TPMS系统的应用

TPMS系统的应用
付朝辉
【摘要】随着社会消费者安全意识的提高和安全法规标准的深入,汽车的另一项安全技术--TPMS轮胎气压监测系统正在广泛应用.通过对TPMS系统的组成、系统的标定及初始化学习的简要介绍,使读者了解TPMS轮胎气压检测系统的当前应用和发展方向.
【期刊名称】《汽车电器》
【年(卷),期】2010(000)009
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】气压监测;欠压报警;射频信号;初始化学习;展望
【作者】付朝辉
【作者单位】浙江吉利汽车有限公司,浙江,宁波,315800
【正文语种】中文
【中图分类】U463.6
汽车安全一直是汽车研究领域的重要课题，轮胎气压监测技术的应用为汽车安全增加了重要的一项。

在美国平均每年有26万起交通事故是由于轮胎故障造成的，在国内由于轮胎爆胎引起交通事故当事者已经将主机厂告上法庭。

美国从2003年开始强制实施轮胎气压监测系统（Tire Pressure Monitor System，TPMS）为汽车的标准配置，力图减少和遏制轮胎事故及其损害，并要求于2007年9月1日之
后生产的所有轻型车辆必须配置轮胎气压监测系统（TPMS）。

吉利FE车型在开
发时就定义为全球车，为此就配置了TPMS系统。

1 TPMS系统种类及其工作原理
目前TPMS系统可分为直接式和间接式2种。

直接式胎压监测装置是利用安装在
每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。

当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。

间接式胎压监测的工作原理是：当某轮胎的气压降低时，车辆的质量会使该轮的滚动半径变小，导致其转速比其他车轮快。

通过比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。

间接式轮胎报警系统实际上是依靠计算轮胎滚动半径来对气压进行监测。

这2种胎压监测装置各有优劣：直接式胎压监测装置可以提供更高级的功能，随
时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎；间接式系统造价相对较低，已经装备了4轮ABS（每个轮胎装备1个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。

但是，间接式胎压监测装置没有直接系统的准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂，在某些情况下该系统会无法正常工作，例如同一车轴的2个轮胎气压都低时等。

吉利FE车型采用的是直接式TPMS系统，下面就直接式TPMS系统展开介绍。

通常情况下轮胎爆胎是由于轮胎气压偏低，长时间高速行驶，磨损加剧，产生高温膨胀导致的，所以TPMS系统是在汽车轮胎气压欠压的情况下，通过点亮仪表板
上特有的欠压报警灯警示驾驶员。

欠压定义为低于整车厂建议额定胎压的25%以
上开始自动报警。

2 直接式TPMS系统组成
TPMS系统由一个中央接收机、4个无线胎压传感器和系统线束组成，如图1所示。

2.1 中央接收机
中央接收机是TPMS系统的控制单元，它通过射频信号以每3分钟1次的频率和4个无线胎压传感器交换信号。

交换的信号包括温度、压力和ID码。

在运动状态和在静态校验情况下，中央接收机和各个传感器发射的信息是不同步的，目的是减少相互干扰。

传感器还有低频接收电路，通过该电路它能够被外部的低频发生装置触发。

接收机带有内置键盘，进行传感器换位后的ID识别和重新定位。

同时可用于进行系统数据分析和参数更新的触发。

图2是中央接收机电路板图，图3是中央接收机与传感器逻辑框图。

图1 直接式TPMS系统示意图
图2 中央接收机电路板图
图3 中央接收机与传感器逻辑框图
2.2 无线胎压传感器
无线胎压传感器是感应轮胎气压、温度和与中央接收机交换ID码的部件，如图4所示。

它替代传统轮胎气门嘴安装于轮毂上，见图5。

图6是传感器组成图。

由于传感器的使用环境影响，传感器必须具有耐压、耐温，电池寿命长等特点。

图4 无线胎压传感器示意图
图5 传感器装配位置图
图6 传感器组成图
传感器处理电路框图如图7所示。

轮胎内的压力、温度和加速度信息会被TPMS 传感器内的MCU转化成数字信号，在处理信号的过程中，传感器内的MCU需要离心开关的信号用来判断汽车是静止还是运动，需要低频线圈的信号用来激活与中央接收机认证的ID码，最终通过高频的信号保证传感器与接收机时刻通信。

图7 传感器处理电路框图
3 直接式TPMS系统工作原理
TPMS系统由1个主机和4个传感器构成，主机和传感器之间的数据通信是通过433.92 MHz载波，以FSK调制方式进行传输的。

