专利名称：汽车轮胎数据的监测方法及其监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感监测的技术领域，尤其涉及一种新型的汽车轮胎压力监测系统， 主要实现对汽车轮胎即时的气压、温度等参数的自动监测， 一旦轮胎出现异常情况，立即 报警通知驾驶员。
背景技术：
据统计，在高速公路上发生的交通事故有70%~80%是由于爆胎引起的，怎样防止爆胎已 成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家的分析，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，而TPMS毫无疑问将是理想的工具。TPMS是汽车轮胎压力监 测系统"Tire Pressure Monitoring System"的英文简称，主要用于在汽车行驶时实时地 对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和高气压进行报警，以保障行车安全。现在这个概 念频繁地出现在各种报刊杂志中，成为汽车界的关注热点。目前，TPMS主要分为两种类型 一种是基于车轮速度的TPMS (WSB TPMS，间接式TPMS)， 这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测轮胎 的目的，该类系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和时速超过100km的 情况进行判断；另一种是基于压力传感器的TPMS (PSBTPMS，直接式TPMS)，这种系统是 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，并对各轮胎气压进行显示 及监测，当轮胎气压过高或太低时，系统会自动报警。发明内容本发明设计的系统属于直接式TPMS，采用模块化的设计，规范化的编程，经济实用。 系统在每个车轮里安装一个小发射器和压力传感器。发射器向车辆仪表板的中央显示模块 发送信号，驾车人可以随时了解胎压情况。增强了汽车在行驶过程中的安全性，避免交通事故的发生。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明包括轮胎监测模块、中央模块，轮胎监测模块安装在轮胎内，中央模块设置在 汽车内；上述轮胎监测模块包括1) 传感器包括压力传感器、加速度传感器和温度传感器，用于采集车辆行驶过程中 的各种参数；2) 8位RISC:对传感器采集到各种数据进行集中，并传输给射频发射模块；3) 射频发射模块将8位RISC传输过来的数据发射到中央模块的射频接收模块中；4) TPMS专用电池给轮胎监测模块提供长期工作的电力。 上述中央模块包括(a〉电源管理模块提供中央模块长时间工作的电力；(b)EEPROM模块用于保存用户设置的系统参数；(C)射频接收模块用于接收轮胎监测模块上的射频发射模块传输的数据；(d) 单片机用于对射频接收模块收到的数据进行处理；(e) 显示模块将传感器监测到的数据直观的显示出来；(f) 键盘可手动的输入各种指令；(g) 报警模块当出现险情之前发出报警信号，提示驾驶者；(h) 串口通信模块用于对中央模块的调试。比较好的是上述传感器、射频发射模块通过I/O 口与8位RISC连接。比较好的是上述电源管理模块、EEPR0M模块、射频接收模块分别与单片机连接，显示模块通过地址数据总线与单片机连接；键盘、报警模块、串口通信模块通过I/0口与单 片机连接。本发明采用上述结构，在使用时在轮胎的轮毂或气嘴上安装轮胎监测模块，其中的传感器将采集到的气压信号、加速度信号和温度信号转换为电信号，交由8位RISC进行处理后通过射频发射模块将信号发射出去，由中央处理模块的射频接收模块接收后，交给单片机 进行处理，将相关信息通过显示模块中显示出来，并对显示的结果进行判断，若判断轮胎的气压及温度异于设定的标准值时，报警模块将自动报警，若判断轮胎的气压及温度与设 定的标准值相同时，继续采集信号进行分析。