摘要浙江工業大學博士學位論文PAGE122PAGE19畢業設計說明書課題名稱：邁騰汽車胎壓監測系統的應用與維修學生姓名學號二級學院（系專業班級指導教師邁騰汽車胎壓檢測系統的應用及維修摘要汽車胎壓監測系統(TPMS)被譽為新一代汽車高科技安全配備用品。針對當前汽車胎壓監測系統(TPMS)不能全天候監測輪胎狀況以及車輛不能進行遠程報警的問題，提出了一種基于NKF9E和GSM模塊的新型胎壓監測系統的設計方案。本文簡單介紹汽車輪胎監測系統的總體結構，從軟硬件兩方面描述了系統的設計實現方法，重點描述了該系統的安裝流程和按鍵顯示輪胎定位的使用方法。該系統不僅能夠實時監測輪胎狀況，對異常情況進行報警提示，并能通過GSM模塊通信通知車主，而且具有車載CAN網絡接口，在低功耗、可靠性以及安全性方面具有一定優勢。關鍵詞：汽車胎壓監測系統；TPMS；實時監控；報警提醒；低功耗設計；目錄目錄摘要 I第1章緒論 11.1引言 11.2汽車輪胎壓力監視系統的由來 11.3汽車輪胎壓力監視系統產品技術 21.4汽車輪胎壓力監視系統技術發展趨勢 5第2章邁騰胎壓監測系統的安裝 62.1胎壓監測系統輪胎部分的安裝流程 62.2胎壓監測系統車輛內部部分的安裝流程 7第3章邁騰胎壓監測系統的使用方法 93.1放氣匹配 93.2胎壓顯示 103.3參數設置 103.4功能描述 10第4章邁騰胎壓監測系統的故障維修 13第5章結論 17參考文獻 18致謝 19第一章緒論第1章緒論1.1引言隨著信息技術的高速發展，電子產品逐漸成為汽車的主要組件。汽車胎壓監測系統(TPMS)主要用于在汽車行駛時實時地對輪胎氣壓等進行自動監測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者和乘車人員的生命安全保障預警系統。據統計，美國每年有26萬例交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，占交通事故的75%。而中國高速公路上交通事故的70%是由于爆胎引起的[1]。保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是基于車輪速度的TPMS(WSBTPMS，間接式TPMS)，這種系統是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的。該類系統的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。另一種是基于壓力傳感器的TPMS(PSBTPMS，直接式TPMS)，這種系統是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。PSBTPMS在功能和性能上均優于WSBTPMS[2]。由于車胎獨特的工作環境條件，決定了胎壓實時監測的壓力傳感器的高要求，要求寬溫區、寬電源電壓范圍和耐惡劣環境。設計出低功耗、低成本、高精度的汽車輪胎智能監測系統是成功實現產業化應用的關鍵。1.2汽車輪胎壓力監視系統的由來汽車輪胎壓力監視系統“TirePressureMonitoringSystem”的英文縮寫名稱為TPMS，主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統。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防的，也是突發性交通事故發生的重要原因。據統計，在高速公路上發生的交通事故有70%-80%是由于爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據有關專家的分析，保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。而汽車胎壓監視系統毫無疑問將是理想的工具。中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車需求量和保有量出現了加速增長的趨勢，汽車保有量已突破2600萬輛，年銷售汽車將突破600萬輛，未來5年將成為僅次于美國的全球第二大汽車銷售國。美國、歐洲已先后立法，要求在今后幾年內實現汽車全部安裝TPMS，因此，對TPMS的需要量與日俱增，美國的人工每小時起碼7.5元美金，差不多是中國工人的日工資，面對量大的產品需要降低生產成本，TPMS的生產正在轉向中國。