輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計開題報告

1、西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目：輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 系 別： 電子信息系 專 業(yè)： 通信工程 班 級： B 學(xué) 生： 李 莎 學(xué) 號： B 指導(dǎo)教師： 馮曉崗 2012年12月23日1. 畢業(yè)設(shè)計題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況 1.1課題研究背景隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，交通越來越便利，而隨之引發(fā)的交通事故也在不斷增多，其中由于輪胎的氣壓引起的比例非常高，這就使得人們需要對行駛中的輪胎氣壓進行關(guān)注。輪胎氣壓影響著汽車的使用性能和輪胎的壽命。當前輪胎爆胎，疲勞駕駛，超速行駛已經(jīng)成為高速公路事故的三大殺手。其中輪胎爆胎由于其不可預(yù)測性和無法控制而成為首要因素1。有

2、人曾經(jīng)用一句話來概括輪胎的重要性，當一個人坐到汽車里面以后，這個人實際上就交給了汽車，一旦汽車行駛起來，這個人實際上就全部交給了汽車。在汽車的高速行駛過程中輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80%。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督中心的專家分析，保持標準的汽車輪胎氣壓正常與穩(wěn)定和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵2-3。而汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，簡稱TPMS）毫無疑問將是理想的

3、工具。在客車和輕型卡車上必須安裝輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）以便在輪胎氣壓低于規(guī)定值時發(fā)出警報。于是，汽車輪胎氣壓監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。1.2研究意義自從人類進入工業(yè)時代，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，交通越來越便利，隨之而引發(fā)的交通事故也不斷地增多，其中由于輪胎問題引起事故的比例非常的高，因此人們對行駛中的輪胎壓力進行了特別的關(guān)注。輪胎壓力影響著輪胎的壽命和汽車的使用性能。據(jù)測試，汽車在時速160公里以上行駛時發(fā)生爆胎事故，駕乘人員的死亡率為100%。爆胎已于疲勞駕車、超速行駛并列為中國道路交通的三大殺手。其中，輪胎爆胎由于其不可預(yù)測性和無法控制而成為首要因素。據(jù)統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事70%是由

4、于爆胎引起的，而在美國這一比例高達80%，是各種比例最高的。 輪胎是汽車的重要組成零部件，事關(guān)出行的安全。我國目前沒有防止爆胎的相關(guān)強制國家標準，但是中國企業(yè)正在研發(fā)比美國更為先進、安全的系統(tǒng)，不僅能自動監(jiān)測胎壓，而且還能對爆胎后實施安全救助。研究胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 用戶方面：給用戶帶來有效、方便、快捷的胎壓監(jiān)測方法，使用戶坐在駕駛室里面就可以隨時獲得輪胎的氣壓信息；(2) 安全方面：TPMS可以及時發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓問題，指導(dǎo)駕駛員進行沖放氣，避免車禍的發(fā)生，保障行車安全；(3) 社會效益方面：TPMS系統(tǒng)可以很較好的保障行車安全，將來會被越來越多的汽車生產(chǎn)廠家以及車

5、主采用，社會需求也將會越來越大，經(jīng)濟效益也會隨之增加；(4) 經(jīng)濟方面：TPMS可以提醒駕駛員經(jīng)常保持輪胎壓力處于標準狀態(tài)，不僅可以延長輪胎的使用壽命，還可以減少油耗，節(jié)約能源，減少行車費用，同時減輕汽車廢氣對環(huán)境的污染。隨著中國進入WTO，中國與外國之間的汽車貿(mào)易量也會越來越大，國外一些國家，如美國已立法將TPMS作為汽車的標準配置，中國汽車要想出口到這些國家也需要遵守規(guī)定裝備TPMS。隨著TPMS成本的進一步降低，TPMS在汽車市場上擁有量將會越來越大，特別是中國的TPMS剛剛起步，市場前景將會非常的龐大。1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國外發(fā)展狀況 由于國外立法較早，開發(fā)生產(chǎn)的汽車輪胎

