微功率汽车轮胎压力监测器的研究
目录
引 言 1
一、汽车轮胎压力监测器原理分析 2
（一）轮胎压力监测器的构成 2
（二）直接式轮胎压力监测器 3
（三）间接式轮胎压力监测器 4
二、微功率汽车轮胎压力监测器的设计 4
（一） 性能指标 4
（二）微功率设计 5
（三）胎压监测器硬件结构 5
（四）传感器选型 6
（五） 供电电源 7
三、发射和接收模块设计 7
（一）发射天线设计 7
（二）发射模块结构 9
（三）接收显示模块 9
（四）信息发射与传输协议 10
（五）胎压监测器机械结构设计 10
（六）胎压监测器定位 11
总 结 12
参考文献 13
谢辞 14
引 言
高速行驶汽车的轮胎压力较低时，胎由于摩擦面积大容易升温导致车胎脱层，以至车胎破裂漏气，发生事故。安全专家指出：当时速超过160公里时，爆胎造成的死亡率是百分之百，而在中国，高速高路上46%的事故是由于车胎问题引起的，而在这46%中70%是由于爆胎引起的，每年有26万起事故是由于车胎引起的，对社会造成了巨大的损失。车胎气压过低是造成交通事故的主要原因，而且车胎内的空气是不断的向外面渗透的，车胎的气压时刻在减少着。为了保障人们的驾驶安全，我们有必要研究一种设备时刻监测车胎压力，让行车出行更加安全。这个系统能让气压过低时报警引起司机注意，及时补充气压。
轮胎气压监测器（TPMS）正是基于这样的要求而开发设计的一项提高汽车安全性的新技术，它运用汽车电子技术、传感器技术、无线通讯技术等，在汽车行驶时实时监测所 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
有轮胎的气压，对轮胎漏气和低气压状态进行报警。
另外，TPMS能提醒车主使胎压保持在最佳工作状态，在提高行车安全性的同时，还能够在节油和环保方面带来益处。例如，来自欧洲的相关人士表示：在德国行驶的车辆有三分之一具有胎压不足的问题，如果所有车辆都可以在正确胎压下行驶，仅欧洲的车辆行驶成本每年就可以降低34亿欧元。
综上所述，TPMS对于提高汽车的安全性及经济性有较大贡献。
一、汽车轮胎压力监测器原理分析
（一）轮胎压力监测器的构成
TPMS有两种：直接式TPMS和间接式TPMS。由于间接式TPMS存在无法确定故障轮胎的位置、时速达100km/h以上失效等缺陷，现主要采用直接式TPMS，本方案以下涉及到的主要为直接式TPMS。TPMS由胎压监测器、接收模块和显示模块构成。
胎压监测器：安装在轮胎内部或车轮表面，测量车辆轮胎压力等参数并进行信息传输。一般由传感器、处理电路、MCU、射频发射芯片、电池和天线等组成。
接收模块：用于接收、处理胎压监测器发来的信息并向显示模块发送视觉信号的部件，主要由天线、RF接收器、MCU等组成。有时接收模块同时包括了显示模块。
显示模块：用于显示报警指示图形符号和气压值（温度值可选）信息及文字提示信息的装置，包含进行系统功能选择和设置的人机交流界面和功能。
表1-1为目前市场的常用的轮胎气压监测器及安装的车型。
表1-1 常见轮胎气压监测器及安装车型
（二）直接式轮胎压力监测器
接式TPMS必须在每个汽车轮胎中安装气压温度传感器，传感器可以直接测量所在轮胎的胎压和温度，然后将测量到的数据通过射频发射出去，由主机中的接收模块接收并处理然后将数据在显示屏显示出来。直接式TPMS能直接而又准确地测量胎压和温度，并能实时反应。直接式TPMS的可靠性和灵敏度非常高。
直接式TPMS主要由压力传感器和温度传感器、胎内微控制器和射频发射器、驾驶室数据接收和处理器、报警显示4个部分组成，如图1-1所示。
图1-1 直接式轮胎压力监测器
传感器微控制器发射器等器件封装在整体固定垫胎中。轮胎的温度和气压等参数通过传感器转换为电信号，并进行模拟/数字转换、数字信号编码与调制，由射频芯片以笃定的频率和固定模式发射出去。接收模块接收到电信号后传送到主控制器，主控制器进行数字信号解码，然后与控制器设定的轮胎低压阈值及温度阈值进行比较，一旦出现异常，指示灯和液晶显示器就会显示报警。
（三）间接式轮胎压力监测器
间接式TPMS不需要单独安装传感器等设备，只需要在装有ABS的汽车上将ABS软件升级即可，如图1-2所示。间接式TPMS传感器是通过ABS轮速传感器测量每个轮子的车速，当某个轮子气压过低时，要与其它的轮子走过相同的路程，他的转速会变快。系统通过比较对角线两个轮胎的和值判断轮胎是否低压。如果目前的间接式TPMS将各自轮速与所有轮速的均值比较，那么在转弯时就会发生错误警报。
