汽车轮胎气压测试

汽车轮胎气压测试 汽车轮胎气压监测 一、测试任务 轮胎气压状态直接影响着车辆的安全性、燃油经济性以及轮胎寿命。轮胎气压过低、轮胎气压过高、或是轮胎的快速漏气，都会对行车安全带来极大的隐患，甚至直接导致爆胎的发生和车辆操控性变差酿成事故。汽车轮胎缺气行驶时，与地面的摩擦阻力增加，会增加油耗，还会加速轮胎的磨损。在美国每年的轮胎事故造成 414 人丧身，10275 人受伤，20%的爆胎事故是由气压不足引起的，美国每年通过维持合适的汽车轮胎气压可以减少 10%的汽油用量并节省约 20 亿美元，如将轮胎平均寿命延长 5%，每年可少产生一亿个废轮胎。所以保持轮胎的气压处于正常值，不但有利于车辆安全，而且能够节约油耗，延长轮胎的使用寿命。 本测试任务是对汽车轮胎气压进行实时监测，对轮胎气压过低或过高，以及快速漏气等状态进行监测报警。提醒驾驶者保持汽车在正常气压下行驶，可有效预防一般性爆胎的发生、节约车辆的燃油消耗，延长轮胎的寿命。 二、测试的选择 由传感器直接测量轮胎的气压，传感器放置在轮胎上，而轮胎又是一个高速旋转运动的部件，所以，传感器无法与中央处理器通过电缆实现有线联接，必须依靠无线通讯来交换数据，因此系统相对比较复杂，技术难度相对较高。 系统优点: 1、传感器可以直接准确地测量轮胎内绝对压力值(主流的传感器还可同时测量温度值)，因而能准确直观地显示各轮胎的压力值，并能准确指出是哪个或哪几个轮胎压力不足或过高; 2、传感器测量轮胎压力的检测取样周期短，主流传感器取样周期一般都可以做到小于 4 s，基本做到了实时监测; 3、测量的压力值精度高，一般可以达到?10 kPa; 4、压力测量不受道路状况和车速的影响; 5、可以同时检测多个轮胎的状态，哪怕是 10 个以上车轮。 缺点: 、传感器内的电池寿命有限，对系统的节电设计是个挑战; 1 2、无线信号的可靠接收有技术难点，因为轮胎运动方式为高速旋转运动加 高速平行移动，需妥善解决漏报警和误报警; 3、传感器处于轮胎极端恶劣的环境中，对传感器的耐气候性、耐机械性、耐溶剂性要求较高; 4、对轮胎传感器的安装位置和安装方式要求高，且需做动平衡。 系统结构图 三、胎压监测传感器设计 1、描述 每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器，它能够准确测量轮胎内部的压力和温度，传感器通过无线形式按照一定的规律向车身控制器发送轮胎的压力值和温度值，BCM通过CAN总线将信息帧发送给仪表盘，驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值，仪表盘能够准确显示报警轮胎的位置，并发出图形、声音、文字报警。同时安装于每个轮胎挡泥板位置处的低频天线与BCM进行信息通信，并将BCM需要汽车胎压监测传感器何种操作信息解析并转换为125 kHz低频无线数据发射出去，汽车胎压监测传感器将接收此低频无线信号，然后按照解析后的操作信息进行工作。由于该产品是汽车产品安全件，其应在各种环境下具有高可靠性，各种环境为:各种天气情况下，例如阴天、下雨等不同天气环境;各种路况，例如国道、高速、乡村公路、山路等等;冬季中的雪路、冰面、极其寒冷地区(-40 ?);夏季中的炎热、潮湿地区(地表温度+50 ?，90%湿度);不同的车速(0,200 km/h)等。这就需要在设计汽车胎压监测传感器时要严格选择各个器件。 2、电路设计 由于汽车胎压监测传感器是安装在轮胎内部，不与外界接触，这就要求不能过于频繁地维护修理，一般要求有10年使用工作寿命，而且其工作温度范围为-40,+125 ?，这就要求所选择的器件都要是汽车级和低功耗元器件。 传感器系统组成框图 3、传感器选择 MCU/Sensor是系统的核心，由Infineon公司的SP300V2.1E1060实现。