6、壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)較為成熟。主要生產(chǎn)商有加拿大斯馬輪胎設(shè)備公司、固特異輪胎橡膠公司、米其林集團公司、日本橫濱公司等。迄今為止，國外己有許多車型裝配了TPMS。從2002年以后發(fā)布的世界新車資料中可以看到，美國福特公司的林肯大陸、戴姆勒一克萊斯勒公司等知名汽車廠商在多種新車中都預(yù)裝了TPMS。許多歐洲的汽車廠商也已將TPMS配裝于其高檔車型，包括寶馬公司的Z8、歐寶公司2002年版威達、旁蒂亞克的旗艦產(chǎn)品Bon Neville SE等4。2007年已經(jīng)到達美國法律強制安裝汽車TPMS的時間，國外很多普通車型都已安裝TPMS。例如:奔馳-CLK、C、E、G、M、SL、SLK、S系列，寶馬-3

7、、5、6、7、X3、XS、Z4系列，別克-林蔭大道、榮御、君越5。國外已有許多廠家致力于TPMS專用傳感器、發(fā)射芯片和接收芯片研究。飛思卡爾（Freescale）、英飛凌(Infineon)、通用(GE)、微芯（Microchip）、飛利浦(Philips)等大型跨國公司也先后相應(yīng)的推出了自己的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)芯片級應(yīng)用方案。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，飛思卡爾(Freescale)、英飛凌（Infineon）、通用(GE)先后推出了自己高集成度的發(fā)射模塊或傳感器模塊。例如:MPXY8300是同類中的首款可以在單個封裝內(nèi)提供電容傳感器技術(shù)、壓力傳感器、8-位S08微控制器(MCU)、射頻(RF)發(fā)

8、射器和雙軸(X和Z軸)加速計的全面集成產(chǎn)品；SP30整合了硅顯微機械加工的壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個電池電壓監(jiān)測器并內(nèi)置8位哈佛結(jié)構(gòu)RISC MCU和2D通道的低頻(LF)接口，且消耗的電流僅0.4uA；NPII集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器以及一個低頻喚醒輸入級，滿足了系統(tǒng)各方面的性能要求6-8。1.3.2 國內(nèi)發(fā)展狀況在中國，早在2003年11月24日頒布的中華人民共和國國家標準機動車運行安全技術(shù)條件對安裝輪胎壓力監(jiān)測裝置做出了說明9：“車長大于6米的長途客車和旅游客車、最大設(shè)計總質(zhì)量大于1.2噸的載貨汽車和載貨牽引車應(yīng)安裝輪胎

9、氣壓報警裝置” ，“有關(guān)部分機動車應(yīng)安裝輪胎氣壓報警裝置的要求，自本標準發(fā)布之日起第25個月開始對新注冊車實施” 。由于目前國家沒有強制性規(guī)定必須安裝TPMS裝置，載貨汽車的所有權(quán)大多屬于貨運公司，載貨汽車輪胎數(shù)量多，安裝TPMS裝置費用高昂，一般貨運公司不愿意承擔如此高的費用10。而家用轎車輪胎使用環(huán)境遠比載貨汽車好，且城市路面質(zhì)量高，輪胎可能造成的威脅比較小，私家車主通常不夠重視。因此無論前裝市場還是后裝市場，TPMS都處于尷尬的地位。但是著眼未來，國家遲早會頒布強制性TPMS安裝規(guī)定。尤其大型載貨汽車，安裝TPMS是非常必要的。目前中國輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)市場還處于產(chǎn)品完善和市場起步階段，整

10、套系統(tǒng)價格還比較高，而且產(chǎn)業(yè)化配套的市場也沒有大規(guī)模啟動。根據(jù)以上情況本論文設(shè)計一款成本低廉，可靠性高的TPMS?，F(xiàn)在國內(nèi)有許多汽車配件商開始代理銷售國外的TPMS系統(tǒng)，上海和重慶及廣東等地有公司開始投入生產(chǎn)并銷售TPMS，主要生產(chǎn)商有上海泰好電子科技有限公司、棋港電子有限公司、佛山市朗杰電子科技有限公司、深圳市瑞電通信電子有限公司等。市場主要集中在后裝市場，不過其價格決定其市場規(guī)模很小。而且，TPMS零組件主要靠進口，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品11。大多數(shù)廠家只是買來飛思卡爾、英飛凌、通用的零組件組裝起來做成成品，屬于二次設(shè)計缺乏核心技術(shù)。最近，浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校

