CN101423008A

CN101423008A - 采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统

Info

Publication number: CN101423008A
Application number: CNA2008102436005A
Authority: CN
Inventors: 张健
Original assignee: Wuxi Caifeng Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Wuxi Caifeng Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: CN101423008B

Abstract

本发明涉及一种采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，尤其是一种用于轮胎数在八个以上的大车的低功耗的轮胎压力监测系统，其包括安装于每个汽车轮胎内的传感器模块、蓝牙发射模块和安装于汽车驾驶台的蓝牙接收模块。其优点是：由于运用了蓝牙的频域展开使得每个轮胎的传感器能准确与汽车驾驶台上的接收器通讯，避免了各个轮胎上传感器的相互干扰以及和临近车上胎压传感器的干扰；蓝牙的小范围主从微型网络还能拓扑展开，很容易的建立起多个轮胎的压力监测系统。

Description

采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统

技术领域

本发明涉及一种采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，尤其是一种用于轮胎数在八个以上的大车的低功耗的轮胎压力监测系统。

背景技术

汽车胎压监视系统(TPMS)主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。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，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。

基于压力传感器的TPMS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视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。

目前TPMS主要有三种实现方式：直接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。

间接TPMS是与车辆的防抱死系统(ABS)一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。但是，间接TPMS有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。

直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。

混合TPMS就是在常规的间接TPMS需要在系统中安装两个额外的胎压传感器和一个射频接收器。胎压传感器要安装在车轮上，两个传感器呈对角安装。它们能够检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎，当所有4个轮胎都处于低压状态时，系统也可以检测到故障。但是，和间接系统相似，当两个呈对角的轮胎(不带直接气压传感器)都处于低压状态时，系统只能检测到一个轮胎充气不足。

直接式TPMS包括射频TPMS模块，射频发射器，射频接收器，以及RISC微控制器以及压力传感器等。完善的产品链自成系统，具有最高的匹配性，采用的是ASK/FSK调制方案，工作在350MHz和450MHz免许可频段。除了能够实现精确的胎压监测外，还能提供准确的温度检测和加速度检测。压力范围为100-450kPa，而温度范围和加速度范围则分别为-40～+125℃和-12～115g。但因为使用的频段单一，抗干扰能力差。加上发射功率有限，很难用于多轮胎的大车上。

耗电量是TPMS传感器/发射器要考虑的主要问题之一。为使传感器/发射器模块尽量小巧、轻便，对电池的大小作了严格的规定。由于电池的体积缩小，电池容量或有效能量也变小。汽车制造商都期望有寿命较长的电池，一般规定电池的最短寿命为10年，容量最小为220mAh。蓝牙的功耗曾经是影响其应用的软肋，2007年6中旬，蓝牙技术联盟和诺基亚共同宣布，超低功耗型的ULP(Ultra Low Power)蓝牙标准Wibree将作为一项超低功耗蓝牙技术成为蓝牙规格的一部分。这就克服了蓝牙功耗的壁垒使其能充分发挥在小范围微型网络和频域展开(FHSS)的优势在TPMS领域得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，利用蓝牙特定的小范围微型网络和频域展开(FHSS)的优势，去除其他轮胎的干扰将车上各个轮胎的压力信息实时汇总给驾驶仪表显示，这种优势在轮胎数超过8个以上时更为明显。

按照本发明提供的技术方案，一种采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，包括安装于每个汽车轮胎内的传感器模块、蓝牙发射模块和安装于汽车驾驶台的蓝牙接收模块。

所述蓝牙发射模块采用超低功耗蓝牙技术，所述蓝牙发射模块包括数字信号处理单元和射频发射集成电路；所述传感器模块包括压力传感器、温度传感器，所述压力传感器和温度传感器用于采集压力、温度信号并由数字信号处理单元处理后通过射频发射器发射给所述蓝牙接收模块。

所述蓝牙接收模块包括射频接收集成电路和信号处理MCU(微处理器)、键盘、显示器，所述射频接收集成电路接收的信号由信号处理MCU处理并在显示器上显示。

所述蓝牙接收模块可以组成蓝牙微微网以接收多个传感器模块发送的信号。

所述每个压力传感器都具有6-8位独有的ID识别码，以便于蓝牙接收模块的识别。

所述射频接收集成电路和信号处理MCU安装在一个盒子里，所述盒子安装在汽车驾驶台的仪表箱内，所述键盘和显示器安装在驾驶台上。

所述显示器实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的ID识别码，以及报警信息。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1由于运用了蓝牙的频域展开(FHSS)使得每个轮胎的传感器能准确与汽车驾驶台上的接收器通讯。避免了各个轮胎上传感器的相互干扰以及和临近车上胎压传感器的干扰。

