轮胎压力监测系统的发展毕业论文

聊城大学本科毕业论文 本科生毕业论文(设计)题 目: 轮胎压力监测系统的发展专业代码：交通运输（081201） 作者姓名： 学 号： 2005204067 单 位：汽车与交通工程学院 指导教师: 聊城大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期指 导 教 师 签 名： 日期 20摘 要TPMS是轮胎压力监视系统“Tire Pressure Monitoring System”的英文缩写形式，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车乘车人的生命安全保障预警系统。文章绪论简要论述了课题研究的背景、现状、目的、内容和意义。正文开始从介绍直接式TPMS和间接式TPMS的原理比较其优缺点入手，引入本文的研究重点直接式TPMS。文章介绍了直接式TPMS的框架结构、分类、涉及的关键技术、主要产品、安装车型以及直接式TPMS的发展趋势。人们在研究TPMS的同时随着计算机、电子技术、人工智能、通讯技术的发展和广泛应用，人们开始考虑轮胎压力、温度的自动检测和报警，这就出现了智能轮胎。关键词：直接式TPMS；关键技术；发展趋势AbstractTPMS Tire Pressure Monitoring System is Tire Pressure Monitoring System form of the letters,mainly for real-time driving in the car on the automatic monitoring of tire pressure on a flat tire and the low pressure alarm in order to protect the safety,which is driving car travel safety and security of human life early warning system. The article discusses the research background, status, objectives, contents and significance briefly. The body from introducing direct TPMS and the principle of indirect TPMS compared their advantages and disadvantages to start with the introduction of this article focus on direct TPMS. This paper introduces the framework of a direct-type TPMS structure, classification, key technologies involved, the main products, the installation of a direct-type TPMS models and trends. With the study of TPMS as the computer, electronic technology, artificial intelligence, communication technology development and wide application, people start thinking about tire pressure, temperature, automatic detection and alarm, which appeared in intelligent tire. Key words: direct TPMS; key technology; development trend目 录前言11绪论111 课题产生的背景112 国内外研究的现状213 研究目的和意义414 研究的内容4直接式TPMS和间接式TPMS的原理及其优缺点4直接式TPMS的框架结构和涉及的关键技术631 直接式TPMS的框架结构及分类632 直接式TPMS 涉及的关键技术8TPMS主要产品和安装车型13直接式TPMS和智能轮胎的发展趋势15 51 直接式TPMS的发展趋势15 52 智能轮胎的发展趋势17结论18参考文献19致谢20轮胎压力监测系统的发展前言轮胎是关系到汽车行驶安全的重要部件。作为重要的支撑元件和行走元件，轮胎不仅承载着汽车的全部质量，还要给汽车前进提供推进力，同时起到缓和地面冲击的作用。