本发明采用上述结构，与现有技术相比具有如下优点1、 本发明在轮胎上安装轮胎监测模块，在汽车内部安装信号显示装置，能够实时和同 歩的现实各个轮胎的温度和气压等信息，增强了行驶的安全性。2、 本发明采用模块化设计，修理和更换方便，结构简单合理。3、 本发明在设计时具有如下警示功能包括低压报警系统检测到轮胎气压低于设定的标准气压值70%时，立即报警。 高压报警系统检测到轮胎气压高于设定的标准气压值130%时，立即报警。 高温报警系统检测到轮胎温度高于设定的温度报警值(85°C)时，立即报警。泄漏报警当轮胎内压力持续下降时，但未达低压报警值前，系统会发出轮胎泄漏报 警。弱电报警当轮胎内传感器所用电池电压不足时，系统自动发出低压报警。4、 本发明还具有以下特点(1) 汽车高速行驶时按运动速度确定检测时间周期，汽车停止时主机自动睡眠。(2) 安装在每个轮胎上的轮胎监测模块，精确地测量本车轮胎的气压和温度，并传 到驾驶台的中央模块显示。(3) 中央模块只接收本系统的轮胎数据，而不接收来至其他车辆的。(4) 能够手动设定系统的标准气压、温度阈值等系统参数，具有友好的人机界面。(5) 轮胎处的监测模块耗电低'，电池寿命至少达5年以上。
图1是本发明的轮胎监测模块的结构框图；图2是本发明的中央模块的结构框图；图3是本发明的通信数据帧格式；图4是本发明的轮胎监测模块的程序流程图；图5是本发明的中央模块的程序流程图；图6是本发明的轮胎监测模块的电路原理图；图7是本发明的中央模块的单片机及其外围电路原理图；图8是本发明的中央模块中的中央模块中的射频接收电路原理图；图9是本发明的中央模块的显示模块电路原理图；图IO是本发明的中央模块的电源管理模块电路原理图；图11是本发明的中央模块的EEPR0M和串口通信模块电路原理图；图12是本发明的中央模块的键盘和报警模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的一种较佳实施实例，对本发明作进一步的说明。 如图1、图2所示,本发明包括包括轮胎监测模块1、中央模块2，轮胎监测模块1安装在轮胎内，中央模块2设置在汽车内；上述轮胎监测模块l包括1) 传感器l.l:包括压力传感器、加速度传感器和温度传感器，用于采集车辆行驶过 程中的各种参数；2) 8位RISC1. 3:对传感器1. 1采集到各种数据进行集中，并传输给射频发射模块1. 2;3) 射频发射模块1. 2:将8位RISC1. 3传输过来的数据发射到中央模块2的射频接收模块2.2中；4) TPMS专用电池1.4:给轮胎监测模块l提供长期工作的电力。上述中央模块2包括(a) 电源管理模块2. 3:提供中央模块2长时间工作的电力；(b) EEPROM模块2. 4:用于保存用户设置的系统参数；(C)射频接收模块2. 2:用于接收轮胎监测模块1上的射频发射模块1. 2传输的数据；(d) 单片机2. 1:用于对射频接收模块2. 2收到的数据进行处理；(e) 显示模块2. 8:将传感器1. 1监测到的数据直观的显示出来；(f) 键盘2.5:可手动的输入各种指令；(g) 报警模块2.6:当出现险情之前发出报警信号，提示驾驶者；(h) 串口通信模块2.7:用于对中央模块2的调试。上述传感器1. 1、射频发射模块1. 2通过I/O 口与8位RISC1. 3连接。 上述电源管理模块2. 3、 EEPROM模块2. 4、射频接收模块2. 2分别与单片机2. 1连接，显示模块2. 8通过地址数据总线与单片机2. 1连接；键盘2. 5、报警模块2. 6、串口通信模块2. 7通过I/O 口与单片机2. 1连接。本发明的工作过程如下在轮胎的轮毂或气嘴上安装轮胎监测模块1，其中的传感器 1. 1将采集到的气压信号、加速度信号和温度信号转换为电信号，交由8位RISC1. 3进行 处理后通过射频发射模块1. 2将信号发射出去，由中央处理模块2的射频接收模块2. 2接收 后，交给单片机2. l进行处理，将相关信息通过显示模块2.8中显示出来，并对显示的结 果进行判断，若判断轮胎的气压及温度异于设定的标准值时，报警模块2.6将自动报警， 若判断轮胎的气压及温度与设定的标准值相同时，继续采集信号进行分析。