2蓝牙的小范围主从微型网络还能拓扑展开，显示台的一个蓝牙宿主最多能带7个从属的胎压传感器组成一个蓝牙微网，而每一个胎压传感器上的蓝牙设备既可以作为原来微网的从属设备又可以作为一个新蓝牙宿主组成一个新的蓝牙微网和其他7个从属的胎压传感器双向通讯。这就很容易的建立起多个轮胎的压力监测系统。

这两大优势决定了本发明非常适用于汽车尤其是多轮胎大车的轮胎压力监测。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括安装于每个汽车轮胎内的传感器模块、蓝牙发射模块和安装于汽车驾驶台的蓝牙接收模块；所述蓝牙发射模块包括数字信号处理单元和射频(RF)发射集成电路；所述传感器模块包括压力传感器、半导体温度传感器。所述压力传感器、半导体温度传感器用于采集相关信号并由数字信号处理单元处理。压力/温度信号经TPMS传感器模块内的专用集成电路ASIC/SoC处理，通过其SPI口(串行外围设备接口)传输给安装在蓝牙发射模块内的数字信号处理单元，综合成数据流再进入同一封装内的RF发射集成电路(IC)，按设定的超高频率(UHF)调制发射给安装在驾驶台的蓝牙接收模块。

ASIC(Application Specific Integrated Circuit)是专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。现代ASIC常包含整个16位或32位处理器，类似ROM、RAM、EEPROM、Flash的存储单元和其他模块，这样的ASIC常被称为SoC(片上系统)。

为了便于TPMS蓝牙接收模块的识别，每个压力传感器都具有6-8位独有的ID(身份识别)识别码。结合蓝牙微网技术适用于多轮胎的大型和特大型车辆的胎压监控。

TPMS蓝牙接收模块由UHF ASK/FSK RF接收IC和信号处理MCU、键盘、LCD显示器组成。RF接收IC和信号处理MCU安装在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的LCD显示器可安装在驾驶台上，LCD显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的ID识别码，以及结合发声装置进行声光报警。

本发明采用低功耗的蓝牙芯片取代了传统TPMS的微处理器或控制器状态机、射频功率控制器和射频发射器。

一般有两个方法帮助系统节电：一是汽车启动时TPMS自检，进入高速行驶时用事先设定软件程序定时巡回检测。为此，需要TPMS蓝牙接收模块进行低频唤醒，在TPMS蓝牙发射模块上要安置唤醒(Wake-up)芯片，由于唤醒频率为125kHz低频，TPMS蓝牙接收模块要发出具有一定功率的呼唤信号，需要在TPMS蓝牙接收模块上增加一级天线驱动；二是在传感器模块中增加加速度传感器，利用其质量块对运动的敏感性，实现汽车启动自动开机，进入系统自检，汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期，用软件设定安全期、敏感期和危险期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力。

蓝牙用的是小范围微型网络，最简单的配置下一个配蓝牙的驾驶仪表能带7个蓝牙胎压传感器。如有需要，蓝牙微网能随时扩展，每个蓝牙胎压传感器(压力传感器和蓝牙发射模块的结合)能是另外7个新的蓝牙胎压传感器的宿主，能汇总这7个的胎压信息并将本身的胎压信息一并传给配蓝牙的驾驶仪表。这就使微网能任意扩充尤其适合轮胎数超过8个以上的应用。

蓝牙接收模块可以组成蓝牙微微网以接收多个传感器模块发送的信号。两个蓝牙设备成功建立链路后，一个微微网便形成了，两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时存在。

蓝牙的频域展开(FHSS)就是将蓝牙的频段分成79个1Mhz带宽的信道再利用规定范围内的随机序列每秒变换1600次的发射频率。如果一个数据包在一个信道上受干扰丢失就会马上另一个信道上得到更正。这就增加了数据传送的可靠性。由于快速的变换信道，将蓝牙传输的相互干扰降到了最低，尤其适合道路拥挤时多车同时用胎压监测。