今后幾年內中國必將成為TPMS的生產大國。人的生命是最可貴的，因此，為與世界先進國家同步，我國關于汽車安裝TPMS這樣的生命安全保障預警系統法規遲早也會出臺。因此，目前我們國內已有數百家設計公司、生產廠家開始開發、設計、生產TPMS。目前，TPMS主要分為兩種類型：一種是間接式TPMS，它通過汽車ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，其缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里／小時的情況進行判斷。另一種是直接式TPMS，它利用安裝在每一個輪胎里的以鋰亞電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調制發射到安裝在駕駛臺的監視器上。監視器隨時顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，系統就會自動報警。直接式TPMS從功能和性能上均優于間接式TPMS。許多歐洲的汽車廠商已將直接式TPMS配裝于自己的車型之中，其中包括：德國寶馬的Z8、法國雪鐵龍的C5、英國阿斯頓·馬汀的超級跑車Vanquish、林肯大陸、克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車以及Chrysler300M與ConcordeLimited客車、旁蒂克的旗艦BonnevilleSE等等，梅賽德斯-奔馳S級轎車最新的改進也將TPMS作為選裝件。國內多數汽車廠家目前已開始進行這方面的研究，中國加入WTO以后，隨著國際化的要求，和國產汽車的出口，相信國內廠家會跟上這個步伐。中國TPMS的前裝和后裝市場已經啟動，預見前裝市場（汽車生產廠家原裝）將比后裝市場（汽車購買后安裝）跑得更快。1.3汽車輪胎壓力監視系統產品技術TPMS系統主要有二個部分組成：安裝在汽車輪胎里的遠程輪胎壓力監測模塊（RemoteTirePressureMonitoring）和安裝在汽車駕駛臺上的中央監視器（LCD顯示器）。直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度模塊，將測量得到的信號調制后通過高頻無線電波（RF）發射出去。一個TPMS系統有4個或5個（包括備用胎）RTPM模塊。中央監視器接收RTPM模塊發射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數據顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現異常，中央監視器根據異常情況，發出不同的報警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。由于汽車輪胎現在大多都是沒有內胎的真空子午胎，因此，將TPMS的遠程輪胎壓力監測模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的，但是汽車在高速跑動時輪胎內環境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設計要按軍級產品的要求來選用元器件，按工業產品的要求來制訂生產工藝，然而它是一個量大面廣的汽車通用安全產品，要按消費電子產品來定價。遠程輪胎壓力監測模塊由五個部分組成：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8位單片機（MCU）；（3）RF射頻發射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線。外殼選用高強度ABS塑料。所有器件、材料都要滿足-40℃到+125智能傳感器是整合了硅顯微機械加工（MEMS）技術制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計、電池電壓檢測、內部時鐘和一個包含模數轉換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、校準（Calibration）、數據管理（Data）、ID碼的數字信號處理ASIC單元，模塊具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進行配置。