图1-2 间接式轮胎压力监测器
间接式TPMS主要有以下缺陷：系统反应速度慢，ABS中央处理单元需要很长时间进行数据处理和检测，防止误报故障，发出的信号延迟现象严重。特别是车速超过100km/h时一般不能正确工作；对于多个轮胎，不能准确辨别哪个轮胎的气压不足，需要维修人员自行去判断；对于转速相同的同一个轴上的两个轮胎气压，不能监测故障轮胎式哪一个；目前使用间接式TPMS的车辆，只有一般的车辆轮胎气压在低于标准气压时能够发出报警信号，而直接式TPMS准确率可以达到100%。
二、微功率汽车轮胎压力监测器的设计
（一） 性能指标
设计的轮胎压力监测器具备系统自检等功能，可以稳定工作，易于安装、傻瓜式操作，采用模块化设计，同时考虑与汽车电子系统的接收和匹配，选则器件及设计方案考虑高性价比。
主要满足以下功能：开机自检功能：开机6s内完成开机自检；轮胎压力低于规定的欠压报警值时报警，并指示报警轮胎位置；轮胎压力高于规定的过压报警值时报警，并指示报警轮胎位置；运行时胎压下降速率达到报警值时报警，并指示报警轮胎的位置；系统运行状态时自身故障报警；能显示每个轮胎的压力信息；能显示每人轮胎的温度信息；当需报警时，同时发出声光报警信号。各个功能参数要满足使用要求。
（二）微功率设计
发射模块超低功耗设计与能耗管理：TPMS监测模块采用有源方式，要求一节小型纽扣电池能够正常工作10年，这不仅要求所用电池能够经久耐用，而且要求设计时要采取先进的能耗管理策略和低功耗设计方法，实现系统超低能耗。
功耗管理分析：发射模块主要由传感器IC、MCU、RF芯片、唤醒电路和相关外围电路组成。其中唤醒电路和相关外围电路多以无源器件组成，唤醒电路能量来自接收模块发出的低频近磁场，不消耗发射模块能量。所以功耗管理主要是管理MCU、传感器IC、和RF发射电路的功耗管理。对MCU功耗管理可采取动态频率控制、DMA、时钟门控等技术提高工作效率；对传感器主要进行工作时间统计，估算工作态的周期；对RF发射电路主要控制其发送次数及信号频度分析。
低功耗设计：发射模块能耗主要消耗在工作状态，睡眠状态时则很小。减小功耗，延长电池使用寿命就牵涉到如何控制系统在工作和睡眠状态中切换，需要在硬件设计和软件设计时加以虑。
引 言 1
一、汽车轮胎压力监测器原理分析 2
（一）轮胎压力监测器的构成 2
（二）直接式轮胎压力监测器 3
（三）间接式轮胎压力监测器 4
二、微功率汽车轮胎压力监测器的设计 4
（一） 性能指标 4
（二）微功率设计 5
（三）胎压监测器硬件结构 5
（四）传感器选型 6
（五） 供电电源 7
三、发射和接收模块设计 7
（一）发射天线设计 7
（二）发射模块结构 9
（三）接收显示模块 9
（四）信息发射与传输协议 10
（五）胎压监测器机械结构设计 10
（六）胎压监测器定位 11
总 结 12
参考文献 13
谢辞 14
引 言
高速行驶汽车的轮胎压力较低时，胎由于摩擦面积大容易升温导致车胎脱层，以至车胎破裂漏气，发生事故。安全专家指出：当时速超过160公里时，爆胎造成的死亡率是百分之百，而在中国，高速高路上46%的事故是由于车胎问题引起的，而在这46%中70%是由于爆胎引起的，每年有26万起事故是由于车胎引起的，对社会造成了巨大的损失。车胎气压过低是造成交通事故的主要原因，而且车胎内的空气是不断的向外面渗透的，车胎的气压时刻在减少着。为了保障人们的驾驶安全，我们有必要研究一种设备时刻监测车胎压力，让行车出行更加安全。这个系统能让气压过低时报警引起司机注意，及时补充气压。
轮胎气压监测器（TPMS）正是基于这样的要求而开发设计的一项提高汽车安全性的新技术，它运用汽车电子技术、传感器技术、无线通讯技术等，在汽车行驶时实时监测所 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
有轮胎的气压，对轮胎漏气和低气压状态进行报警。
另外，TPMS能提醒车主使胎压保持在最佳工作状态，在提高行车安全性的同时，还能够在节油和环保方面带来益处。例如，来自欧洲的相关人士表示：在德国行驶的车辆有三分之一具有胎压不足的问题，如果所有车辆都可以在正确胎压下行驶，仅欧洲的车辆行驶成本每年就可以降低34亿欧元。
综上所述，TPMS对于提高汽车的安全性及经济性有较大贡献。
一、汽车轮胎压力监测器原理分析
（一）轮胎压力监测器的构成
TPMS有两种：直接式TPMS和间接式TPMS。由于间接式TPMS存在无法确定故障轮胎的位置、时速达100km/h以上失效等缺陷，现主要采用直接式TPMS，本方案以下涉及到的主要为直接式TPMS。TPMS由胎压监测器、接收模块和显示模块构成。
