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摘要：轮胎压力传感器无论台架试验还是各种情况的道路测试，系统保持高可靠性，系统低频收发准确率和高频收发准确率达到98% ，当轮胎出现异常危险情况时，汽车仪表盘显示相关报警信息，实时提醒驾驶者，将因轮胎气压问题造成的事故消灭在萌芽之中，增强了汽车行驶的安全性。本系统成功应用将会对汽车行驶安全系统带来更高使用价值和社会价值。
关键词：系统描述；电路设计；天线设计；结构设计；
1 系统描述
在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器,它能够准确测量轮胎内部的压力和温度,传感器通过无线形式按照一定的规律向车身控制器 (Body Control Model ,BCM)发送轮胎的压力值和温度值,BCM通过CAN总线将信息发送给仪表盘 ,驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值,仪表盘能够准确显示报警轮胎的位置 ,并发出图形、声音、文字报警。同时安装于每个轮胎挡泥板位置处的低频天线与BCM进行信息通信,并将BCM需要汽车胎压监测传感器何种操作信息解析并转换为 125 kHz低频无线数据发射出去 ,汽车胎压监测传感器将接收此低频无线信号,然后按照解析后的操作信息进行工作 。以上就是 TPMS 双向通信系统。由于该产品是汽车产品的安全件 ,其应在各种环境下具有高可靠性,各种环境为 :各种天气情况下 ,例如阴天、下雨等不同天气环境 ;各种路况 ,例如国道、高速、乡村公路 、山路等等 ;冬季中的雪路、冰面 、极其寒冷地区(-40 ℃);夏季中的炎热、潮湿地区(地表温度 +50 ℃,90 %湿度);不同的车速(0 ～ 200km/h)等 。这就需要在设计汽车胎压监测传感器时要严格选择各个器件 。
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2 电路设计
由于汽车胎压监测传感器是安装在轮胎内部，不与外界接触，这就要求不能过于频繁的维护修理，一般要求有10年或10万公里使用工作寿命，而且其工作温度范围为：-40～+125℃，这就要求所选择的器件都要是汽车级和低功耗元器件。
系统分为采集部分、处理部分、驱动部分。采集部分为压力检测、温度检测、电压检测和运动检测。温度检测用于测量轮胎内部温度，也用于压力测量时的温度补偿。压力检测用于测量轮胎内部绝对压力；电压检测用于测量供电电池电压；运动检测用于监视汽车行驶状态；驱动部分为低频驱动和高频驱动组成。低频驱动负责125k H z低频数据接收，高频驱动负责433.92M H z高频数据发射；处理部分由M C U 完成，负责按照一定算法策略协调采集部分和驱动部分工作。电池选择以色列 Tadiran 电池公司推出的高温系列电池(TLH),供电电压 +3 .6 V ,电池容量 500 mAh , 具有寿命长 、能量密度大 、自放电极低 、重量轻(8.8 g)、温限宽(-55 ～ +125 ℃)等特点 。
3 天线设计
天线的性能将直接影响数据传输的质量 ,它是汽车轮胎监测传感器发射功率提升的重要因素 。汽车轮胎监测传感器的天线靠近气门嘴 ,因而在设计天线时必须考虑轮胎金属丝的屏蔽 ,轮辋金属的反射影响 ,以及车轮高速旋转时天线不断变换方向 、角度的影响等 ,所以天线设计时必须考虑以下因素 :极化选择 ,线极化容易受到天线姿态的影响 ,旋转的车轮对天线的工作极化要求相对较高 ;天线与射频模块连接 ,需要解决好阻抗匹配的问题 ,这也是天线设计的重点 ;由于轮胎压力传感器安装在轮胎内 , 受到车身 、天线运动等对性能的影响 , 主要是指对天线的增益 、方向图形状 、阻抗(电阻和电抗)等的影响 ;小型化设计 ,安装在轮胎内部的天线 ,必须考虑小型化设计 ,433 .92MHz 的工作频率 ,波长为 691 .37 mm ,常规的天线尺寸一定不能满足要求 。基于以上考虑 ,选用气门嘴作为发射模块的天线 , 这种天线具有加工容易 、成本低 、易于一体化设计 、易于匹配等优点 。
气门嘴天线是国内外目前汽车轮胎监测传感器常用的天线形式 ,它属于小天线的范畴 ,小天线的设计重点在于结构尺寸的设计和匹配电路的设置 。因为小天线的辐射电阻一般比较小(几 Ψ), 导致小天线的辐射效率一般比较低 ,而且辐射阻抗中的往往存在虚部 ,这种储能因素将导致辐射效率进一步降低 。虚部可以通过匹配电路予以解决 ,但实部电阻需要与发射芯片的射频输出引脚的阻抗进行匹配 , 这也是发射小天线的设计重点 。本方案采用的天线加载方式 , 通过内部匹配黄铜片进行加载 ,其类似于倒 F 天线加载方式。经过台架试验和路试 ,表明我们的设计思路和匹配方法是有效的 。
4 结构设计
轮胎压力传感器安装在汽车轮胎内部，由气门嘴、壳体和防尘帽组成。汽车行驶速度最高可达250k m /h，而且轮胎内部环境复杂且异常恶劣，长期处于高压、高湿、温度交变、油污、颠簸震动等环境中。温度高低变化容易使壳体脆化并使机械强度降低，高湿情况下也会使壳体发生膨胀、强度降低并产生腐蚀等化学反应。轮胎行驶在各种路面上，颠簸震动频率幅度都各不相同，这些情况都可能导致零部件松脱。这就要求系统结构设计考虑如下几点：系统总重量要轻（小于40g）、耐速旋转加速度性能高、结构断裂强度高、密封性高（IP6防护等级）、结构和气门嘴材料选择耐高低温和耐腐蚀材料、气门嘴与轮辋接合处有防松动设计。
5 结束语
当汽车轮胎压力出现问题时，不仅会减少轮胎的使用寿命和增大油耗，甚至会导致爆胎等危险情况的发生。汽车胎压监测传感器能够实时准确地测量当前轮胎压力和温度值，当轮胎出现异常危险情况时，传感器将通过无线电信号发送给车汽车仪表显示并报警，达到实时提醒驾驶者的效果，将事故消灭在萌芽之中。
参考文献：
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[3]杨晔. 基于MSP430的汽车胎压监测系统设计[D].吉林大学,2014.
[4]赵小峰. 轮胎温度压力监测系统的研究[D].太原理工大学,2014.
论文作者:王勇泽
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/24
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