由于是在高速度，高摩擦，高负荷，高温度下工作，其工作条件非常恶劣，一旦出现故障，轻者造成行车不便，重者便导致爆胎，引发严重的交通事故。因此，对轮胎状态的实时监测是避免轮胎故障，提高汽车安全性能的有效手段。1绪论11 课题产生的背景轮胎压力对汽车安全行驶非常重要，其性能的优劣将直接影响汽车的驱动性，通过性，平顺性，稳定性，安全性和舒适性等。在引起交通事故的原因中，轮胎问题排在第三位。轮胎气压不足，将加大胎侧的弯曲变形，易导致胎内内壁帘线松散。当轮胎气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，加剧磨损，花纹底部开裂，又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面间的动载荷，汽车的平顺性变坏。轮胎的回正力矩减小，促使汽车操纵性降低。行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导致轮胎使用寿命的缩短。而轮胎与路面之间动载荷的增大，也意味着轮胎与路面之间的最小正压力减小，从而降低车轮的地面附着力，影响汽车的行驶安全性。当汽车高速行驶时，如果轮胎气压低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不同，易造成行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎压力不同，易造成局部超载而加剧轮胎的磨损；气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损。汽车在高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。根据统计，全球每年约有117万人因公路事故死亡。超过1千万人受伤或致残。美国汽车工程师学会的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而75%的轮胎故障是由轮胎气压不足或渗漏造成的。2000年，美国国会通过了关于修改联邦运输法的TREAD法案。2002年，美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)出台正式条例规定，2003年11月以后出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监测系统，2007年以后安装数量将达到100%，并制定了轮胎压力监测系统的技术规范。TPMS己经成为继安全带及安全气囊之后的第三种由法律规定强制安装的汽车安全产品。在我国，近年来各地交通事业不断壮大，道路交通安全的形势十分严峻，1999-2000年间每年交通事故死亡人数连年增长，2003年我国发生重特大交通事故70万起，直接经济损失27.8亿元，其中高速公路46%的事故是由轮胎故障引起的，仅爆胎一项就占事故总量的70%，轮胎故障引发的人员伤亡和经济损失巨大，怎样防止爆胎已成为汽车安全的热点问题。研究表明，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，于是汽车轮胎压力监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)得到开发与使用。中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点，每年的增长速度可达50%。其中，TPMS技术产品2005年底的市场容量为20万套；2006年为50万套，近17亿元。美国、欧洲已先后立法，要求在今后的几年内实现汽车全部安装TPMS，因此，对TPMS的需求量与日俱增，因此一套安全、可靠、方便、成本低廉的TPMS系统将会有广阔的应用前景2。12 国内外研究的现状轮胎压力监测技术的研究在发达国家开展的较早，加上强制法规的推广，己经得到了普遍的认可和较大范围的应用。日本、美国、德国、法国、英国在近几年都取得了相应的进展，出现了一批新产品。早在1996年丰田就有一种系统应用于当时生产的Mark11型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。约翰进公司的轮胎气压实时监测系统被国际汽车工程(AE1)评为2002年度20个最有价值的汽车产品之首。这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相关产品问世，如西门子VDO汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵(Tire Guard)监测装置，英国A.1.R.汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神(Tire shield)监测装置；法国米其林集团公司与威柏可公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置。从最近发布的世界新车资料中得知，许多美国及欧洲的汽车厂商已将直接式TPMS配装于中高档车之中。其中包括德国宝马的Z8、法国雪铁龙的C5、美国福特公司的林肯大陆、克莱斯勒与道奇迷你箱型车以及Chrysler 300M与Concorde Limited客车、旁蒂克的旗舰Bonneville SE等3。而在国内，轮胎压力监测技术的发展还很滞后。在市场方面，由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS系统，而载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS系统费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位。在技术方面，国内轮胎压力监测系统的相关产品推出较多，但都是属于零售安装的简易系统，这方面的技术成熟产品还很少。性能可靠、功能完善、技术成熟的都是代理国外大公司的品牌产品。TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品。大多数厂家只是买来飞思卡尔、英飞凌、通用的零组件组装起来做成成品，缺乏核心技术。然而，由于轮胎压力监测系统的相关产品正成为新的汽车电子技术热点，巨大的市场容量，良好的发展前景，使国内在产品的研发和市场的推广上仍然保持着极大的热情和投入。目前，TPMS主要分为两种类型：一种是间接式TPMS，它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的，其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里小时的情况进行判断。另一种是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的以锂亚电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压、温度，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高或温度太高时，系统就会自动报警。直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS5。13 研究目的和意义本课题研究的目的是设计基于直接式TPMS，介绍直接式TPMS的框架结构和涉及的关键技术，论述直接式TPMS的发展趋势。课题的经济意义在于，提高汽车的安全品质，增强汽车高速行驶的安全性能，并以提高技术档次和有竞争力的成本使国产汽车电子产品更为普通汽车消费者所接受，使消费者获得性价比更佳的产品服务。课题的社会意义在于，有效降低行车中因轮胎故障引发的交通事故，减少由此而带来的重大经济损失和人员伤亡。14 研究的内容1分析直接式TPMS和间接式TPMS的原理及其优缺点。2TPMS的框架结构和涉及的关键技术。3直接式TPMS（有源）主要产品及安装车型。4直接式TPMS和智能轮胎的发展趋势。直接式TPMS和间接式TPMS的原理及其优缺点 目前简单的TPMS有直接式和间接式两种类型。直接式TPMS需要在每个轮胎中安装压力传感器，直接测量轮胎充气压力。传感器将压力信息通过RF（Radio Frequency，射频）信号发送到中央接收单元进行数据处理。直接式TPMS能够监测所有轮胎的压力，只要轮胎出现压力损失，即使很小也能监测到，可靠性与灵敏度较高。直接式TPMS（有源）主要由压力与温度传感器、胎内微控制器与发射器、车内中央处理单元（包括接收器）、报警显示单元4部分组成。传感器和胎内微控制器与发射器组成胎内电子包。图1为系统工作示意图。传感器测出温度信息和气压信息并转换为电信号，微控制器对电信号进行A/D转换、数字信号调制、信源编码，由射频发送芯片以一定的频率（通常为315MHz或434MHz的中心频率）、一定的模式（通常为OOK/FSK）发射出去。中央处理单元的接收芯片以相同模式接收由发射器发送的射频信号并传送到微控制器，微控制器检查数据帧后进行数据处理，并与轮胎低压限定值及温度设定值进行比较，如果出现异常，指示灯和液晶显示器就会显示报警4。间接式TPMS不需要额外安装传感器。目前的间接式TPMS借用ABS中的轮速传感器测量4个车轮的转速。当某个轮胎的压力下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大。