胎压监测器：安装在轮胎内部或车轮表面，测量车辆轮胎压力等参数并进行信息传输。一般由传感器、处理电路、MCU、射频发射芯片、电池和天线等组成。
接收模块：用于接收、处理胎压监测器发来的信息并向显示模块发送视觉信号的部件，主要由天线、RF接收器、MCU等组成。有时接收模块同时包括了显示模块。
显示模块：用于显示报警指示图形符号和气压值（温度值可选）信息及文字提示信息的装置，包含进行系统功能选择和设置的人机交流界面和功能。
表1-1为目前市场的常用的轮胎气压监测器及安装的车型。
表1-1 常见轮胎气压监测器及安装车型
（二）直接式轮胎压力监测器
接式TPMS必须在每个汽车轮胎中安装气压温度传感器，传感器可以直接测量所在轮胎的胎压和温度，然后将测量到的数据通过射频发射出去，由主机中的接收模块接收并处理然后将数据在显示屏显示出来。直接式TPMS能直接而又准确地测量胎压和温度，并能实时反应。直接式TPMS的可靠性和灵敏度非常高。
直接式TPMS主要由压力传感器和温度传感器、胎内微控制器和射频发射器、驾驶室数据接收和处理器、报警显示4个部分组成，如图1-1所示。
图1-1 直接式轮胎压力监测器
传感器微控制器发射器等器件封装在整体固定垫胎中。轮胎的温度和气压等参数通过传感器转换为电信号，并进行模拟/数字转换、数字信号编码与调制，由射频芯片以笃定的频率和固定模式发射出去。接收模块接收到电信号后传送到主控制器，主控制器进行数字信号解码，然后与控制器设定的轮胎低压阈值及温度阈值进行比较，一旦出现异常，指示灯和液晶显示器就会显示报警。
（三）间接式轮胎压力监测器
间接式TPMS不需要单独安装传感器等设备，只需要在装有ABS的汽车上将ABS软件升级即可，如图1-2所示。间接式TPMS传感器是通过ABS轮速传感器测量每个轮子的车速，当某个轮子气压过低时，要与其它的轮子走过相同的路程，他的转速会变快。系统通过比较对角线两个轮胎的和值判断轮胎是否低压。如果目前的间接式TPMS将各自轮速与所有轮速的均值比较，那么在转弯时就会发生错误警报。
图1-2 间接式轮胎压力监测器
间接式TPMS主要有以下缺陷：系统反应速度慢，ABS中央处理单元需要很长时间进行数据处理和检测，防止误报故障，发出的信号延迟现象严重。特别是车速超过100km/h时一般不能正确工作；对于多个轮胎，不能准确辨别哪个轮胎的气压不足，需要维修人员自行去判断；对于转速相同的同一个轴上的两个轮胎气压，不能监测故障轮胎式哪一个；目前使用间接式TPMS的车辆，只有一般的车辆轮胎气压在低于标准气压时能够发出报警信号，而直接式TPMS准确率可以达到100%。
二、微功率汽车轮胎压力监测器的设计
（一） 性能指标
设计的轮胎压力监测器具备系统自检等功能，可以稳定工作，易于安装、傻瓜式操作，采用模块化设计，同时考虑与汽车电子系统的接收和匹配，选则器件及设计方案考虑高性价比。
主要满足以下功能：开机自检功能：开机6s内完成开机自检；轮胎压力低于规定的欠压报警值时报警，并指示报警轮胎位置；轮胎压力高于规定的过压报警值时报警，并指示报警轮胎位置；运行时胎压下降速率达到报警值时报警，并指示报警轮胎的位置；系统运行状态时自身故障报警；能显示每个轮胎的压力信息；能显示每人轮胎的温度信息；当需报警时，同时发出声光报警信号。各个功能参数要满足使用要求。
（二）微功率设计
发射模块超低功耗设计与能耗管理：TPMS监测模块采用有源方式，要求一节小型纽扣电池能够正常工作10年，这不仅要求所用电池能够经久耐用，而且要求设计时要采取先进的能耗管理策略和低功耗设计方法，实现系统超低能耗。
功耗管理分析：发射模块主要由传感器IC、MCU、RF芯片、唤醒电路和相关外围电路组成。其中唤醒电路和相关外围电路多以无源器件组成，唤醒电路能量来自接收模块发出的低频近磁场，不消耗发射模块能量。所以功耗管理主要是管理MCU、传感器IC、和RF发射电路的功耗管理。对MCU功耗管理可采取动态频率控制、DMA、时钟门控等技术提高工作效率；对传感器主要进行工作时间统计，估算工作态的周期；对RF发射电路主要控制其发送次数及信号频度分析。
低功耗设计：发射模块能耗主要消耗在工作状态，睡眠状态时则很小。减小功耗，延长电池使用寿命就牵涉到如何控制系统在工作和睡眠状态中切换，需要在硬件设计和软件设计时加以虑。
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