维普资讯 http://www.cqvip.com 第３Ｏ卷第３期 合肥工业大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．３ ２００７年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍａｒ．２００７ 汽车轮胎压力监测系统 鲁照权，沈俊峰 （合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥２３０００９） 摘要：文章分析了汽车在行驶过程中轮胎的压力和温度对于轮胎的影响，说明了轮胎压力监测系统在安全 与经济方面的意义，介绍了目前ＴＰＭＳ的分类以及各自的优缺点，阐述了直接主动式ＴＰＭＳ的构成和原理； 并介绍了轮胎压力监测系统的各种元器件及选用标准，按照发展的历程，对机械式ＴＰＭＳ的传感器，直接主 动式ＴＰＭＳ的软件设计，基于表面声波的无源ＴＰＭＳ的原理做了详细的说明。 关键词：轮胎；压力；温度；传感器；监测系统 中图分类号：ＴＰ２７７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２００７）０３—０３１２—０４ Ｔｉｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ＬＵ Ｚｈａｏ—ｑｕａｎ， ＳＨＥＮ Ｊｕｎ－ｆｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｉｒｅ’Ｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｉｒｅ ａｓ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｓ ｅｘ－ ｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ（ＴＰＭＳ）ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｉｎ ｓａｆｅｔｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ＴＭＰＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｃｔｉｖｅ ＴＰＭＳ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＴＰＭＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅ～ ｃｈａｎｉｃａｌ ＴＰＭＳ．ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｃｔｉｖｅ ＴＰＭＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ＴＰＭＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｒｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｅｎｓｏｒ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ １轮胎压力监测系统（ＴＰＭＳ） 毛病；②轮胎下沉量大，轮胎凹陷，使用时容易产 生磨胎肩现象；③轮胎断面变形大，双胎并装间 轮胎压力监测系统（Ｔｉｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｏｎｉｔｏ— 距缩小，容易引起胎侧碰撞磨损；④轮胎发生不 ｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，简称ＴＰＭＳ）的作用就是在汽车的 正常磨损，减少轮胎寿命，为爆胎埋下隐患；⑤ 行驶过程中对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的 轮胎滚动阻力增大，燃料消耗高，转向性能差；紧 漏气和低压、高压进行报警，使得驾驶人员能够及 急制动时，若某侧轮胎压力偏低，就会造成车身偏 时地采取相应的措施，从而保证车辆始终处于安 转，甚至酿成事故。 全行驶状态 。 汽车在轮胎气压过高时行驶，会产生以下不 轮胎是汽车行驶过程中惟一与地面接触的部 利影响：①轮胎接地面积减小，磨损加重，而且还 件。轮胎承载汽车的全部质量，缓冲路面冲击，并 容易爆胎；②使轮胎的附着系数减小，降低刹车 通过与地面的附着力来产生驱动力和制动力。