它是由MEMS傳感器和ASIC電路二塊芯片，用集成電路工藝做在一個封裝里的。在封裝的上方留有一個壓力/溫度導入孔，將壓力直接導入在壓力傳感器的應力薄膜上，周邊固定的圓形應力薄膜內壁由半導體應變片組成惠斯頓測量電橋；同時這個孔還將環境溫度直接導入半導體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識別，每個壓力傳感器都具有16-32位獨特的ID碼。適用于TPMS的智能傳感器主要有硅集成電容式壓力傳感器，如Freescale的MPXY8020、MPXY8040；和硅壓阻式壓力傳感器，如GENovaSensor的NPX1、NPX2，InfineonSensoNor的SP12、SP12T、SP30。硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗。NPX和SP12系列的智能傳感器都包含了加速度計，加速度傳感器利用其質量塊對運動的敏感性，實現汽車移動即時開機，進入系統自檢、自動喚醒，汽車高速行駛時按運動速度自動智能確定檢測時間周期，用軟件設定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預警能力、節省電能等功能。NPX還將8位MCU封裝在智能傳感器中。隨著TPMS產品市場對IC高整合度和高可靠性的要求，目前已經有了如GENPX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，在未來幾年內還會開發出包含RF發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，屆時遠程輪胎壓力監測模塊只有一個模塊和一個天線組成，客戶的二次設計變得十分簡便。TPMS的工作頻率北美標準為315MHz，歐洲標準為433。92MHz，韓國為448MHz，已有人建議新標準為868MHz。其發射功率又不能超過10dBm，否則要接受無線電管制。工作模式有ASK（振幅變換調制）、FSK（頻率變換調制），FSK抗干擾較好。因此，對RF芯片選用的要求是：（1）發射功率盡可能大；（2）芯片外型尺寸盡可能小；（3）具有比較好的性能/價格比。ATMEL的T5754、Infineon的TDK5110的標稱發射功率都達10dBm。

電池選用鋰亞電池，以保證遠程輪胎壓力監測模塊在高低溫環境中都能正常工作。傳統的鋰電池在-40℃低溫時喪失電能，在+100天線是遠程輪胎壓力監測模塊發射功率提升的關鍵，天線技術涉及天線的幾何形狀、材料、介質等諸多因素。遠程輪胎壓力監測模塊的整體電源管理是十分重要的，一個鋰亞電池要向這個模塊提供3-5年的工作能源，做好電源管理和如何省電是關鍵所在。發射模塊在汽車輪胎內的安裝有二種方式，一是利用氣門咀安裝，這是目前使用最多的；二是利用緊箍扣安裝在輪轂上，這是最早的辦法，但振動后會移位。無論采用哪種方式，安裝完TPMS發射模塊都必須對輪胎重新做動平衡檢驗。中央監視器即TPMS接收器主要由UHFASK/FSKRF接收IC和信號處理MCU、鍵盤、LCD顯示器組成。RF接收IC和信號處理MCU安裝在一個盒子里，可安裝在汽車儀表箱內，帶控制鍵盤的LCD顯示器可安裝在駕駛臺上，LCD顯示器能實時顯示每個輪胎的壓力、溫度，和每一個輪胎的ID識別碼，以及聲光報警。由于接收系統是工作在汽車車廂內，其環境溫度是常溫而且變化不大，電源可以使用汽車的12V或24V電源，因此對器件選用只要是工業級即可，省電的要求也不高。RF接收IC選用時一般考慮需要較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率和降低整個系統的生產成本，ATMEL的T5743、Infineon的TDK5210的標稱靈敏度都達-100dBm以上。1.4汽車輪胎壓力監視系統技術發展趨勢