本发明的轮胎监测模块1可以选择GE公司的NPXII智能传感器芯片作为传感器1.1和8位 RISC1.3的集成芯片。该传感器芯片是针对无线轮胎压力监控(RTPM)应用来设计的产品， 可以对压力、温度、供电电压信号进行检测和补偿，内部的高性能8位RISC实现了与传感器 的完美结合，完全可以实现RTPM的需要，使用户无需另选控制器。射频发射模块采用了ATMEL 公司的T5754芯片，该芯片传输速率可达32Kbaud，传输频率范围在429 — 439MHz，可用于ASK 和FSK两种传输方式。如图6所示是轮胎监测模块的电路原理图。轮胎监测模块l实现如下功能(1)获得压力、温度、电量等数据，并以一定格式发送 给中央接收模块。(2)采用算法控制射频模块的发射以节省能量，使得锂电池的寿命至少 在5年以上。(3)可以由加速度传感器唤醒、定时器唤醒，例如在刚刚发动汽车，时速达到 20公里/h后用户即可获得各个轮胎的压力温度数据。智能传感器采集数据，通过芯片内的ADC转换器进行ADC转化，在内部的8位RISC中进行 补偿，接着通过曼彻斯特编码后发送到射频芯片的数据口。为提高数据抗干扰能力，射频 发射模块1.2采用FSK (Frequency Shift Keying,频移键控)调制，中心频率为433. 92MHz， 发射功率7. 5dBm/9. OmA。 TPMS发射器的天线靠近气门咀，必须考虑金属轮毂和车轮高速行 驶时天线不断变换方向、角度的影响，因而我们采用螺旋天线，它可以扩大发射和接收的 角度，有效地克服静动态盲点。射频发射模块l. 2采用的芯片要求I/0口必须是开漏极的，通过直接控制与晶振串并联 的电容的容量来控制输出振荡频率的偏移，但是NPXII的P17口作为I/0口输出时是推挽式的。又由于P17管脚配置为输入端口时不设置上拉、下拉电阻，即可呈现高阻状态，所以根 据待发射数据控制P17从输出I/0口变为输入I/0口，就可以模拟出一个开漏极的K)特性对该 RF芯片进行控制。发送数据时，首先使射频发射模块(ENABLE拉高)，再保持PA一ENABLE为 低lnis后，射频发射模块的CLK才能输出稳定的频率信号去同步与NPXII的通讯。然后拉高 PA—KNABLE，射频发射模块进入FSK发射模式。传送完毕，Pll重新置低，拉低ENABLE，使射 频发射模块进入等待模式。对于轮胎监测模块l而言，其关键技术有1. 如何不接收来至其他车辆传感器的数据。2. 切换轮胎后，如何保持传感器与方位的一致性。3. 如何节电，因为TPMS发射模块在一节锂电池下要能工作3-5年，因此只有在大多数 时间让系统进入睡眠状态，才能省电与延长电池寿命。对于问题一，NPX-II的芯片内部有一个32位内置产品序列号，可以利用它来作为轮胎 的识别标志，这样在实际使用中，中央模块2通过检测这个序列号来判断该传感器是否为已 向系统注册过的，这样可以保证使用时不会和其他汽车的轮胎发生冲突。对于问题二，可以在发送的数据中，增加传感器号的标识，以便于识别传感器安装在 哪个方位。对于问题三，通过软件算法控制，减少射频发射次数，尽量让该模块处于休眠状态。 这里我们设计了通讯中使用的数据帧格式，如图3所示。RF信号分发射占据了整个RTPM 模块功耗的90%以上，因此需要控制RF信号的发射次数。从节能考虑，在正常情况下系 统每测量50次(次数可根据需要设置)发送一次数据。但当某一次测量得的轮胎温度、气 压、电池电量超过某一阈值(警戒值)时，测量数据立即发送。在屈中1.无线帧头字节 24X曼彻斯特编码"1"; 2.帧开始符"0x7F7F"; 3.漏气标识如果RTPM检测出来轮胎漏气将该位置l (曼彻斯特编码)，否则为0; 4.传感器号四个传感器分别标识为00B、 01" 10 、 11 (0 3D); 5.校验和从轮胎ID号开始的数据以8位依次进行异或的结果。为避免四个轮胎的传感器发送的数据发生碰撞。在采集完数据后，将不同的轮胎按不同的规律进行动态时延，然后再发送。编号OO (左前轮)的轮胎的延时固定为125msX15。 编号Ol (右前轮)的轮胎的延时按125msXn, (n尸14， 13， 12， 11， 10，…，1， 0)周期 变化。