系统主要通过比较两条对角线上车轮转速的总和（右前和左后轮速的总和与左前和右后轮速的总和）来判断是否出现压力下降。这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。因此，如果目前的间接式TPMS把某个车轮的轮速与4个车轮轮速的平均值相比较，则车辆在转弯或曲线行驶时，系统会发出错误报警。同理，如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统也会发出错误报警。射频接收芯片（解调输出数据）射频发送芯片微控制器（A/D转换,信号调制编码）压力、温度传感器微控制器（数据处理、判断、决策）射频发送芯片微控制器（A/D转换,信号调制编码）压力、温度传感器接收天线声波报警液晶显示SCI发射天线MANCHESTGR编码压力检测模块（1号轮胎）压力检测模块（n号轮胎）发射天线图1直接式TPMS（有源）工作示意目前的间接式TPMS有明显的局限性6：1只有在1个轮胎或对角线上的2个轮胎以及3个轮胎的压力低于其它轮胎压力30以上，才能监测到低压现象。如果4个轮胎全部处于明显低压状态，间接式TPMS将不能报警。2如果同轴或同侧的2个轮胎处于明显低压状态，间接式TPMS也不能监测。3系统没有识别功能，只能提示轮胎压力不足，不能判定是哪一个轮胎出现不足，必须人工检查才能确定。4系统反应速度慢。ABS中央处理单元需要进行繁琐的数据处理和自我检测，以防系统出现误诊断，因此向驾驶员发出的信号迟缓。在车速超过100km/h时系统不能进行判断。5在调查中发现，使用目前的间接式TPMS的轮胎，在处于明显低压状态时只有占调查总数的50发生了报警，而直接式TPMS都能发出报警。通过以上对直接式和间接式TPMS的比较可发现，虽然直接式TPMS比间接式TPMS需要额外的硬件设备，价格相对昂贵，但其可靠性远远高于间接式TPMS。随着电子技术以及传感技术的发展，直接式TPMS的成本将会迅速下降，如果生产形成规模，成本将不再是推广直接式TPMS的障碍。直接式TPMS的框架结构和涉及的关键技术31 直接式TPMS的框架结构及分类311 直接式TPMS的框架结构8目前，直接式TPMS系统主要有两个部分组成：安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块RTPM(Rlen Tire Pres Motoring)和安装在汽车驾驶台上的中央监视器(LCD显示器)。远程轮胎压力监测模块负责将测量得到的信号调制后通过高频无线电波(RF)发射出去。中央监视器接收RTPM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，发出不同的报警信号，提醒驾驶者采取相应的措施。一般一个TPMS系统有4个或5个(包括备用胎)RTPM模块。远程轮胎压力监测模块(即副机模块)由五个部分组成：(1)具有压力、温度、电压检测和后信号处理ASIC芯片组合的智能传感器SoC；(2)4-8位单片机(MCU)；(3)RF射频发射芯片；(4)锂亚电池；(5)天线。如图2所示：温度传感器加速度传感器电压监测电池S/HADCSPICallbrationData&IDMCURF发射器天线压力传感器图 胎压遥测模块框图312 直接式TPMS的分类1使用电池方案即固定于轮胎内部的胎压遥测模块用自带电池工作。此方案是当前市场的主导类型。TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。使用电池方案技术的优点是，它是一成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但TPMS传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端：(1)电池的使用时间直接影响整个胎压遥测模块的使用时间，一旦电池耗尽，模块即需更换。(2)胎压遥测模块质量较大。仅电池的重量就在10g左右。胎压遥测模块的安装会使轮胎质量分布不均匀，偏在车轮的内侧或外侧，从而引起车轮中高速时产生偏摆运动。若要使重量均匀分布就必须进行轮胎动平衡校正。2无电池方案即轮胎内部传感器不使用电池供电。用一个中央收发器代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发器（代替了发射器）接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。因此，无电池TPMS短期内还难以流行。32 直接式TPMS 涉及的关键技术321 可靠性TPMS是一种行车安全系统，可靠问题已成为该系统首要解决的问题。