汽車輪胎壓力監視系統是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統，將是一個永恒的主題，因此，TPMS將成為汽車安全保障系統之一。TPMS發射模塊將向高度集成化、單一化、無線無源化方向發展。米其林集團公司、固特異輪胎橡膠公司已開發出在輪胎制造時的成形工序中，將壓力、溫度監測和信號發射裝置被埋入輪胎胎壁內，它在輪胎的整個壽命期間（一般為1～7年）發揮作用；作為信號接收裝置做成如手機的手握式解碼讀出器，可方便駕駛者出車時插裝在車上，下車后隨身攜帶。以RFID技術作為研發智能輪胎的基礎，美國固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該公司和西門子VDO汽車配件公司合作，成功研發出一種鈕扣電池般大小的帶RFID卡傳感器。該傳感器除了能夠感知輪胎內的氣壓、胎體溫度的變化并發射反映這種變化的信號外，還具有標識輪胎的功能，也就是說，它既可用於輪胎氣壓監測，還可以用於輪胎歷程可追溯性記錄。上海交通大學也開始基于聲表波技術的TPMS開發研究，這種能同時測量輪胎內壓力、溫度和發射數據的SAW傳感器，不僅可實現智能輪胎信息的無源測量和無線發送，并且將擁有中國人自主的知識產權。第二章設計模板體系第2章邁騰胎壓監測系統的安裝邁騰安裝的胎壓監測系統為鐵將軍TPMS系統。鐵將軍TPMS系統全稱為汽車輪胎壓力監測系統，我們在后文中簡稱胎壓監測系統。此套系統主要是由四個獨立的輪胎胎壓傳感器、胎壓接收主機以及系統主機和相應連接線等組成的。而之所以成為胎壓監測系統，車載GPS主機再此套系統中主要擔當屏顯的作用。通過傳感器及時反饋的輪胎當前胎內工作溫度以及當前胎壓，通過接受主機進行數據匯總手機傳輸到車載GPS中，用戶可以及時獲得當前車輛輪胎的工作狀況。2.1胎壓監測系統輪胎部分的安裝流程鐵將軍TPMS的安裝十分簡便，專業人員只需20-30分鐘就可以實現。鐵將軍C209TPMS在保證用戶車載導航的基本功能以外而且將車輛輪胎實時監測有機的融入到了車載GPS中，非常方便。拆除輪轂上原來的氣門嘴圖2-1拆除氣門嘴示意圖2.1圖2-2安裝傳感器，做好動平衡2.2胎壓監測系統車輛內部部分的安裝流程圖2-3車輛內部接線圖安裝電路，打紅挑的線都需要連接，藍色線表示從原線斷開串上胎壓機。黑線，接地，跟導航儀的黑線連接。粉紅線ACC，即鑰匙控制的12V電壓，跟導航儀的紅色相接。倒車視頻線拔出來進線插到胎壓主機的視頻進線插口，再用胎壓機帶的視頻線跟導航儀相連接。把原先連接DVD的倒車啟動信號12V線斷開，一端連接到胎壓機的紅線上，另一端藍線連接到DVD上。其它線就好接了，天線、小喇叭。

第3章邁騰胎壓監測系統的使用方法3.1放氣匹配輪胎匹配順序：進入配對界面后，短按遙控器按鍵依次切換位置，順序為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪、備胎。匹配輪胎選擇方式：短按遙控器按鍵時自動切換到按匹配順序的下一輪胎位置且輪胎側邊箭頭圖標閃爍，沒有收到信號時，每短按一鍵自動順移到下一個輪胎位置。輪胎匹配方法:選到某個輪胎位置時，當前輪胎側邊箭頭圖標閃爍，如需要匹配，此時對應的輪胎放氣，收到信號時配對界面左上角的胎壓顯示框會顯示當前收到的胎壓數值，此時短按遙控器按鍵則確認匹配到該輪胎位置，且自動進入到下一匹配順序的輪胎位置；匹配完成后，長按遙控器按鍵3秒保存并退出匹配回到監測界面，顯示配對傳感器最新壓力溫度信息，一次可以配一個也可以全部匹配一遍。五個輪胎讀取完畢，靠近胎壓接收主機（胎壓接收主機必須通電，并連續短按遙控器按鍵5次，進入輪胎匹配界面），按配對器的“TPMS”鍵1秒，燈全部熄滅，配對自動完成，并退出匹配界面，同時顯示配對監測界面10秒，顯示配對傳感器最新壓力溫度信息；一次可以配一個也可以配5個輪胎。在匹配界面，3分鐘未進行任何操作自動退出匹配界面；匹配完畢自動退出匹配界面。圖3-1放氣匹配3.2胎壓顯示電源接通后，按一下遙控器，便可進入顯示器/DVD顯示胎壓監測界面，觀察胎壓和輪胎溫度。圖3-2胎壓顯示界面3.3參數設置依照油箱蓋的標準值，邁騰的正常胎壓是前輪高，后輪低。前輪的氣壓一般為2.4，后輪的氣壓一般為2.5.所以設定胎壓監測系統的上限氣壓為3.0，下限氣壓為2.0.當輪胎氣壓低于下限氣壓或高于上限氣壓時，胎壓監測系統就會發出警報，提醒駕駛人。3.4功能描述一、開機自檢模式每次上電（打開ACC）25秒后，顯示器/DVD顯示胎壓監測界面情況5秒，同時喇叭發出“咚”一聲提示，5秒過后若監測到輪胎各參數正常（在設定值范圍內），則退出輪胎監測界面，否則顯示胎壓異常界面20秒后再間歇性顯示異常界面，直至故障排除。上電輪胎監測界面顯示如下圖所示圖3-3數據完成更新二、輪胎信息顯示查詢