一辆轿车需要4个TPMS发射模块(如有备胎还需要1个)、1个TPMS接收器。一辆卡车需要6-12个TPMS发射模块。TPMS本身由以下三个部分组成：1.压力传感器，2.压力传感器信号调节芯片，3.射频发射装置。

TPMS必须能承受-40°C至150°C以上的温度以及高达2000g的加速度。极端环境下，还将使用一些特殊器件以保证寿命达到10年。

胎压监测模块中的压力传感器是一个典型的微电子机械系统(MEMS)器件。压力/温度信号经TPMS传感器模块内的ASIC/SoC电路处理，传输给安装在蓝牙模块内的信号处理单元，综合成数据流再进入蓝牙的RF发射IC，按设定的蓝牙发射频率(2.4GHz)发射给安装在驾驶台内的接收器。由于TPMS发射模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，能适应工作在-40℃到+125℃温度范围。

来自硅片传感器的信号必须经过放大和数字化，而整个器件还需要进行校准和初始化。可以从传感器桥(sensor bridge)采集信号后，对信号进行数字化处理，然后直接在芯片上测量温度并执行所需的全部校准和初始化操作。也可以用简单的指令集计算机(RISC)去控制微控制器内核，该内核专用于TPMS。

经过校准和初始化，现在每个轮胎都能够发送压力信息至驾驶室的仪表盘中，而车身控制器也能判断信号来自哪个轮胎。

TPMS关键的指标是：耗电量、体积、可靠性和成本。要使电池寿命尽量延长，就必须以很高的占空比为设备的各个部分供电。作为电源管理一部分，这些设备需包含一个“惰态”工作模式和一个“活跃”工作模式。“活跃”模式受汽车运动的触发，其压力读取率能比“惰态”模式高一百倍。在射频发射期间，TPMS的耗电量最高，高出压力测量处理模式期间的5倍以上。如果减少压力测量发射次数或仅在压力大幅度减少时才进行测量和发射，就能节省大量的功耗。

设计一个运行稳定、功效高的系统时，需要考虑的第一个因素就是软件。因为车轮模块通常是用微控制器来执行命令的，所以应采用一种智能化算法实现预期的功效。其次，使用低频功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低频接口时，感应模块可以始终处于电源关闭模式，这样功耗最低。只有在收到唤醒信号后，传感器才会进行测量和数据传输。除了降低功耗以外，低频接口还具备设计灵活性和其他一些优势。第三种降低功耗的方法是使用滚动开关来检测轮胎是静止的还是运行的。因此，运算可通过如下方式进行——只有当车辆运行时，才进行相应的检测和/或传输。

加速度计是一种检测车轮旋转的高G值传感器。当加速度计集成进去后，应用软件可以用这种方法编写——即当加速度计的读数低于某一水平时，表明车辆是静止的或者非常缓慢地行驶着，此时，TPMS可停止运行或以很低的频率运行。一般的车辆在公路上行驶的平均时间大约为15％。考虑到这一点，这种设计方案可以大幅度降低TPMS的功耗。

最后，通过选择低功耗元件并通过使用具有集成功能的元件来尽可能减少元件数量，可获得更高功率效率并降低系统总成本。

利用超低功耗(ULP)蓝牙作为胎压信号的传输手段有以下五个核心价值，分别为：低成本、低功率、小覆盖范围、全球标准化和鲁棒性。首先，ULP蓝牙采用了与标准蓝牙一样的呼吸(sniff)监听视模式，用于实现低功率工作。不同之处在于ULP蓝牙在连接的初始阶段就使用该功能。这就是说，每一个ULP蓝牙连接都会自动进入降低速率的呼吸模式，因此自动实现了极低的功率。这意味着，在连接时，ULP蓝牙就被优化成标准蓝牙以达到后者最高潜能时所具备的低功耗性能。

其次，在应对低成本问题方面，ULP蓝牙可以采用现成的标准CMOS制造技术进行构建，其时序要求不如标准蓝牙苛刻，因此可以采用较低成本的晶振。这意味着ULP蓝牙的外部材料成本也将比标准蓝牙低。