汽 时的制动效果，增大测滑量（尤其是在雨雪路面 车在轮胎气压不足时行驶，会产生以下不利 上），对行车安全造成较大的危害。 影响口］：①在同样承载条件下，胎体变形大，行驶 一般而言，轮胎气压不足是由于行驶中的缓 时轮胎温度升高，橡胶老化，容易产生帘线脱层等 慢漏气所造成；而轮胎气压过高则是由于在行驶 收稿日期：２００６—０３—２２；修改日期：２００６—０５—０９ 作者简介：鲁照权（１９６２一），男，安徽庐江人，合肥工业大学副教授，硕士生导师 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 鲁照权，等：汽车轮胎压力监测系统 ３１３ 过程中，轮胎内部温度升高所导致。通过室内试 的２０次采得的气压值都属于同一个胎压状态，则 认为气压状态是稳定（未必正常）的，就可以将该 胎压状态发送出去；若在２００次的连续采样次数 内，没有连续的２０次采得的气压值都属于同一个 胎压状态气压状态，则说明此时气压不稳定，就必 须重新开始新一轮的连续２００次采样 ］。目前还 有学者提出了一种三度ＥＭ的模拟方法，使得设 计开发人员能够在初期的设计和研发阶段评估在 验证明：一般认为提高气压２５ ，轮胎寿命将会 降低１５ ～２０ ；降低气压２５ ，寿命大约降低 ３０ 。汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形 越大（一般温度不能超过８０。，当温度达到９５。时， 轮胎的情况非常危险），每升高１。，轮胎磨损就增 加２ ；行使速度每增加１倍，轮胎行使里程降低 ５０ 。因此，不允许超温超速行使。一般轿车的 轮胎正常气压值在２１０ ｋＰａ左右，多座位商务车 （７～９座）在２４０ ｋＰａ左右为宜。 除了上面所提及的安全因素之外，轮胎气压 不足对于经济和能源方面也有重大影响。根据美 国能源部的调查，只要每一辆车的轮胎气压比标 准气压少０．１ ｋｇ／ｃｍ，美国每天就得多消耗１５００ 万公升的汽油。 ２ ＴＰＭＳ的分类与介绍 ＴＰＭＳ分为直接式（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｓｅｎｓｏｒ Ｂａｓｅｄ ＴＰＭＳ，简称ＰＳＢ ＴＰＭＳ）和间接式（ＷｈｅｅｂＳｐｅｅｄ Ｂａｓｅｄ ＴＰＭＳ，简称ＷＳＢ ＴＰＭＳ）２种类型。 （１）间接式ＴＰＭＳ。通过汽车系统的速度传 感器比较轮胎之间的转速差别，来监测２个轮胎 压力的相对变化以达到监控胎压的目的。它耐用 性强、可靠性高，不需要电池，也不存在受到无线 电波干扰的问题，不需要对汽车轮胎改装，成本比 较低；缺点是无法对２个以上轮胎同步变化的状 态和速度超过１００公里／／ｌ，时的情况进行判断。 （２）直接式ＴＰＭＳ。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车载无线接收器报警，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 波容易受到干扰及电池使用寿命的问题。 直接ＴＰＭＳ可以分为单向通信系统ＴＰＭＳ 和双向通信系统ＴＰＭＳ。目前大多数直接式 ＴＰＭＳ都是单向通信系统，即只存在从轮胎电子 模块到接收机的单向信息通路，轮胎模块工作在 完全自主的模式下。轮胎模块监测到胎压／温度 的变化或出现异常时，就发信息给接收机，但它无 法确保接收机能够正确接收到此信息。由于汽车 在实际行驶过程中，轮胎气压总是在一定范围内 波动变化的，为了检测到轮胎气压的准确状态，程 序设计为在２００次的连续采样次数内，若有连续 不同测试环境下ＴＰＭＳ的性能 ｊ。除单向通信 外，还有一种双向通信系统。双向通信是指系统 的遥感传感器及射频收发模块响应车体频收 发和信息处理模块发来的状态报告要求，立即向 车体频收发和信息处理模块报告轮胎目前的 工作状况，遥感传感器及射频收发模块具备无线 射频收发功能，永远处于待机状态，无条件地接受 车体频收发和信息处理模块的指挥。 还可以根据传感器将ＴＰＭＳ分为内置式 ＴＰＭＳ和外置式ＴＰＭＳ。内置式ＴＰＭＳ是将压 力传感器和信号发射部分直接固定在车轮钢圈 上，主要用于真空胎，一般为汽车生产厂或轮胎生 产厂选用，需根据各厂商的不同车型或轮胎胎压 要求进行订制，可解决汽车厂商的一体化要求。 外置式ＴＰＭＳ安装简单，适用于各种轮胎，但安 装后需对轮胎的平衡性等指标进行调校，以达到 安全目的。 （３）直接主动式ＴＰＭＳ的原理。目前大多 数厂家研制和汽车所使用的都是直接主动式 ＴＰＭＳ，其原理框图如图１所示 Ｊ。 （ａ）采样端 （ｂ）监测端 图１ ＴＰＭＳ原理框图 ＴＰＭＳ系统主要有如下２个部分组成：①安 装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块（采样 端）；②安装在汽车驾驶台上的监视器（监测 端）。