ACC上電25秒后在非視頻狀態下短按遙控器按鍵，則進入輪胎監測界面，界面顯示10秒左右，10秒后退出輪胎監測界面，直至胎壓接收主機再次收遙控器發出的顯示輪胎監測界面的指令或胎壓傳感器發出輪胎異常的指令。圖3-4輪胎信息顯示查詢三、輪胎異常報警1、輪胎漏氣報警：輪胎漏氣分為急漏氣與慢漏氣，報警時顯示如下：當胎壓接收主機接收到傳感器發出的檢測到某輪胎漏氣的信號時，對應位置的輪胎會在灰色與紅色間變化，各顯示0.5秒時間，胎壓顯示框背景顏色根據氣壓確定，氣壓超出設定的范圍顯示為紅色，未超出設定范圍顯示為正常的白色背景，同時顯示屏左側中央用紅色字體顯示異常的輪胎位置（如“左前輪”），顯示屏右側中央用紅色字體顯示輪胎的異常類型（如“慢漏氣”）。圖3-5胎壓報警顯示2、氣壓高/低報警：輪胎氣壓高/低，報警時顯示如下:圖3-6輪胎氣壓高/低報警當胎壓接收主機接收到傳感器發出的檢測到某輪胎的氣壓超過/低于設定的氣壓上限值/下限值的信號時，則相應輪胎位置的數據顯示框的背景顏色顯示為紅色，有異常的氣壓數值則用黃色字體顯示，同時顯示屏左側中央用紅色字體顯示異常的輪胎位置（如“左前輪”），顯示屏右側中央則用紅色字體顯示輪胎的異常類型（如“氣壓高）。

第4章邁騰胎壓監測系統的故障維修一輛2010年產邁騰2.0T轎車，搭載Tsi型發動機，駛里程2.6萬km，用戶反映該車在行駛里程約3000km時就出現過儀表板上TPMS（輪胎壓力監控系統）故障燈報警的現象。每次故障出現時，用戶自行檢查各輪胎的氣壓并存儲胎壓后報警燈會熄滅，但車輛行駛一段時間后又會報警。最初幾次報警用戶并沒有在意，隨著故障變得愈加頻繁，用戶不得不進站維修。

接車后，維修人員首先連接故障診斷儀VAS5052對車輛進行檢測,發現輪胎壓力監控系統控制單元中存儲有含義為“輪胎直徑信號不可靠/偶發”的故障碼。首先進行常規檢查，檢查輪胎外觀、尺寸及充氣壓力均正常，檢查輪輞尺寸也沒有問題。仔細詢問用戶，得知該車從來未更換過輪胎，仔細觀察各輪胎花紋磨損狀況，磨損也很均勻。之后進行試車，發現該車在存儲胎壓后行駛約幾公里后胎壓監測系統就會報警（圖4-1）。觀察數據流，報警時的各輪胎的報警狀態均為255，這說明各輪速信號無異常。根據以往的維修經驗，維修人員先試換了TPMS控制單元J793，但試車故障依舊。那么問題應該出在車輪上，于是又同時試換了4個相同的車輪。經長時間試車，發現故障消失了，由此可以判定問題就出在輪胎的尺寸差異上。圖4-1儀表盤出現故障報警為了驗證判斷，再次安裝原車的4個車輪，果然在行駛到4.3km時又出現了TPMS報警的情況。看來初步的判斷得到了驗證。為了弄清究竟是哪個車輪導致的系統報警，于是決定用備胎分別替換四個車輪進行觀察。首先將備胎安裝在右前輪位置，試車行駛5.6km后TPMS報警；然后將備胎安裝在左前輪位置，試車行駛4.8km后TPMS報警；將原車左前車輪安裝在左后位置上，試車行駛6.5km后TPMS系統報警；將原車左后車輪安裝在右后位置上，試車行駛50km故障消失；將原車右后車輪安裝在左前位置上（替換備胎），試車行駛175km故障消失；將原車右后車輪安裝回原位，試車行駛5.3km后，TPMS系統再次報警。至此，可以確定故障就出在右后輪上。圖4-2TPMS控制單元J793邁騰轎車采用間接測量的胎壓監測系統，因此車輪中沒有安裝胎壓傳感器。TPMS控制單元J793（圖4-2）通過舒適系統總線接收ESP控制單元J104（圖4-3）傳送來的4個輪速傳感器的速度信號，通過分析來判斷輪胎是否失壓。TPMS系統按照2種不同的監控分析方案同時進行分析，可以同時識別出多個輪胎上的氣壓損失。第1種方案是監控輪胎體積。當輪胎氣壓減小時，輪胎體積變小，要行駛相同的距離車輪必須比沒有失壓的車輪轉得更快，車輪轉速信號被ESP系統控制單元J104傳遞給TPMS控制單元J793進行分析。在TPMS系統中，各對角線的車輪轉速被相加，然后進行比較，再將同軸車輪和單側車輪的轉速信號進行比較，由此可以顧及到彎道行駛、離心加速度及轉向角度等因素的修正。第2種方案是監控輪胎振動。由于行駛道路不平整，每個輪胎滾動時都會引起滾動振動，TPMS通過測量各車輪轉速分析該車輪的振動情況。如果氣壓降低，那么振動的方式就會發生改變，這種分析方式也可以同時測量出多個輪胎失壓及輪胎緩慢漏氣的情況。圖4-3舒適系統總線接收ESP控制單元J104每次可通過MMI系統對胎壓監測系統進行初始化設定，每次設定系統會有一次氣壓值的學習過程，在其后的行駛過程中，控制器會記錄下各種行駛狀態下的車輪轉速和車輪振動狀態，并結合車輪速度的變化規律、轉向角度、橫向加速度及離心加速度等因素的修正加以分析，氣壓的學習值就是系統監控的標準值。在行駛10min后，系統就可以監測出輪胎快