3.能够检测电池电压，低电压时报警。

4.检测精度要高。

下面首先简要的介绍目前儿种主要传感器的性能与特点，然后再对它们

-22-

进行比较并给出选择方案。

1.GE公司的