编号02 (右后轮)的轮胎的延时按125msXn2 (n2=13， 11， 9， 7， 5, 3, 1)周期变 化。编号03 (左后轮)的轮胎的延时按125msXn3 (n3=12, 9， 6， 3)周期变化。数据包的发送时间是100ms，正常情况下每4sX50=200s发送一次。按这种延时设计可有效地避免 数据包的碰撞。轮胎监测模块的程序流程图如图4所示。内部时钟使系统每4S唤醒一次，然后设定唤 醒定时器，当定时唤醒标识符已经置位时，再进行加速的测量，否则又进入节电模式。测 量得加速度大于一定阈值时才判断汽车在行驶状态，否则也重新进入节电模式。然后进行 温度、气压、电压的测量。当测量值超过阈值时立即发送，否则每测量5 0次(测量计数 器由5 0减到0)才发送一次。每次测量的气压值存放在寄存器中。判断轮胎是否漏气， 若漏气则立即发送数据帧，否则直到测满测量计数器指定的次数后才发送数据帧。在发送 完数据帧后要重置测量计数器，随后进入节电模式。中央模块2实现如下功能(1)接收从轮胎监测模块通过高频传送的FSK信号，解调后 交由单片机处理，单片机2. 1通过LCD驱动器在LCD显示板上显示轮胎信息。图7所示的是中 央模块的单片机及其外围电路原理图；(2)若从收到的数据中分析得出轮胎工作异常，将 通过声音和光线报警，提醒驾驶员注意。如图9所示是中央模块的显示模块电路原理图；(3) 用户可以通过键盘2.5设置监测阈值、轮胎监测模块方位等；(4)中央接收器只处理本系统 的轮胎数据，而不处理来自其他车辆的信息。如图8所示是中央模块的射频接收电路原理图，射频接收模块2. 2选用的是AT舰L公司的 T5743芯片，该芯片主要用于低成本数据传输系统，可采用曼彻斯特编码或者双向编码，传 输速率从lKbaud到10Kbaud，可使用ASK或者FSK两种数据调制方式传输，接收频率范围从 300MHz到450MHz。单片机的选择范围比较广泛，可以选用任何合适的芯片，基于成本等各 方面的考虑，本系统选用PHILPS公司的P89V51芯片。由于系统中需要保存用户设定的阈值 信息，因此本系统选用了型号为AT93C46的EEPR0M芯片作为外部存储器。显示模块中选用的 液晶驱动器是HT1621芯片，它驱动的LCD显示板是订做的。报警模块包括发出声音报警的蜂 鸣器以及发出光线报警的发光二极管。由于中央模块是接到汽车的点烟器后由汽车供电的， 在功耗方面的要求比较低，本系统选用的电源芯片是LM1117-5.0。串口通信模块是用来下 载程序和调试用的，本系统选用的是SP3232芯片。射频接收模块有4种操作模式睡眠模式、启动模式、位检査模式和接收模式。射频接 收模块上电复位后处于睡眠模式，知道经过Tsle印时间长度或者由外界唤醒而进入启动模 式。在睡眠模式下，信号处理电路被禁止，但是此时电流很低，可节省功耗。在启动模式 下所有信号处理电路稳定可用，经过Tstart后进入位检査模式。此模式下进来的数据流将被分析，如果是有效信号，射频接收模块进入接收模式，否则进入睡眠模式。接收数据完 毕后也将进入睡眠模式。如此周而循环，射频接收模块可把接收到的数据完整地传送到与 之相连的单片机。如图10是中央模块的电源管理模块电路原理图。系统上电后从EEPROM中读取系统配置，从射频接收模块接收射频数据，经过单片机的 分析显示在LCD上，如果异常将立即报警。单片机也对键盘事件进行响应。中央模块的系统共有5个键一个轮胎切换键[T]， 一个[+]键，一个[-]键， 一个进入设置 模式键[M]， 一个确认键[OK],采用独立式按键。为提高单片机效率，采用中断(上升沿) 方式获取按键信息，在有按键按下时，单片机响应中断并对按键进行处理，否则执行其他 任务。由于键的按下和抬起都会有10-20ms的抖动毛刺存在，因此必须采用软件实现去抖动， 即在检测到有键按下时，执行一个延时程序后再确认该键电平是否保持闭合状态电平，如 保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态。如图11是中央模块的EEPR0M和串口通信模块 电路原理图，图12是中央模块的键盘和报警模块电路原理图。中央模块的程序流程图参看图5所示。上电后，单片机初始化自身和LCD驱动其，接着 配置射频接收模块，LCD显示系统信息。此后单片机等待射频接收模块传来数据，经过三次 采样后接收数据，收完全部一帧数据后单片机进行数据校验，校验正确后进行数据处理， 根据图3的通信数据帧格式解析出轮胎ID、气压、温度、电池电量等数据量。随后根据这些 数据量判断是否需要报警，若需要则启动声音报警和灯光报警。无论是否需要报警都要将 解析的数据量在LCD上显示出来。此后等待下一个无线数据帧的到来。
