一种单LF发射部件的双向胎压监测系统的制作方法

本发明属于汽车配件技术领域，尤其涉及一种双向胎压监测系统。

背景技术：

胎压监测系统因为可以提高车辆行驶安全性，降低油耗和避免轮胎因为漏气而损坏而被越来越多的车辆安装。胎压监测系统有单向和双向之分，包括若干个胎压传感器和一个接收终端：胎压传感器安装在车辆的每个轮胎里面，由电池供电，胎压传感器通常包括一个胎压传感器IC，RF天线和匹配电路，LF天线和匹配电路组成，传感器IC有内置的压力传感器，加速度传感器，温度传感器，RF发射电路，LF接收电路，以及MCU等，传感器IC有一个可以认为是唯一的序列号，一般把这个序列号作为身份识别，称为私有身份码；接收终端通常包括RF接收电路和天线，数据输出，车辆总线接口，MCU等部件，双向装置的接收终端还包括与轮胎相等数量的LF发射电路和天线；有些后装的胎压监测系统没有车辆总线接口，测量数据直接显示在自带的显示屏上。工作中胎压传感器把测量的胎压数据通过RF发射给接收终端，接收终端把接收到的各个轮胎的胎压数据进行处理，然后把胎压数据，以及可能的漏气和失压警告传输到车辆总线，或者自带的显示屏上；双向装置的接收终端的LF部件主要用于传感器唤醒和定位。

胎压监测系统的一个重要性能指标是工作寿命，由于胎压传感器安装在轮胎里面，由电池供电，因此胎压传感器电池的供电寿命决定了装置的寿命，双向装置的寿命远长于单向装置，因为在车辆闲置状态，双向装置定时开启LF接收功能来检测是否进入工作状态，而单向装置定时测量加速度来检测是否进入工作状态，前者的能耗远远低于后者，因此前者的电池供电寿命远远长于后者。

胎压监测系统的另一个重要性能指标是唤醒时间，双向装置的接收终端检测到车辆上电就立即用LF功能来唤醒胎压传感器，而且LF接收功能需要很低的能耗，开启间隔可以设置很短，唤醒几乎是即时的；单向装置需要车辆运行到一定速度才能检测到轮胎径向加速度的变化，而且测量加速度需要的能耗比较的，测量间隔也设置得比较长，唤醒需要比较长的时间。

胎压监测系统的还有一个重要性能指标是自动定位功能，双向装置的每个胎压传感器附件安装一个LF发射天线，其作用域仅限于这个胎压传感器，因此可以对胎压传感器随时进行快速定位；单向装置一般不能自动定位，需要用学习器或者定位器进行手动定位；最近有基于测量车辆转弯时各个轮胎的转弯半径差别进行自动定位方法，例如公开号CN105480029A提出的方法，和基于车辆的加速度导致胎压变化进行自动定位的方法，但由于单向装置的加速度测量时机不可控制，定位过程复杂，定位时间长。

由此可见，双向装置的各方面性能都比单向装置要好，但双向装置与单向装置相比，需要增加与轮胎数相等的LF发射组件，制造和安装成本大大高于单向系统，在成本压力下的中国本土市场具有竞争力的产品几乎都是单向系统。

技术实现要素：

本发明要解决的一个技术问题是一种单LF发射部件的双向胎压监测系统，它包括：控制终端和多个安装在轮胎上的胎压传感器。

所述的控制终端包含MCU，LF发射部件，RF接收部件，和车辆的总线接口，MCU与LF发射部件连接用于发送控制命令到各个胎压传感器，MCU与RF接收部件相连接用于接收各个胎压传感器的测量数据，MCU与车辆的总线接口连接用于获取车辆运行状态和传输测量结果，MCU还用于控制所述各个部件的工作，所述的MCU有个自动重装载定时器。