传感器学习过程中低频触发信号与传感器之间的数据通信是通过125 kHz低频载波信号，以ASK的调制方式进行传输的。

3.1 系统运行过程
图8为TPMS系统软件流程图，其运行过程如下。

第1步：接收产生的传感器的RF数据帧当TPMS系统处在启动状态时，TPMS 接收器要不断地接收和处理产生的RF WE传感器数据帧。

第2步：验证收到的传感器消息帧当收到一个符合传感器格式的射频信号消息帧时，TPMS接收机会首先验证接收到的消息帧。

第3步：传感器参数信息预警算法的处理处理收到的每个有效的WE消息帧，一旦监测到一个轮胎低压，就会点亮TREAD灯。

第4步：持续监测ISO K-Line请求 TPMS接收机必须在ISO K-Line使用之前进入激活状态。

第5步：检测车辆运动状态（速度传感器）需要一个速度信号来监测车上是否有一个没有安装传感器的备胎在使用。

图8 TPMS系统软件流程图
3.2 TPMS触发过程
为了延长电池寿命，传感器并非始终对低频信号敏感，每隔4 s唤醒25 ms。

如果在25 ms里接收到了低频信号，会将唤醒延长至600 ms，以捕获到一个完整的控制命令。

因此，LF数据流需要保持5 s的时间才能被传感器捕获到。

LF数据流包含2个部分，第1部分是一串唤醒脉冲，它是在4 s唤醒25 ms中来唤醒这个传感器；跟随着唤醒脉冲的第2部分是LF代码3命令。

LF触发时序图如图9所示。

图9 LF触发时序图
4 TPMS系统的布置标定
TPMS中央接收机和传感器可以在工程设计时初步预定布置位置，但最终接收机的定型位置是需要射频标定的。

因为整车电子电器系统对TPMS接收机的接收灵敏
度和信号稳定性有很大影响。

标定工作可以在首轮的工装样车上进行，需要进行信噪比的标定测试、接收信号强度的测试、系统命中率的测试等。

标定样车需要保证整车工作可靠，所有电子电器系统部件通过EMC。

车辆放置于空旷的场地上，在车辆各种用电设备正常工作的
情况下，把TPMS的接收机按工程布置的方位放置，同时用EMC的信号接收器捕捉放置在各个方位上（图10）的信噪比信号。

图11是吉利FE在标定过程时TPMS接收机放置在位置1中控台下捕捉的信号，图12是TPMS接收机放置在位置2车辆C柱下捕捉的信号，图13是TPMS接收机放置在位置3后窗台板下捕
捉的信号。

图10 TPMS接收机预计的标定位置
从测试的结果看，发动机是较大的干扰源，位置2的信噪比是最好的。

对于其他2项，接收信号强度的测试和系统命中率的测试，3个位置基本一致，因此综合评定位置2是布置TPMS中央接收机的最佳位置。

5 TPMS系统装配初始化学习
TPMS系统按标定的状态在整车上装配之后，需要进行传感器初始化学习，学习的目的是将传感器的ID码存入到接收机中。

TPMS的初始化学习设备见图14。

传感器初始化学习时按表1的顺序进行。

学习步骤如下：①控制器发送学习命令到RX；
②触发发射低频（LF）命令到WE传感器；③WE传感器发送包括ID的无线电频
率信号；④RX接收到无线电频率（RF）信号；⑤控制器发送验证学习完成状况的命令。

图11 吉利FE中控台下（位置1）的信号图
图12 吉利FE车辆C柱下（位置2）的信号图
图13 吉利FE后窗台板下（位置3）的信号图
TPMS系统初始化学习之后，车辆在接通点火钥匙IGN档位时，可以发现组合仪
表内有黄色“指示灯和“ ”字样指示灯亮起，在3 s之后灯应该熄灭。

而“TPMS”指示灯是在发动机起动之后熄灭。

当TPMS系统电路、中央接收机出现故障时，“TPMS”指示灯会点亮报警。

当轮胎气压值欠压，灯会点亮。

在吉利
FE车型上轮胎气压值低于1.7 kPa时，“灯会点亮。

图14 TPMS系统初始化学习专用设备图
表1 传感器初始化学习顺序传感器＃车轮顺序1左前2右前3左后4右后5备用
6 TPMS系统发展方向
前面介绍的TPMS系统只有在轮胎欠压的条件下视觉警告驾驶者轮胎存在问题，
而随着电子技术的飞速发展，目前TPMS技术在朝着智能化、人性化的方向发展，实现语音加视觉报警，欠压、过压和准确判定某个轮胎的故障已经不是问题。

目前，我国TPMS系统的装车率并不高，只有一些进口的高端车型才配置有这一系统。

相信随着国内用户对汽车安全意识的提高和法规与国际接轨的趋势，TPMS系统的应用必将会成为国内汽车的标准配置。

参考文献：
［1］世界汽车安全技术-文献选编［M］.北京：科学技术文献出版社，2008. ［2］BOSCH汽车工程手册［Z］.
［3］FederalMOTOR Vehicle StandardsTPMS Standards and Displays Final Rule.2005.8.4.。