权利要求
1、汽车轮胎数据的监测装置，其特征在于包括轮胎监测模块(1)、中央模块(2)，轮胎监测模块(1)安装在轮胎内，中央模块(2)设置在汽车内；上述轮胎监测模块(1)包括1)传感器(1.1)包括压力传感器、加速度传感器和温度传感器，用于采集车辆行驶过程中的各种参数；2)8位RISC(1.3)对传感器(1.1)采集到各种数据进行集中，并传输给射频发射模块(1.2)；3)射频发射模块(1.2)将8位RISC(1.3)传输过来的数据发射到中央模块(2)的射频接收模块(2.2)中；4)TPMS专用电池(1.4)给轮胎监测模块(1)提供长期工作的电力；上述中央模块(2)包括(a)电源管理模块(2.3)提供中央模块(2)长时间工作的电力；(b)EEPROM模块(2.4)用于保存用户设置的系统参数；(c)射频接收模块(2.2)用于接收轮胎监测模块(1)上的射频发射模块(1.2)传输的数据；(d)单片机(2.1)用于对射频接收模块(2.2)收到的数据进行处理；(e)显示模块(2.8)将传感器(1.1)监测到的数据直观的显示出来；(f)键盘(2.5)可手动的输入各种指令；(g)报警模块(2.6)当出现险情之前发出报警信号，提示驾驶者；(h)串口通信模块(2.7)用于对中央模块(2)的调试。
2、 根据权利要求1所述的汽车轮胎数据的监测装置，其特征在于上述传感器(1. 1)、射频发射模块(1.2)通过I/0口与8位RISC (1.3)连接。
3、 根据权利要求1所述的汽车轮胎数据的监测装置，其特征在于中央模块(2)上 述电源管理模块(2.3)、 EEPROM模块(2.4)、射频接收模块(2.2)分别与单片机(2.1) 连接，显示模块(2.8)通过地址数据总线与单片机(2.1)连接；键盘(2.5)、报警模块(2.6)、串口通信模块(2.7)通过I/0口与单片机(2.1)连接。
4、 一种利用权力要求1所述的汽车轮胎数据的监测装置的监测方法，其特征在于在 轮胎的轮毂或气嘴上安装轮胎监测模块(1)，其中的传感器(1.1)将采集到的气压信号、加速度信号和温度信号转换为电信号，交由8位RISC (1.3)进行处理后通过射频发射模 块O.2)将信号发射出去，由中央处理模块(2)的射频接收模块(2.2)接收后，交给单 片机(2.1)进行处理，将相关信息通过显示模块(2.8)中显示出来，并对显示的结果进 行判断，若判断轮胎的气压及温度异于设定的标准值时，报警模块(2.6)将自动报警，若 判断轮胎的气压及温度与设定的标准值相同时，继续采集信号进行分析。
全文摘要
汽车轮胎数据的监测方法及其监测装置，涉及无线传感监测的技术领域。本发明包括轮胎监测模块、中央模块，轮胎监测模块安装在轮胎内，中央模块设置在汽车内；上述轮胎监测模块包括传感器包括压力传感器、加速度传感器和温度传感器；8位RISC对传感器采集到各种数据进行集中，并传输给射频发射模块；射频发射模块；TPMS专用电池；上述中央模块包括电源管理模块提供中央模块长时间工作的电力；EEPROM模块；射频接收模块；单片机用于对射频接收模块收到的数据进行处理；显示模块；键盘；报警模块；串口通信模块。本发明实现了随时了解胎压情况，增强了汽车在行驶过程中的安全性，避免交通事故的发生。
文档编号B60C23/02GK101332749SQ20081002066
公开日2008年12月31日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者张丛耸, 澍 沈, 裴文江, 陈欣荣 申请人:东南大学