所述的LF发射部件的发射功率和天线安装位置满足所有胎压传感器的可靠接收，一个优选的安装位置是在控制器内，控制器安装在与各个轮胎的距离尽可能相等的位置。

所述的控制终端可以在现有技术中单向胎压监测系统的接收终端硬件基础上增加一个LF发射部件来实施，

所述的胎压传感器包含MCU，压力传感器，LF接收部件，RF发射部件，和电池，MCU与压力传感器连接用于获取胎压测量值，MCU与LF接收部件连接用于接收控制终端的控制命令，MCU与RF发射部件连接用于发送测量数据到控制终端，MCU还用于控制所述各个部件的工作，电池为胎压传感器各个部件供电。

所述的胎压传感器还可以包括一个加速度传感器，其中MCU与加速度传感器连接用于获取轮胎的向心加速度。

所述的胎压传感器硬件可以采用现有技术来实施，一种优选的胎压传感器采用英飞凌(INFINEON)的SP37胎压传感器IC，LF和RF匹配电路，以及LF接收天线和RF发射天线组成。

所述的每个胎压传感器有两个身份识别ID，称为公共ID和私有ID，公共ID是固定的，各个胎压传感器的公共ID相同，私有ID各不相同，一种优选的私有ID是胎压传感器IC的序列码，身份识别ID用于控制终端与胎压传感器之间通讯的身份识别，控制终端发送带有私有ID的信息用于指定某个胎压传感器接收，发送带有公共ID的信息用于所有胎压传感器接收，胎压传感器发送带有私有ID的信息用于表明身份，胎压传感器上电时把自己的身份识别ID设置为公共ID，胎压传感器内置有定时器中断，胎压传感器每次收到接收终端命令时重置定时器，定时器发生溢出时，胎压传感器把自己的身份识别ID设置为公共ID。

本发明要解决的第二个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统中胎压传感器的节能方法，它包括：胎压传感器处于被动工作状态，胎压传感器的常态为低功耗休眠状态，当胎压传感器接收到带唤醒码的命令并且所述的唤醒码与自身预置的唤醒码相同时，执行相应的命令，并且重置定时器，随后进入休眠状态，胎压传感器有两个唤醒码可以预置，分别是上述的公用ID和私有ID，一种优选的唤醒机制如英飞凌SP30胎压传感器芯片的LF唤醒机制。

本发明要解决的第三个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统中胎压传感器私有ID的获取方法，包括下面步骤：

步骤31，控制终端发送以公共ID为唤醒码的获取私有ID命令；

步骤32，各个胎压传感器接收到命令后唤醒，向控制终端发送自己的私有ID，然后进入休眠；

步骤33，控制终端接收到某个胎压传感器的私有ID后，记录此私有ID，并发送以公共ID为唤醒码的私有ID确认信息；

步骤34，胎压传感器接收到确认后，把唤醒码设置为自己的私有ID，然后进入休眠；

步骤35，如果控制终端接收到所有胎压传感器的私有ID，获取胎压传感器私有ID的过程结束，否则重复步骤31到步骤34.

本发明要解决的第四个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统中的数据测量和传输方法，包括下面步骤：

步骤41，控制终端向胎压传感器发送以私有ID为唤醒码和带测量对象信息的测量命令，所述的测量对象是胎压或者加速度；

步骤42，胎压传感器接收到测量命令后，按测量命令的测量对象进行测量，然后向控制终端发送带私有ID测量结果，然后进入休眠；

步骤43，控制终端接收测量结果。

本发明要解决的第五个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统中胎压传感器唤醒方法，包括下面步骤：

步骤51，控制终端发送以公共ID为唤醒码的唤醒命令；

步骤52，胎压传感器接收到唤醒命令后，把唤醒码设置为自己的私有ID，然后进入休眠；

步骤53，控制终端按上述的数据测量和传输方法的步骤依次从各个胎压传感器获取胎压值；

步骤54，控制终端完成了四个胎压传感器的获取操作，唤醒过程结束。

本发明要解决的第六个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统的测量周期设置方法，它包括：接收控制器MCU包含一个自动重装载定时器，所述的定时器溢出触发发送胎压测量命令，MCU从总线接口周期获取车速，并根据车速设置定时时间，一种优先的胎压测量间隔设置为