要保证TPMS的可靠工作，首先所有元器件要非常可靠，特别是用于轮胎检测模块的元器件。由于轮胎检测模块安装在轮胎上，环境温度变化大，所有器件包括TPMS传感器、RF发射芯片、MCU等必须满足礴0125的使用温度范围。其次，无线信号传输和接收要可靠。这主要表现在系统具有抵抗其他电子设备干扰的能力、汽车高速行驶时中央模块接收轮胎模块信号的能力、信号免碰撞的能力以及系统避免误报等的能力。322 电源目前安装在车身上的TPMS中央接收/显示模块由汽车电源供电，而安装在轮胎上的检测模块主要采用纽扣电池供电。因为纽扣电池的能量非常有限，如何实现轮胎检测模块的低功耗，延长电池使用寿命成为当前研究的一个热点。目前主要通过选用低功耗的芯片、比能量高的电池、唤醒技术以及一些低功耗算法实现系统的低功耗。只有在大多数时间让系统处于断电状态或睡眠状态，才能省电与延长电池的使用寿命。在以往的TPMS设计中通常让系统处于断电状态实现低功耗，系统通过在电池处串联一个加速度开关来实现轮胎检测模块的静止断电和运动工作。汽车行驶时，当加速度大于加速度开关的动作门限时，加速度开关闭合，电源接通，TPMS开始工作。这种方法虽然可以极大地降低系统功耗，但是当汽车处于低速并且加速度变化较大时，轮胎检测模块会频繁启动，给系统带来不稳定的因素。现在的通用方法是让系统大部分时间进入睡眠状态以实现低功耗，其唤醒方式主要有定时唤醒和低频唤醒两种。低频唤醒是通过在轮胎检测模块和中央接收模块之间增加一条低频通信链路实现的，低频信号一般为125KHz，中央接收模块可以通过此链路向轮胎检测模块发送唤醒信号。RF发射器是轮胎检测模块中耗电量最大的器件，其工作电流很大，减小其发射频率可以大大降低系统功耗。目前一些TPMS传感器集成了加速度传感器，如英飞的SP12、SP30、SP5以及GE的NRPX卫星传感器，系统可以利用该传感器检测的加速度大小控制RF发射的频率，从而降低TPMS功耗。323 轮胎检测模块的定位TPMS中央显示模块显示的轮胎位置和检测模块安装的轮胎位置有着一一对应的关系，这个关系在TPMS出厂前或者第一次安装时就已经设置好，如图3所示。TPMS中央接收显示模块存储有每个TPMS传感器的ID码，一个ID码对应一个轮胎位置，当轮胎检测模块发射轮胎数据时，会连同传感器的ID码一起发射，中央显示模块将收到的ID码和存储的ID码相比较，就知道发射的数据是哪个轮胎的数据。当汽车行驶一段时间后，由于各个轮胎的负荷不均，导致磨损位置和程度不一样，为了延长轮胎使用寿命，需要进行轮胎的置换保养。轮胎的置换导致安装在轮胎上的检测模块也随之换位，从而导致以前的对应关系被打破，这就要求对轮胎检测模块进行重新的位置定位，另外当更换新的检测模块时，也需要进行模块的位置定位。位置定位功能是直接式TPMS必须具备的功能，目前国内外主要有定编码形式、界面输入式、低频唤醒式、天线接收近发射场式和外置编码存储器式等技术实现检测模块的定位，下面主要介绍界面输入式和低频唤醒式两种定位方法。图3 轮胎检测模块定位原理1界面输入式该定位技术是将每个轮胎检测模块的ID码打印在外包装或产品上，当轮胎检测模块需要换位或更换时，利用按键将ID码输入到显示模块里进行重新定位。一般轮胎检测模块的ID码长为1632位，界面输入定位方式输入流程复杂，很容易出现码组输入错误问题。2低频唤醒式该定位技术利用低频LF信号的近场效应实现轮胎检测模块的定位。该方案中的每个轮胎检测模块都附加了一个低频接收器以及安装在轮胎附近的LF天线和低频触发器，如图4所示。TPMS中央接收模块可以通过低频触发器发出LF唤醒信号，单独触发某一个轮胎检测模块，并通过高频RF接收被触发模块的信号，从而自动确定轮胎位置。低频唤醒式是一种自动轮胎检测模块定位技术，不需人工干预，而且能够进行TPMS的电源管理，降低功耗，但这种方式成本高，安装复杂，而且容易受到干扰，因而保证信号的可靠成为需要解决的问题。轮胎检测模块 低频接收器低频接收器轮胎检测模块 低频触发器低频触发器中央接受显示模块低频触发器低频触发器轮胎检测模块 低频接收器低频接收器轮胎检测模块 图4 高频低频系统通信结构框图324 轮胎检测模块的安装目前TPMS轮胎检测模块有三种安装方式：气门嘴内置、气门嘴外置以及利用紧箍扣安装在轮毂上。如图5所示，无论是哪一种安装方式，都要求轮胎检测模块具有体积小、重量轻、强度好、抗振动等特点。气门嘴内置和利用紧箍扣安装在轮毂上都是内置式安装，适合于没有内胎的轮胎，便于装卸。气门嘴内置式安装方式是将检测模块安装于胎内的气门嘴附近，将传感器与气阀相结合，利用气阀伸出的一部分作为无线数据发送的天线。虽然现在国外已经有整套的人工或全自动的气门嘴内置TPMS安装工具，但这种方式还是不便于司机操作，当轮胎检测模块或者电池需要更换时，司机需要到专门的地方、利用专门的工具进行操作。