同时，ULP还具有在使用时不需要进行特别的调整，不需要遵守任何限制性规则，是真正的可以用在世界地球任何角落的全球技术。

最后，ULP蓝牙被设计成具有鲁棒性，采用跳频来确保能从单频阻塞系统和其他跳频器的干扰中恢复。

最初成型阶段的蓝牙就已经被设计成低功率，但是超低功率形式的蓝牙进一步进行了相关优化。这种超低功率是如何实现的呢？蓝牙设备在大部分时间内并不是在不断地相互通信，而只是处于闲置状态，不进行任何操作，等待被动和主动地进行一些重要操作。因此如果蓝牙设备99％的时间都处在闲置状态，针对这种状态进行功耗优化是非常有意义的。这可以主要通过采用更低频率来实现，与传统蓝牙相比，其连接时间更短，连接时的功耗更低。蓝牙可采用32种频率来实现连接，而ULP蓝牙则只采用3种。因此与蓝牙1％占空比不同的是，ULP蓝牙具有0.1％的占空比。ULP蓝牙设备还可以主动通过通知来告知其他设备它的存在。接着它快速侦听以了解是否有其他设备有兴趣进行连接，然后快速关断一长段时间，直到它想再次通知它的存在。

天线选择和匹配网络。模拟和测试已经证明，与常规的接地天线相比，环路天线更加有效并且带宽更宽。环路天线通常被印刷在电路板上，并且要适当匹配才能获得最佳效率。但是，有几个常见的外界因素会影响天线的性能和阻抗，如手效应——会改变自由空间和金属物体附近的介电常数，而且这些因素对于获得准确的测量结果来说是至关重要的，并且必须被考虑在内。这被证明是TPMS系统设计者所面临的一大挑战，因为天线必须在尽可能多的实时影响因素同时出现的情况下进行测量，即要同时调整天线电阻网以及安装在边框上或靠近底部的发射器模块。

胎压的显示方式可以有LCD和LED显示两种。

LED显示采用红和黄色两种颜色来指示，黄色表示气压不足，红色表示气压严重不足，伴随着闪烁。

LCD形式采用段码的较多，画面直观明了，主要是成本低。信息显示方式各个轮胎压力温度轮流显示。

胎压报警的级别主要是系统对于不同压力级别的处理方式。根据最新的美国法规，三个级就可以：

a.在低于标准的压力的25％

b.低于标准的压力的50％

c.高于标准压力的25％

胎压监测模块的封装也很重要，封装包括下面所描述的压力传感器信号调节芯片。

TPMS系统设计中还有一个非常重要的方面是传感器的介质兼容性。传感器的精确性和可靠性在很大程度上受外部介质的影响，如潮湿、灰尘和其它物质如制动液等。英飞凌的TPMS传感器SP30采用夹层工艺，由夹在两个玻璃层之间的单硅晶组成。传感器元件具备卓越的介质兼容性，因为其气压入口朝向硅膜片的背面。同时，芯片的封装方式也会影响传感器的性能。

Claims

1、一种采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，其特征是：包括安装于每个汽车轮胎内的传感器模块、蓝牙发射模块和安装于汽车驾驶台的蓝牙接收模块；

所述蓝牙发射模块采用超低功耗蓝牙技术，所述蓝牙发射模块包括数字信号处理单元和射频发射集成电路；所述传感器模块包括压力传感器、温度传感器，所述压力传感器和温度传感器用于采集压力、温度信号并由数字信号处理单元处理后通过射频发射器发射给所述蓝牙接收模块；

所述蓝牙接收模块包括射频接收集成电路和信号处理MCU、键盘、显示器，所述射频接收集成电路接收的信号由信号处理MCU处理并在显示器上显示。

2、根据权利要求1所述的采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，其特征在于，所述蓝牙接收模块可以组成蓝牙微微网以接收多个传感器模块发送的信号。

3、根据权利要求1所述的采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，其特征在于，所述每个压力传感器都具有6-8位独有的ID识别码，以便于蓝牙接收模块的识别。

4、根据权利要求1所述的采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，其特征在于，所述射频接收集成电路和信号处理MCU安装在一个盒子里，所述盒子安装在汽车驾驶台的仪表箱内，所述键盘和显示器安装在驾驶台上。

5、根据权利要求1所述的采用蓝牙技术的汽车轮胎压力监测系统，其特征在于，所述显示器实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的ID识别码，以及报警信息。