胎压测量间隔(秒)＝240/(1+车速(公里/小时))(取整数)

本发明要解决的第七个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统的一种基于胎压变化的自动定位方法，它包括下面定位过程：

接收终端从总线接口周期获取车辆速度和轮胎转弯角，根据速度变化得到车辆纵向加速度，根据轮胎转弯角得到转弯方向，然后根据三种状态接收终端进行对应操作：

状态1，纵向加速度为零和没有转弯：从各个胎压传感器获取当前胎压值，并且把当前胎压值存入静态胎压变量，记为P01，P02，P03，P04；

状态2，纵向加速度非零和没有转弯：从各个胎压传感器获取当前胎压值，记为P11，P12，P13，P14；把当前胎压值减静态胎压值，DP1＝P11-P01，DP2＝P12-P02，DP3＝P13-P03，DP4＝P14-P04，在DP1到DP4为两正两负的情况下，根据加速度方向确定是加速还是减速，减速时把上述DP1到DP4中为正的对应两个传感器设置前轮标志，为负的对应两个传感器设置后轮标志，加速时把上述DP1到DP4中为正的对应两个传感器设置后轮标志，为负的对应两个传感器设置前轮标志；

状态3，纵向加速度为零和在转弯，从各个胎压传感器获取当前胎压值，记为P11，P12，P13，P14；把当前胎压值减静态胎压值，DP1＝P11-P01，DP2＝P12-P02，DP3＝P13-P03，DP4＝P14-P04，在DP1到DP4为两正两负的情况下，根据转弯方向进行如下操作，左转时把上述结果为正的传感器设置右轮标志，结果为负的传感器设置左轮标志，右转时把上述结果为正的传感器设置左轮标志，结果为负的传感器设置右轮标志。

本发明的基本原理是：车辆转弯或者加减速时，车辆有个惯性力会导致各个轮胎对地面的压力发生变化，压力的变化引起轮胎形变的改变，轮胎形变引起气囊容积的改变，气囊容积的改变导致胎压的变化，这种胎压的变化量与车辆加速度方向和胎压传感器所在的轮胎位置有关，通过测量胎压变化量的大小和车辆加速度方向，可以对传感器位置进行定位。

图2是车辆的受力示意图，其中t1是前轮组两个轮胎在纵向坐标的受力点，t1是后轮组两个轮胎在纵向坐标的受力点，2*N1是前轮组两个轮胎对地面压力的反作用力(称为弹力)之和，2*N2是后轮组两个轮胎对地面压力的反作用力(称为弹力)之和，M是车辆的质心位置，m是车辆的重量，a是车辆的加速度，g是重力加速度，F是地面摩擦力。

垂直方向力平衡：m*g＝2*N1+2*N2

以t1为原点力矩平衡：m*g*L1＝m*a*H+2*N2*(L1+L2)

得到：N2＝m*g*L1/(2*(L1+L2))-m*a*H/(2*(L1+L2))

N1＝m*g/2-N2

因此加速度导致数值为-m*a*H/(2*(L1+L2)的胎压变化，负号表示：加速度方向的轮胎组的弹力变小，加速度反方向的轮胎组的弹力变大。

弹力作用在轮胎上导致轮胎形变，以满足力平衡：P*A＝N，A是轮胎与地面的接触面积，P1是轮胎的压强，N是弹力，

当弹力N改变，接触面积A改变，A的改变意味轮胎形变改变，导致轮胎气囊的体积改变，从而轮胎的气压发生改变，达到新的力平衡：(P+ΔP)*(A+ΔA)＝N+ΔN。

结论是加速度导致加速度方向的轮胎组的胎压变小，加速度反方向的轮胎组的胎压变大；类似的，横向分组可以得到相同的结论。因此通过测量胎压的变化，在车辆加速和减速时，存在纵向加速度，可以对轮胎进行纵向分组，得到各个轮胎的前后位置；在车辆转弯时，存在横向的向心加速度，可以对轮胎进行横向分组，得到各个轮胎的左右位置。完成了纵向分组和横向分组，各个传感器所在的轮胎的位置被唯一确定了。