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的远程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，而且汽车行驶时振动非常剧烈，轮胎检测模块可能因剧烈振动而产生移位，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，然而它是一个量大面广的汽车通用安全产品，要按消费电子产品来定价。气门嘴外置式是将检测模块安装在胎外气门嘴附近，这种方式装卸简单，容易实现轮胎检测模块的定位和电池更换，适用于各种轮胎，通用性好，其主要解决的问题是TPMS的密封和防盗1。图5TPMS的三种安装方式325 智能传感器智能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，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电路二块芯片，用集成电路工艺做在一个封装里的。在封装的上方留有一个压力/温度导入孔，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，周边固定的圆形应力薄膜内壁由半导体应变片组成惠斯顿测量电桥，同时这个孔还将环境温度直接导入半导体温度传感器上。为了便于TPMS接收器的识别，每个压力传感器都具有16-32位独特的ID码。适用于TPMS的智能传感器主要有硅集成电容式压力传感器，如Frees Cale的MPXY8020、MPXY8040和硅压阻式压力传感器，如GE Nova Sensor的NPX1、NPX2，Infineon Sensor Nor的SP12、SP12T、SP30。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗。NPX和SP12系列的智能传感器都包含了加速度计，加速度传感器利用其质量块对运动的敏感性，实现汽车移动即时开机，进入系统自检、自动唤醒，汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期，用软件设定安全期、敏感期和危险期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、节省电能等功能。NPX还将8位MCU封装在智能传感器中。随着TPMS产品市场对IC高整合度和高可靠性的要求，目前已经有了如GE NPX那样的将所需测试各物理量的传感器与MCU合二为一的智能传感器模块，在未来几年内还会开发出包含RF发射芯片三合一的模块，包含利用运动的机械能自供电的四合一的模块，届时远程轮胎压力监测模块只有一个模块和一个天线组成，客户的二次设计变得十分简便。TPMS的工作频率北美标准为315MHz，欧洲标准为433.92MHz，韩国为448MHz，已有人建议新标准为868MHz。其发射功率又不能超过10dBm，否则要接受无线电管制。工作模式有ASK（振幅变换调制）、FSK（频率变换调制），FSK抗干扰较好。因此，对RF芯片选用的要求是：（1）发射功率尽可能大；（2）芯片外型尺寸尽可能小；（3）具有比较好的性能/价格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的标称发射功率都达10dBm11。326 轮胎中的天线天线是无线电通讯、无线电广播、无线电导航、雷达、遥测遥控等各种无线电系统中的基本组成部分，是一种用来发射/接收电磁波的器件。天线是决定直接式TPMS系统性能的关键之一。TPMS系统中的天线是一个非常复杂的系统。因为胎压遥测模块安装于轮胎内部，所以轮胎诸如轮毂、胎面、子午胎的钢丝层都会影响天线的工作状况。轮毂、钢丝层对天线的方向图、极化形式包括增益都有影响，橡胶外胎层主要产生增益上的损耗。1发送端天线(1)方向图：接收天线始终处于发射天线上方，如果发射天线固定不动，则其方向图最佳为最大波束向上且偏向汽车驾驶台；但是四个轮胎中的发射天线是要跟随轮胎转动的，所以方向图最好具有一定的全向性。(2)效率：天线效率越高越好，要求辐射效率高并且输入端匹配度高。(3)极化特性：考虑到天线的旋转和轮胎的结构，为了减少接收盲点，尽可能的实现圆极化或椭圆极化。2接收端天线(1)方向图：TPMS系统中，由于车底盘和车门的金属结构，一般的，电磁波只能从车窗透过，接收天线置于驾驶台上，正好与车窗同高。所以天线的设计应尽可能增大水平方向的增益。因为其他方向的电磁波虽然反射后也可以透过车窗，但会有能量损失。(2)效率：天线效率越高越好，要求辐射效率高并且输入端匹配度高。