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温 度模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线 电波（ＲＦ）发射出去。一个ＴＰＭＳ系统有４个或 维普资讯 http://www.cqvip.com ３１４ 合肥工业大学学报（自然科学版） 第３０卷 ５个（包括备用胎）ＴＰＭＳ模块。 监视器接收ＴＰＭＳ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，发出报警信号，提醒驾驶 者采取必要的措施。 ３ ＴＰＭＳ元器件介绍及其选用标准 在ＴＰＭＳ系统开发上，重点在于采样端。多 数方案组成都分为５部分，它们是整合了具有压 力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ＡＳＩＣ 芯片组合的智能传感器、４—８位单片机ＭＣＵ （Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、射频收发芯片ＲＦ（Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）、锂亚电池和天线等。由于汽车轮胎 现在大多都是没有内胎的真空子午胎，因此，将 ＴＰＭＳ的轮胎压力监测模块安装在轮毂上是十 分方便和容易的，但是汽车在高速跑动时轮胎内 环境和温度是十分恶劣的，压力、温度、湿度变化 特别大，所以该模块的设计要按军级产品的要求 来选用元器件，按工业产品的要求来制订生产工 艺，然而它又是一个量大面广的汽车通用安全产 品，则要按消费电子产品来定价。 （１）传感器。是整合了硅显微机械加工 （ＭＥＭＳ）技术制作的压力传感器、温度传感器、 加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含模 数转换器（ＡＤｃ）、取样／保持（ｓ／Ｈ）、ＳＰＩ口、校准 （Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）、数据管理（Ｄａｔａ）、ＩＤ码的数字信 号处理ＡＳＩＣ单元或ＭＣＵ，模块具有掩膜可编 程性，即可以利用客户专用软件进行配置。它是 由ＭＥＭＳ传感器和ＡＳＩＣ／ＭＣＵ电路２块芯片， 用集成电路工艺做在一个封装里。为了满足需 要，当代的ＴＰＭＳ基于压力传感器，包含了专门 用来调节压力和温度信号的ＡＳＩＣｌ６Ｊ。、ＡＳＩＣ就 是一个专用集成电路，指能被对半导体物理和半 导体工艺不是很了解的工程师设计的一种芯片。 （２）ＭＣＵ。选择要求是低功耗和汽车级使 用温度，选其功能够用即可。为使ＭＣＵ能够达 到电流预算的所有功能，断电模式最重要。时钟 系统是ＭＣＵ功耗的关键，应当用可以每秒多次 或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退 出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重 要，因为ＣＰＵ会在等待时钟稳定下来期间浪费 电流。大多低功耗ＭＣＵ都具有“即时启动”时 钟，其可以在不到５～１０ ＵＳ时间内为ＣＰＵ准备 就绪。某些ＭＣＵ具有双级时钟激活功能，该功 能在高频时钟稳定化过程中提供一个低频时钟， 其可以达到１ ｍｓ。ＣＰＵ在大约１５ ＵＳ时间内正 常运行，但是运行频率较低，效率也较低。利用 Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＣＵ ＭＣ６８ＨＣ９０８和无绳电话子系 统芯片ＭＣ１３１０９实现的无线数据传输模块，可 以地完成通信过程的智能化控制，自动的在 数１０个信道中选择最优通道进行双工或半双工 通信，在较大的通信范围内，传输速率可以达到 ９．６ ｋｂｐｓ以上 。 （３）ＲＦ芯片。选用的要求是发射功率尽可 能大，接受灵敏度尽可能高；芯片外型尺寸尽可能 小；具有比较好的性能／价格比；ＲＦ器件还要考 虑待机功耗和晶振启动时间。晶振启动时间将影 响功耗。通常一个完整的数据包（６４～１２８位）以 ２．４～２０ ｋＨｚ的速率发送。并且ＴＰＭＳ产品其 发射功率不能超过１０ ｄＢｍ，否则要接受无线电管 制。利用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司研制的发射芯片 ＭＣ３３４９３和接收芯片ＭＣ３３５９４都达到了汽车级 温度（发射芯片为１２５℃，接收芯片为１０５。Ｃ），完 全可以解决耐高温的问题，且工作性能极好。