本发明要解决的第八个技术问题是上述单LF发射部件双向胎压监测系统的一种基于加速度差异的自动定位方法，它包括下面定位过程：

接收终端从总线接口周期获取车辆轮胎转弯角，根据轮胎转弯角得到转弯方向，然后根据两种状态接收终端进行对应操作：

直行状态按如下步骤操作：

步骤701：周期循环获取各个胎压传感器加速度并且各自进行累加，记为Asum1，Asum2，Asum3，Asum4，直至车辆脱离直行状态；

步骤702：在车辆脱离直行状态时，判断模块把步骤41的累加值进行校正系数计算，

Aavg＝(Asum1+Asum2+Asum3+Asum4)/4

K1＝Aavg/Asum1

K2＝Aavg/Asum2

K3＝Aavg/Asum3

K4＝Aavg/Asum4

转弯状态按如下步骤操作：

步骤711，获取各个轮胎的径向加速度值，记为A01，A02，A03，A04，并且根据步骤702得到校正系数进行校正：

A01＝K1*A01

A02＝K2*A02

A03＝K3*A03

A04＝K4*A04

步骤712，自大到小排序径向加速度值，排序后的加速度值记为：A1，A2，A3，A4。

步骤713，计算排序后各组相邻值的差值：D1＝A1-A2，D2＝A2-A3，D3＝A3-A4.

步骤714，在差值都大于设定的阈值的情况下，根据转弯方向做如下定位：

左转时，最大加速度值的传感器在前右轮，第二大的在后右轮，第三大的在前左轮，最小的在后左轮；

右转时，最大加速度值的传感器在前左轮，第二大的在后左轮，第三大的在前右轮，最小的在后右轮。

阈值的设定是为了避免在小差值情况下由于加速度测量的误差导致误定位，优选的阈值是加速度传感器测量精密度的1～3倍。

本发明的原理是根据车辆转弯时各个轮胎的转弯半径不同，安装在轮毂外缘的胎压传感器内置的径向加速度传感器测量到的向心加速度也不同，由此对各个胎压传感器所在的轮胎位置进行甄别。图1是根据阿克曼转向几何绘制的车辆右转时各个轮胎的转弯半径图，其中A是轮距，B是轴距，α是轮胎转角，Rfl，Rfr，Rrl，Rrr分别是前左，前右，后左，后右轮胎的转弯半径，各个轮胎的转弯半径可以根据A，B，α计算：

C＝B*Ctg(α)

Rrl＝C+A/2

Rrr＝C-A/2

Rfl＝sqr(B^2+Rrl^2)

Rfr＝sqr(B^2+Rrr^2)