(3)极化特性：接收天线的极化方式与来波的极化方式匹配。所以也设计成圆极化或椭圆极化12。TPMS主要产品和安装车型现有的直接式无源TPMS技术尚未成熟，直接式有源TPMS将是市场的主流方案。故主要介绍直接式有源TPMS的主要产品和安装车型。直接式TPMS（有源）目前在中国市场上的主要品牌有：加拿大的Smartire，台湾的iNTEK，美国的Cowealth与Tire Sentry，中国的OPCHEK与瑞典的RD-TPMS8000等。它们的原理前面已有叙述，结构与组成基本相同（图6），可以监测轮胎压力与温度。其胎内部分组件的构成（图7），可以将其捆绑在轮辋上（图8）或通过气嘴孔安装在轮辋上（图9）4。1. 液晶显示报警部分 2.胎内部分组件（电子包）3.中央处理单元图6 直接型TPMS组成1-螺丝 2-传感器 3-气门嘴 4-垫圈 5-锁紧螺母 6-盖帽图7 胎内部分组件组成图8 胎内部分组件捆绑式安装图9 胎内部分组件气门嘴式安装已经安装直接式TPMS的车型如表1所示。表1 安装直接型TPMS的车型品牌车型奥迪（Audi）A8、A6Allroad、A8Nachfolger（D3）、RS6本特利（Bentley）Mid Size Bentley（MSB）宝马（BMW）Series7、Series5、Series3、X5、Series7（new）、Series5（new）、X3奔驰（Benz）Class AMG、CL、SClass、SLRoadster、EClass、Mybach、SClass（new）、SLClass、SLR、Actros法拉利（Ferrari）575Maranello、Enzo、F137、Modena玛莎拉蒂（Maserati）M139保时捷（Porsche）Cayenne、Boxster、911Series大众（Volkswagen）Pheaton、T0uareg直接式TPMS和智能轮胎的发展趋势51 直接式TPMS的发展趋势汽车轮胎压力监视系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个永恒的主题，因此，TPMS将成为汽车安全保障系统之一。TPMS发射模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展。米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序中，将压力、温度监测和信号发射装置被埋入轮胎胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间（一般为17年）发挥作用；作为信号接收装置做成如手机的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。以RFID技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是其中的一员。该公司和西门子VDO汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带RFID卡传感器。该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记录。上海交通大学也开始基于声表波技术的TPMS开发研究，这种能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据的SAW传感器，不仅可实现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产权。但是现在在中国，轮胎压力监测技术的发展还很滞后。在技术方面，国内轮胎压力监测系统的相关产品虽然较多，但都是属于零售安装的简易系统，这方面的技术成熟产品还很少。性能可靠、功能完善、技术成熟的都是代理国外大公司的品牌产品。TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品。大多数厂家只是买来飞思卡尔、英飞凌、通用的零组件组装起来做成成品，缺乏核心技术。所以对以后几年的市场预测也不是很完善，故只分析美国和国际上TPMS的市场预测，如图10、11所示216：图10 美国TPMS市场预测图11 国际TPMS市场预测52 智能轮胎的发展趋势为了提高汽车的安全性、经济性等，驾驶者必须经常检查轮胎的压力，这样做非常麻烦，并且驾驶者很容易忽略或忘记。随着计算机、电子技术、人工智能、通讯技术的发展和广泛应用，人们开始考虑轮胎压力、温度的自动检测和报警，这就出现了智能轮胎。