它 们与单片机一起构成的接口电路成为ＴＰＭＳ系 统中无线数据传输的重要组成部分 Ｊ。 （４）电池。选用锂亚电池，以保证远程轮胎 压力监测模块在高低温环境中都能正常工作。轮 胎压力监测模块的整体电源管理是十分重要的， 一个锂亚电池要向这个模块提供３～５ ａ的工作 能源，做好电源管理和如何省电是关键所在。 （５）天线。是远程轮胎压力监测模块发射功 率提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材 料及介质等诸多因素。ＴＰＭＳ发射器的天线靠 近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考 虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高 速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。螺旋 天线可能是一种比较好的选择，它可扩大发射和 接收的角度，有效地克服静动态盲点Ｌ９Ｊ。 ４ 目前的常用系统 （１）直接主动式ＴＰＭＳ。这是目前市面上出 现的ＴＰＭＳ产品的主流，它属于直接主动式 ＴＰＭＳ。它的基本工作原理在前面已经做了详尽 的说明，图２、图３所示为监视模块和接收模块的 软件流程图 。 （２）机械式的ＴＰＭＳ。属于直接主动式 ＴＰＭＳ，它将ＴＰＭＳ系统分为轮胎模块和接 收模块２部分。其中轮胎模块由压力传感器、控 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 鲁照权，等：汽车轮胎压力监测系统 ３１５ 制器和发射机组成；接收模块由接收机、控制 器和显示报警部分组成。机械式的ＴＰＭＳ与其 的发展上，也具有相当的潜力，因为ＳＡｗ组件的 敏感度高，当晶体受到扰动影响，所产生的频率漂 移都在数百ｋＨｚ问，利用目前的量测仪器，可精 他ＴＰＭＳ的主要区别在于其压力传感器部分使 用的是机械式压力传感器 。 图２监视模块软件设计流程图 初始化Ｍｃｕ 配置Ｔ５７５３｝‘— ＬＣＤ显示 竺堡垫塑卜＿ ’ 函校 轮 胎 校验数据 错 ＩＤ 数据处理 错 ＩＤ 误 正 确 图３接收模块软件设计流程图 （３）基于ＳＡＷ的无源ＴＰＭＳ。属于直接主 动式ＴＰＭＳ，但是在采样端不需要电池。 表面声波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ，简称 ＳＡＷ）是由英国物理学家瑞利在１８８５年发现的。 他发现在弹性晶体的表面上尚存在一种形式的波 动，称为表面声波。并以波动数学理论证明其现 象，故此表面声波亦称为瑞利波。只是当时他的 研究结果，并没有引起任何在实务发展上的回响。 直到１９６５年，加州大学柏克莱分校的Ｒ．Ｍ． ｗｈｉｔｅ与Ｆ．Ｍ．Ｖｏｌｔｍｅｒ２位教授，将指状电极 （Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ，简称ＩＤＴ）结构制作在 压晶体管的表面，并成功地产生了表面声波讯号 后，才正式开启了表面声波组件的应用。 由于ＳＡＷ组件可藉由不同的电极结构设计 来产生不同的频率响应，故此后的３０ ａ，ＳＡＷ组 件被广泛地运用在各类通讯领域的振荡器、谐振 器及滤波器等电路中。另外，ＳＡＷ在感测技术 确侦测到１ Ｈｚ的微小变化量。Ｍｅｌｅｘｉｓ的ＴＰＭＳ 方案，正是利用了ＳＡｗ的这些特性。它们的方 案在每个轮胎内放置３个ＳＡｗ，然后，以发信机 发射ＲＦ信号给这些ＳＡＷ，由于轮胎内的压力或 温度都有变化，所以ＳＡＷ发射回的信号频率就 有了变化，天线接收到变化的ＲＦ信号后，再送到 ＤＳＰ进行处理，根据特定的算法就可以知道轮胎 内的压力、温度情况。由于ＳＡｗ是无源器件，所 以无需电池。这个方案的关键就是ＳＡｗ对温 度、压力的变化要有对应的数据，目前Ｔｒａｎｓｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司、Ｅｐｃｏｓ等都提供这种元件。 ５结束语 随着汽车工业和汽车电子的发展，ＴＰＭＳ将 成为每１辆汽车所必配的产品，如何使开发和投 入生产使用的产品做到电池功耗最小（甚至于无 需电池），天线和ＲＦ射频收发抗干扰能力更强， 这些都是需要深入研究和急待解决的问题。 参考文献 ［１］姜立标，王京春，姜辉．高级轿车轮胎气压监视系统［Ｊ］． 齐齐哈尔大学学报，２００３，１９（４）：３５—３８． ［２］苏楚奇，张晴．轮胎压力监测技术Ｉ－Ｊ］．北京汽车，２００５， （１）：２３—２５． 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