SP300V2.1E1060整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器与加速度传感器和一个电池电压监测器，并内部集成一个低功耗8位哈佛结构的RISC 控制器;它具有下电、运行、空闲、关断4种工作模式，并有IT/LT 唤醒、PORT 唤醒和LF低频检测唤醒3种唤醒方式，能够有效地满足系统低功耗设计要求。压力测量范围0,3.5 Bar;温度测量范围-40,+125 ?;向心加速度测量范围-12g,115g;工作电压范围1.8,3.6 V。 (1)压力传感器选用扩散硅压力传感器 扩散硅压力传感器是将充油扩散硅压力传感器芯体，通过激光焊接方式，装入特定螺纹的压力接口中组成。所有产品经严格测试和筛选，利用MAX1452专用芯片进行温度补偿和非线性校正，典型精度为0.25%，最高精度优于0.1%，并保证在,25到80度工作温区(最大可在,40到105度)，全温区测量精度在1%以内，5V供电，输出0.5,2.5V电压信号，适用于各种不同压力测量产品的组装和生产。 产品特点 测量范围:0~100kPa„35MPa 隔离式结构，适用于多种流体介质 高精度，最高优于0.1% 具有表压、绝压和密封参考压形式 5V供电 通过程序及专用芯片补偿零位和温度漂移 及特制螺纹压力接口可供选择 良好的互换性 无需专用运放芯片，只需低成本的VI转换电路即可完成信号变送处理 激光焊接传感器芯体，避免密封圈老化引起的压力泄露 输出电压信号，可直接接入二次仪表及单片机进行信号处理 (2)温度传感器选用热敏电阻温度传感器 PN结电阻在不同温度下有差别的.根据这个阻值的变化就可以测量环境温度的变化. N型半导体 在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成了以电子导电为主的半导体，即N型半导体。 P型半导体 在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就就成了以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。 紧密相连的P型半导体和N型半导体之间会形成一个空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性,二极管就是利用PN结的这个特性做成的。 PN结的结电阻结电容等参数都是随温度变化的，可以利用这种变化制作温度传感器，即热敏传感器。 测量温度范围: -50?~120? -50?~250?; R25电阻值: 3K, 5K, 10K, 20K, 100K 等; B值: 3435K， 3950K，3270K，4537K等; R25电阻值和B值精度:分别可达?1,~5%; 采用日本热敏电阻芯片; 采用双层密封工艺，具有良好的绝缘和抗机械碰撞、抗折弯能力; 保护管直径: Φ4，Φ5; 外引线采用PVC绝缘电缆或高温电缆; 安装方式: 直管式，螺纹式，螺丝压接式等; (2)加速度传感器选用压电式传感器 YD系列(IEPE)电压输出型压电加速度传感器由压电加速度计(军标陶瓷片)和专用进口 ICP芯片两部分组成，即将传统压电加速度传感器和放大器集于一体，供电和信号输出共用一根电缆线(统筹那个称为二线制方式，即用同轴电缆给传感器提供2~20mA的恒流电源，而信号输出也通过这根电缆输出);恒流电源能直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统，提高了测试的精度和可靠性。 线性:?1% 横向灵敏度:?5% 输出幅度:?5VP 输出偏置电压:8~12VDC 供电电流:2~20mA 典型值:约4mA 激励电压:12~30VDC 典型值:24VDC 输出阻抗:?150Ω 壳绝缘电阻:>108Ω 放电时间常数:?0.2秒 年稳定度:3, 安装螺纹:M5 使用温度范围:,40?,+80? 4、射频单元选择 RF射频芯片主要用于将数字信号转换为高频信号。系统采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作电压为+ 2.1,+6.0 V，8 mA的低工作电流，OOK/ASK调制方式，通信速率能达到100 kbps ，小封装3 mm×3 mm，8引脚SOT23 封装。