智能轮胎的出现是轮胎发展史上的一个重要变革，它利用传感器、通讯、计算机以及人工智能等现代技术使轮胎由传统的被动侧压转变为主动压力检测，并且还具有了轮胎状态(温度、压力、摩擦、形变等)智能诊断和异常状态的自动报警功能，因此智能轮胎可以从根本上解决胎爆所引起的交通事故，使汽车的安全性得到很大的提高。另一方面，智能轮胎能够自动检测压力，在压力不正常时及时处理，对轮胎的老化情况，合适的气压、负荷等提出建议，从而使轮胎压力和负载可以经常处于合适的状态，这样就可以大大提高行车的舒适性，并且能够降低油耗、减少磨损，大大提高汽车的经济性。美国公路交通安全部通过一项法规，规定从2004年起，所有在美销售的新车均要求在车内仪表板上加装轮胎欠压报警系统，通过轮胎传感器来监测胎压，以提醒驾车者注意车辆的胎压状况。并列为标准配置。根据美国高速公路交管局估计，汽车配备轮胎气压监测装置后，美国交通事故死亡率可降低49%69%，每年减少伤害655510635人次。继美国之后，欧盟和日本等一些汽车消费大国的交通安全管理部门也效仿美国的做法，提倡汽车安装智能型高安全性能轮胎，今后也将会制定出台有关汽车使用高安全性能轮胎的法规。因此智能轮胎的研究既是汽车工业发展的必然要求，也是社会发展对汽车安全性、经济性与舒适性的基本要求，具有非常重要的现实意义和广阔的市场前景。人工智能、通讯以及计算机技术的发展要求智能轮胎具有更高的智能，更加人性化，能够提供更多的信息，是汽车的驾驶更加安全和舒适，甚至使车辆处于自主驾驶状态。利用现在的智能控制、模式识别、信号处理等技术提高智能轮胎的智能化水平，以及结合汽车的其它电子控制单元，综合更多的车辆信息，进而对轮胎的状况进行更加准确的预测和判断，将是智能轮胎的重要的发展方向13。结 论文章论述了轮胎压力检测系统的发展。绪论部分简要介绍了课题研究的背景、国内外研究的现状、研究的意义和内容。在文章的正文分别介绍了直接式TPMS和间接式TPMS的原理及其优缺点、直接式TPMS的框架结构和涉及的关键技术、主要产品和安装车型、直接式TPMS和智能轮胎的发展趋势。本文参考了许多研究轮胎压力检测系统的专家学者的有关文章，学习了他们论述的该课题的主要技术和论述方法，通过他们的论述掌握了轮胎压力检测系统的工作原理和关键技术。本文通过简单的论述得出了一些TPMS的发展趋势，也带出了许多新问题。由于本人理论知识掌握的有限和认识水平的不足以及准备时间的仓促，文中不当之处在所难免，因此，要想得出更精确和实用的结果，还必须对该课题继续做深入探讨。参考文献1魏宁宁TPMS汽车胎压监测系统的关键技术和工程实现D浙江：浙江大学，20062单春贤，韩钧轮胎压力监测系统的开发及发展趋势J拖拉机与农用运输车，2006，33，91-933沈俊峰汽车轮胎压力检测系统的研究和设计D合肥：合肥工业大学，20064杨硕汽车轮胎压力检测系统的研制D哈尔滨：哈尔滨工业大学，20055陈然汽车轮胎监测及控制系统的研究D重庆：重庆大学，20056王发贵. 车辆轮胎检测系统研究及其主机电路设计D南京：南京理工大学，20077李凯汽车轮胎压力检测系统的设计D武汉：武汉理工大学，20078董志车辆轮胎压力检测系统的研究D长沙：国防科技大学，20059王鼎王桂琴电工电子技术M北京：机械工业出版社，200610冯刚，姜长泓轮胎压力监测系统（TPMS）实现方法简述J自动化与应用，2007，26，51-5311李文印，周斌轮胎压力监测系统设计及实现J汽车技术，2004，2，23-2712陈连云，武涛汽车轮胎压力监测系统的研究J公路与汽运，2008，6，16-1813王基一，张浩然智能轮胎压力监测系统的概述与研究J湖州师范学院学报，2008，30(2)，49-5314聂建军，朱从云智能轮胎监测系统的发展现状及研究趋势J广东交通职业技术学院学报，2008，7(4)，34-3715鲁照全，沈俊峰汽车轮胎压力监测系统J合肥工业大学学报：自然科学版，2007，30(3)，312-315致 谢本文的全部工作是在汽车学院武健老师的悉心指导下完成的。在本人做毕业论文（设计）期间，多次得到武健老师的耐心的指导和热情的帮助，老师对本专业学术前沿的准确把握、渊博的知识和严谨的治学态度着实令人钦佩，还有他开阔的思路、灵活而缜密的思维方法，也让学生受益匪浅，在此谨向武老师表示深深的谢意。几个月来，我还得到了相关领域其他老师的悉心指导以及同组同学的热心帮助，老师们的言传身教让我受益终生。从他们身上，我不仅学到了很多理论知识，开阔了眼界，最重要的是体会到了其高尚的人格魅力和为人师表的作风。再次向关心和指导过我的领导和老师表示衷心的感谢！向所有关心和帮助过我的同学和朋友表示由衷的谢意！由于本人现阶段能力有限，即使有了老师的精心指导，也难以在文中对自己的观点表现地尽善尽美，敬请各位专家、老师和同学批评指正！最后，衷心地感谢在百忙之中进行论文评审和参加答辩的各位老师！