11、都有學(xué)者對TPMS相關(guān)技術(shù)進行理論研究。1.3.3 TPMS發(fā)展階段及趨勢 TPMS的大規(guī)模應(yīng)用基本上在美國修改的聯(lián)邦運輸法實施以后，因為具有深厚的技術(shù)積累和法律提出的時間的緊迫性，TPMS發(fā)展迅速。迄今為止，不斷有更新的方案涌出?；仡欉@幾年的TPMS技術(shù)發(fā)展道路，可以看出其發(fā)展主要可分為以下幾個階段： 第一代產(chǎn)品是通用汽車公司開始使用的間接式TPMS。這種產(chǎn)品成本低，但是由于監(jiān)測結(jié)果不精確，對車速有限制等原因，將會逐漸被直接式取代。第二代產(chǎn)品于2000年8月在美國上市，屬于直接式TPMS，基于嵌入式傳感器和UHF單向transmitter/receiver系統(tǒng)。它剛出現(xiàn)時在幾款汽車上作為可選

12、部件，最近成為市場的主宰12。第三代產(chǎn)品是在第二代產(chǎn)品基礎(chǔ)上更加集成話，小型化，基本原理相同，同屬于直接式TPMS。如傳感器MCU與發(fā)射器合而為一等。未來的TPMS模塊將向高度集成化、單一化、無線、無源化方向發(fā)展。高集成度芯片可以降低功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，并且具有良好的經(jīng)濟性。目前己經(jīng)有了如GENPX2那樣的將所需測試各物理量的傳感器與MCU合二為一的智能傳感器模塊。在未來幾年內(nèi)還會開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運動的機械能自供電的四合一的模塊(例如GE準備推出的NPX3)。上海交大正在開發(fā)基于SAW技術(shù)的無線、無源仰MS新方案，目前己有初樣。這將是現(xiàn)有TPMS技術(shù)的新的技術(shù)革

13、命，不僅實現(xiàn)智能輪胎信息的無源測量和無線發(fā)送，而且將擁有中國人自主的知識產(chǎn)權(quán)。2. 本課題研究的主要內(nèi)容和采用的研究方案、研究方法2.1本課題研究的主要內(nèi)容 該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能：將通過在輪胎內(nèi)部安裝的壓力和溫度傳感器，中央控制單元對輪胎內(nèi)部的溫度、壓力值進行采集、處理后通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛室內(nèi)部的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器對輪胎的數(shù)據(jù)進行分析，如果發(fā)現(xiàn)輪胎的狀態(tài)異常，則通過聲光報警提示駕駛員進行處理。針對上述系統(tǒng)功能，本課題的主要研究內(nèi)容如下：(1) 分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、綜合分析國內(nèi)汽車各方面綜合因素，設(shè)計系統(tǒng)的總體方案。(2) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)

14、計，射頻天線設(shè)計及優(yōu)化和匹配網(wǎng)絡(luò)。(3) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計。(4) 全文總結(jié)。2.2本課題采用的研究方案2.2.1總體設(shè)計及主要元器件選擇a. 輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS）組成 TPMS由兩大模塊：遠程輪胎壓力監(jiān)視模塊（Remote Tire Pressure Monitoring簡稱RTPM）和中央監(jiān)視器組成，如圖1所示。RTPM模塊直接安裝在無內(nèi)胎輪胎鋼轂上，測量輪胎壓力和溫度，并將測量得到的信號通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。一個TPMS系統(tǒng)通常有4個或5個（包括備用胎）RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。特別在異常時

15、報警提醒駕駛者采取必要的措施。 圖1 TPMS系統(tǒng)組成2.2.2硬件電路設(shè)計a. RTPM模塊RTPM模塊由壓力/溫度傳感器、微處理器和RF射頻發(fā)射電路組成如圖2所示。微處理器進行壓力、溫度的測量以及RF發(fā)射控制和電源管理；RF射頻發(fā)射電路將檢測到的壓力、溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)射出去。壓力傳感器微處理器RF發(fā)射電路溫度傳感器顯示報警溫度傳感器圖2 RTPM模塊原理圖b. 中央監(jiān)視器模塊位于汽車駕駛室內(nèi)的中央監(jiān)視器模塊，主要完成信息的接收、數(shù)據(jù)的區(qū)分處理、聲光報警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。因為中央監(jiān)視器的供電來自汽車內(nèi)部自供電，所以接收端可以不考慮功耗問題。中央監(jiān)視器模塊是設(shè)計輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)的核心