它消除了基于SAW 发送器设计的问题;采用晶体结构，提供了更大的调制深度和快速的频率响应机制;降低了温度的影响，温度范围可达-40 ,+125 ?。其内部包含功率放大器(PA)、晶体振荡器(crystal oscillator)、驱动器(driver)、数据有效检测电路(data activity detector)、锁定检测电路(lock detect )、锁相环(32x PLL)、分频器(16分频)等电路。 MAX7044有一个自动的低功耗模式(shutdown mode) 控制方式。如果DATA引脚在一个确定的时间(等待时间)内没有动作，器件自动进入低功耗模式。等待时间大约是216个时钟周期，在433 MHz频率大约为4.84 ms。进入低功耗模式的等待时间为: tWAIT=216×32fRF。其中，fRF是射频发射频率。当器件在低功耗模式时， 在DATA 信号的上升沿“热”启动晶振和PLL，晶振和PLL 在数据发射前需要220 μs的建立时间。基准频率和载波频率的关系为: fXTAL=fRF/32。 MAX7044的主要特性参数如下: (1)，2.1,+3.6 V单电源供电 (2)OOK/ASK发射数据 (3)最大数据率100 kbps (4)+13 dBm输出功率(50 Ω负载) (5)供电电流低(典型值7.7 mA) (6)250 μs快速启动时间 由MAX7044构成的发射电路图如图所示，实际设计时根据天线的实际阻抗和射频发射芯片输入阻抗，利用π型匹配网络完成射频发射芯片和天线之间的阻抗匹配，以达到最大功率输出。 MAX7044电路图 LF低频通信中，SP300V2.1E1060接收来自BCM发出低频信息。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成，如图所示。 低频硬件电路示意图 为了达到最优低频接收灵敏度，电感和电容谐振频率设计为低频载波频率125 kHz。谐振频率计算公式为fc=(2πLC)-1。低频电感采用普莱默(Premo)公司TP11030477，电感量4.77 mH，通过上述公式推导计算电容值: 5、天线设计 天线的性能将直接影响数据传输的质量，它是汽车轮胎监测传感器发射功率提升的重要因素。汽车轮胎监测传感器的天线靠近气门嘴，因而在设计天线时必须考虑轮胎金属丝的屏蔽，轮辋金属的反射影响，以及车轮高速旋转时天线不断变换方向、角度的影响等，所以天 线设计时必须考虑以下因素:极化选择，线极化容易受到天线姿态的影响，旋转的车轮对天线的工作极化要求相对较高;天线与射频模块连接，需要解决好阻抗匹配的问题，这也是天线设计的重点;由于轮胎压力传感器安装在轮胎内，受到车身、天线运动等对性能的影响，主要是指对天线的增益、方向图形状、阻抗(电阻和电抗)等的影响;小型化设计，安装在轮胎内部的天线，必须考虑小型化设计，433.92 MHz的工作频率，波长为691.37 mm，常规的天线尺寸一定不能满足要求。 基于以上考虑，选用气门嘴作为发射模块的天线，这种天线具有加工容易、成本低、易于一体化设计、易于匹配等优点。 四、软件设计 系统具有的软件功能:周期性测量轮胎压力、温度值，可变周期性发射轮胎压力、温度值， BCM低频射频数据接收处理，气压高报警功能，气压低报警功能，温度高报警功能，快漏气报警功能，电池电压低报警功能，传感器无信号报警功能。系统要求具备10年长寿命特性，系统要达到如此长的使用年限，一般状态下系统都处于休眠状态，静态电流只有0.6 μA，系统休眠状态可通过低频LF中断或定时器中断来唤醒。系统软件框架流程如图所示。 五、结论 无论是台架试验还是各种情况的道路测试，轮胎压力传感器均保持高可靠性，系统低频收发准确率和高频收发准确率达到98%。当轮胎出现异常危险情况时，汽车仪表盘显示相关报警信息，实时提醒驾驶者，将因轮胎气压问题造成的事故消灭在萌芽之中，增强了汽车行驶的安全性。