得到：Rfl＞Rrl＞Rfr＞Rrr。

因为转弯半径越大，轮胎的转速越高，加速度测量模块测量到的向心加速度也越大，存在如下轮胎位置和向心加速度关系：

前左轮向心加速度＞后左轮向心加速度＞前右轮向心加速度＞后右轮向心加速度。

同样的分析适合于车辆左转，可以得到：

Rfr＞Rrr＞Rfl＞Rrl

前右轮向心加速度＞后右轮向心加速度＞前左轮向心加速度＞后左轮向心加速度。

本发明具有下列优点：

1.在单向系统基础上增加一个LF发射部件可以实现现有双向技术的所有功能；

2.胎压传感器被动工作模式使其具有测量数据传输防碰撞功能，比现有技术更节能；

3.胎压测量间隔和测量数据传输间隔可以由接收控制器根据车速，路况和胎压的变化来控制，在进一步降低胎压传感器能耗的同时，提高了车辆行驶的安全性；

4.监测策略的改变只需要改变接收控制器的程序，可以远程下载更新；

5.胎压传感器的工作状态不需要加速度传感器的参与，进一步降低了能耗；

6.各个胎压传感器测量时机的可控性使一些用转弯和胎压进行自动定位的过程变得快速，简单，和可靠；

7.LF发射部件，包括发射天线，可以安装在接受终端内，简化了双向装置的安装复杂性和成本。

附图说明

图1是根据阿克曼转向几何绘制的车辆右转时各个轮胎的转弯半径图

图2是车辆的受力图。

图3是一种优先的单LF发射部件的双向胎压传监测系统的结构

图4是控制终端的结构。

图5是胎压传感器的结构。

图6是胎压传感器程序流程框图

图7是接收控制器程序流程框图

具体实施方式

以下以具体实施方式对本发明进行详细描述，图3是一种优先的单LF发射部件的双向胎压传监测系统的结构，它包括：控制终端20，四个安装在轮胎上的胎压传感器10。

控制终端20的结构如图4所示，它包含MCU200，LF发射部件201，RF接收部件202，和车辆的总线接口203；MCU200与LF发射部件201连接用于发送控制命令到各个胎压传感器，MCU200与RF接收部件202相连接用于接收各个胎压传感器的测量数据，MCU201与车辆的总线接口203连接用于获取车辆运行状态和传输测量结果，MCU200还用于控制所述各个部件的工作。

控制终端20的各个部件安装在一个外壳内，并且固定在车辆排挡下方的底盘上与四个轮胎距离尽量相等的位置，LF发射部件201的发射功率满足各个胎压传感器能可靠接收。

控制终端20也可以用现有技术中单向胎压监测系统的接收终端硬件基础上增加一个LF发射部件来实现，

胎压传感器10的结构如图5所示，它包含MCU100，LF接收部件101，RF发射部件102，压力传感器103，加速度传感器104，和电池105；MCU100与LF接收部件101连接用于接收控制终端的控制命令，MCU100与RF发射部件102连接用于发送测量数据到控制终端，MCU100与压力传感器103连接用于获取胎压测量值，MCU100与加速度传感器105连接用于获取径向加速度测量值，MCU100还用于控制所述各个部件的工作，电池105为胎压传感器各个部件供电。

胎压传感器10也可以使用现有技术的硬件来实现，一种优选的胎压传感器采用英飞凌(INFINEON)的SP37胎压传感器IC和的LF和RF匹配电路以及LF接收天线和RF发射天线组成。

接收控制器的程序流程如图6所示，接收控制器全局控制胎压传感器的工作，其中传感器定位操作可以采用发明内容中所述的两个定位方法之一，或者混合使用这两个定位方法；接收控制器MCU包含一个自动重装载定时器，定时器溢出触发发送胎压测量命令，MCU从总线接口周期获取车速，并根据车速设置定时时间，一种优先的胎压测量间隔设置为

胎压测量间隔(秒)＝240/(1+车速(公里/小时))(取整数)

为了避免频繁设置测量间隔，可以设定一个容差窗口，当根据当前车速计算得到的测量间隔与正在执行的测量间隔差的绝对值大于容差窗口时才进行设置。

胎压传感器的程序流程如图7所示，胎压传感器处于被动工作状态，胎压传感器的常态为低功耗休眠状态，当胎压传感器接收到带唤醒码的命令并且所述的唤醒码与自身预置的唤醒码相同时，执行相应的命令，并且重置定时器，随后进入休眠状态；胎压传感器有两个唤醒码可以预置，一个是固定的各个胎压传感器相同的公共ID，一个是各个胎压传感器各不相同的私有ID；私有ID还作为接受控制器识别胎压传感器的身份码；一种优先的私有ID是胎压传感器IC的序列号，如英飞凌的SP37有四个字节的序列号，基本能保证各个传感器的私有ID不重复。