16、部分，由RF接收電路、微處理器、計算機顯示報警裝置等組成，如圖3所示。RF接收電路接收RTPM模塊發(fā)射的壓力、溫度數(shù)據(jù)信號，識別變換處理后送到計算機顯示或報警。 計算機顯示報警微處理器RF接收電路串口通信 圖3 中央監(jiān)視器模塊原理圖c. 器件選擇 輪胎模塊由傳感器、微處理器、發(fā)射芯片、電池和天線組成。因為此模塊要嵌入到輪胎內(nèi)，所以模塊的超小型和節(jié)電設(shè)計是最關(guān)鍵的問題。 傳感器：輪胎在高速運轉(zhuǎn)中，其內(nèi)部的壓力和離心力非常大，溫度也非常高，環(huán)境相當惡劣，足以使其中的傳感器件不能正常工作，所以對放入其中的傳感器件有相當高的要求。首先，它的質(zhì)量要非常輕；其次，要能夠在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作；再次，輪胎中

17、沒有供電設(shè)備，所以要求其功耗很低13。 發(fā)射芯片：由于本方案所設(shè)計的輪胎模塊放置在汽車輪胎中，難以通過有線連接傳送數(shù)據(jù)，只能通過無線傳送數(shù)據(jù)，所以發(fā)射模塊采用短距離無線高頻發(fā)射技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)的分析和處理以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)射. 單片機連接傳感器能定期檢查氣壓和溫度數(shù)據(jù)，為降低功耗，單片機可在完成發(fā)送信號后，馬上進入休眠狀態(tài)，由外部的中斷源將其喚醒單片機連接發(fā)射器，利用單片機中的鎖相環(huán)(PLL)將較低頻率轉(zhuǎn)換為較高頻率，實現(xiàn)短距離高頻無線發(fā)射14-15。2.2.3 軟件設(shè)計 TPMS系統(tǒng)的軟件主要由兩個模塊組成，即RTPM子程序和接收通信子程序。RTPM子程序用于檢測、處

18、理、發(fā)送胎壓、溫度和輪胎標識信息，接收通信子程序完成數(shù)據(jù)接收和串行通信。RTPM流程框圖如圖4所示。是否禁止中斷采樣胎溫t否t40否是是p、t與上一次采樣值相同？數(shù)據(jù)處理發(fā)送數(shù)據(jù)幀開中斷休眠采樣胎壓pi=i+1i10？看門狗喚醒圖4 RTPM子程序流程框圖接收通信子程序用于接收、處理（顯示和報警）輪胎壓力和溫度的射頻信息，包括初始化、射頻中斷服務(wù)、定時器中斷服務(wù)和串行中斷服務(wù)。流程圖如圖5所示。初始化啟動射頻接收器和定時器開始送去顯示或報警接收數(shù)據(jù)返回圖5 接收通信子程序流程圖3. 本課題研究的重點及難點重點：傳感器的選取，無線數(shù)據(jù)傳輸。難點：低功耗發(fā)射，PCB環(huán)形元件的設(shè)計。4. 前期已開展

19、工作搜集輪胎壓力監(jiān)測的相關(guān)文獻，仔細研讀，了解其基本框架。搜集有關(guān)TPMS與RF發(fā)射與接收的相關(guān)內(nèi)容。熟練掌握單片機的應(yīng)用。5. 本課題的工作方案及進度計劃完成課題研究及設(shè)計的進度計劃初步擬定如下：(1) 1718周，前期準備工作，完成畢業(yè)設(shè)計所需資料的收集； (2) 1819周，完成開題報告的撰寫并進行開題答辯；(3) 19新學(xué)期第3周，完成輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計；(4) 45周，撰寫中期報告，進行中期答辯；(5) 611周，系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)所有編程，達到設(shè)計功能要求；(6) 1213周，撰寫設(shè)計說明書，定稿、打印、準備畢業(yè)答辯。 參考文獻1 宋偉.美國汽車安全標準新要求安裝輪胎壓力監(jiān)測器J.輕型汽車技術(shù),2002,6:78-79.2 羅小青.高速公路上的爆胎原因及預(yù)防措施J.公路與汽運,2001,2:17-18.3 桑永福.淺析影響汽車輪胎爆胎的因素J.江蘇交通,2002,4:36-37