汽车轮胎预警监测系统设计

0 引言
据统计，在我国高速公路上发生的交通事故中，46％是由于轮胎故障引起的，其中爆胎占70％。轮胎内压力和温度是引发轮胎故障的关键因素。在汽车行驶中，轮胎的气压过高，会减少轮胎与地面的接触面积和减震空间，严重影响轮胎与地面的摩擦力和轮胎的减震效果。除了影响汽车性能外，还会对汽车的悬挂系统造成很大的冲击。轮胎气压过低，轮胎的应力变形增加，在交变应力的作用下导致汽车轮胎的温度升高，温度过高时，轮胎的热学性能和力学性能会明显下降，从而导致轮胎寿命下降，甚至爆胎。同时轮胎的磨损加快，轮胎的载荷承载能力明显下降，摩擦阻力增加，油耗上升。维持轮胎在正常气压和温度范围内工作，是避免轮胎故障的关键。汽车轮胎压力监测系统(Press ure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System，PSB TPMS)主动监测轮胎内压力和温度，预警轮胎异常，有效避免由轮胎故障引发的交通事故，是汽车电子向主动安全发展的重要方向。

1 系统组成及工作原理
直接式TPMS包括轮胎监测模块和中央监视模块两部分，系统的结构图如图1所示。

轮胎监测模块由带有补偿功能的高集成MPXY8020A传感器、 德州仪器 公司生产的CC2530系统级射频单片机、天线和锂电池组成。该模块主要功能是周期性被唤醒，MPXY8020A传感器测量轮胎压力和温度，CC2530采集的轮胎压力、轮胎温度和电池电量信息，并将这些信息打包成数据帧，按照IEEE 802．15．4协议通过RF射频前端无线发送到中央监视模块。
中央监视模块由CC2530、天线、LCD、LED指示灯和锂电池组成。该模块解析接收到的数据帧，将轮胎压力、温度和监测模块的电量实时显示在LCD上面。当测量值超过警戒范围时，LCD上面相应位置的轮胎会变成红色并闪烁，相应的LED闪烁。
中央监视模块与轮胎监测模块的无线通信采用ZigBee联盟制定的高可靠、高性价比、低功耗的IEEE802．15．4协议。在协议规定的网络拓扑结构中，中央监视模块作为协调器，轮胎监测模块作为终端设备。在本系统中终端设备和协调器组成星形网络拓扑结构，终端设备将采集的压力、温度和电量信息发送到协调器设备。网络拓扑结构如图2所示。

2 TPMS硬件选型和电路设计
2．1 轮胎检测模块
鉴于轮胎检测模块安装在轮胎内部，不可经常拆卸更换电池，因此模块可用能源有限，必须采用低功耗的传感器、RF射频模块和MCU；为了防止模块的重量引起轮胎较大偏心造成轮胎震动影响汽车性能，模块的质量必须控制在一定范围内。
传感器采用集成温度和压力传感器的高集成低功耗MPXY8020A。MPXY8020A有多种功耗模式，通过设置引脚1(S1)和引脚2(S2)的高低配置工作模式。各种模式下传感器的功耗如表1所示。

MPXY8020A的引脚4(OUT)有两种功能：当处于空闲模式时，大约每隔3 s输出一个370μs的低电平来唤醒外部采集设备；当处于数据输出模式时，该引脚根据采样值和D／A中值的关系输出不同的电平。输出为高电平时，表示测量完成。 [p]

RF射频模块和MCU选择 德州仪器 公司的片上级系统CC2530。CC2530集成了工业级的8051和工作在2．4 GHz免费频段且符合IEEE802．15．4协议标准的RF射频前端；内部集成了ADC，可用来检测电源电压；CC2530具有多种功耗模式，通过电源管理可以大幅度降低系统的功耗。各种功耗模式的功耗如表2所示。

轮胎检测模块的硬件电路如图3所示，MPXY8020A的引脚1(OUT)连接到CC2530的P1_3引脚上面，周期性唤醒CC2530；由于检测模块的工作环境复杂恶劣，为了防止程序跑飞，MPXY8020A的引脚5(RESET)连接到CC2530的第20(RESET)引脚，每个52 min MPXY8020A输出一个低电平复位CC2530；为了防止来自外界的电磁干扰引起逻辑电路的误判断，未使用的引脚外接10 kΩ电阻拉低。

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程序流程图如图6所示。

3．3 监视模块软件设计
当接收到轮胎检测模块的数据帧时，监视模块MCU被唤醒，系统启动解析数据帧，识别轮胎，在LCD上面相应轮胎位置处显示此轮胎的压力和温度。通过按键配置安全阈值，当轮胎的压力和温度偏离标准值高于安全阈值时，LCD上轮胎图标由绿色变成红色，同时绿色LED常亮变成红色LED闪烁。
为了防止汽车行驶过程中，由于路面的凹凸不平和汽车载荷的变化，引起轮胎压力出现尖峰波动，引发系统错误警告，通过软件方法将压力尖峰波动过滤。
监视模块接收四个轮胎数据帧的周期大于5 min，系统将关闭LCD显示和LED指示灯，自动进入休眠状态。进入休眠状态后，系统只有在2 min内连续检测到至少两个轮胎的数据帧时，系统判定汽车正在行驶则退出休眠。软件流程图如图7所示。

4 结论
实际轮胎工况十分复杂，直接式TPMS是主动预警轮胎故障最直接的方法，但其寿命受到电池电量的限制。采用低功耗设计，优化硬件和软件，可延长TPMS系统寿命1～2年。采用高集成度芯片减小检测模块的质量和体积，可降低轮胎偏心。通过滤除干扰因素引起的轮胎压力尖峰，可使轮胎压力测量更加准确和稳定。系统定时复位，可防止程序跑飞，增加了系统的稳定性和准确性。