一款集成TPMS功能的儀表盤設(shè)計(jì)

摘要：筆者為某電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)了一款集成TPMS功能的儀表盤，將TPMS接收器以子板的形式在儀表盤上實(shí)現(xiàn)，降低了獨(dú)立安裝的成本和不便，同時(shí)可方便安裝和拆卸，以滿足不同電動(dòng)汽車配置的要求。根據(jù)TPMS、儀表盤的工作原理及其集成方式分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、TPMS天線設(shè)計(jì)和儀表盤軟件設(shè)計(jì)。采用SP37設(shè)計(jì)TPMS發(fā)射器，通過獨(dú)特的天線設(shè)計(jì)解決了發(fā)射效率和使用壽命的問題，通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制算法解決了儀表盤指針平滑運(yùn)轉(zhuǎn)的問題。

儀表盤是一個(gè)多方位的汽車信息顯示平臺(tái)，它是駕駛員與汽車進(jìn)行信息交流的窗口，電動(dòng)汽車儀表盤是一種適應(yīng)電動(dòng)汽車電子化、數(shù)字化、信息化發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品，作為一個(gè)多信息顯示平臺(tái)，顯示車速、檔位狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)狀態(tài)、電池組狀態(tài)等其他電動(dòng)汽車特定的信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障報(bào)警、電池組低壓、不均衡報(bào)警等功能。TPMS(TirePressure Monitoring System)是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，用于在汽車行駛時(shí)對(duì)輪胎氣壓及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以保障行車安全，屬于汽車主動(dòng)安全部件。目前得到廣泛應(yīng)用的是直接式TPMS，它利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的接收器及監(jiān)視器上。由于汽車結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾的限制，TPMS的接收器和監(jiān)視器的安裝位置成為一個(gè)比較困難的問題，目前有兩種解決方案，一種是電池供電或汽車點(diǎn)煙器供電的獨(dú)立接收器和監(jiān)視器，一種是將接收器和監(jiān)視器集成在導(dǎo)航儀或多功能內(nèi)后視鏡或儀表盤中。第一種方式由于安裝位置不固定，在行駛時(shí)存在安全隱患，且會(huì)帶來一定的成本問題，但由于獨(dú)立性強(qiáng)，可以適用于各種車型;第二種方式安裝位置固定，且能降低成本，但需要定制來滿足集成要求，不具有適用性。

本文通過在儀表盤中以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤上實(shí)現(xiàn)輪胎溫壓的接收，通過儀表盤LCD、LED及蜂鳴器進(jìn)行輪胎溫壓的數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警，避免TPMS接收器和監(jiān)視器的獨(dú)立設(shè)計(jì)和安裝。同時(shí)可根據(jù)不同車型的要求方便地加載或卸載TPMS接收器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括4個(gè)TPMS發(fā)射器和儀表盤兩個(gè)部分，發(fā)射器的MEMS芯片是TPMS系統(tǒng)的核心，本方案采用英飛凌的SP37設(shè)計(jì)TPMS發(fā)射器，負(fù)責(zé)完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測(cè)，并通過無線調(diào)制將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器。信息的采集和顯示是儀表盤的核心功能，其顯示接口包括步進(jìn)電機(jī)及其指針、LED、LCD和蜂鳴器，儀表盤以子板的形式集成TPMS接收器，在儀表盤上實(shí)現(xiàn)輪胎溫壓的接收，通過LCD、LED及蜂鳴器進(jìn)行輪胎溫壓的數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警，避免TPMS接收器和監(jiān)視器的獨(dú)立設(shè)計(jì)和安裝。當(dāng)某輪胎的溫度或壓力低于一定閾值時(shí)可以通過LED和蜂鳴器聲光報(bào)警，通過儀表盤上的模式按鍵可以查看4個(gè)輪胎的溫度和壓力值，同時(shí)可根據(jù)不同車型的不同要求方便地加載或卸載TPMS接收器。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 TPMS發(fā)射器設(shè)計(jì)

本方案采用英飛凌的SP37設(shè)計(jì)TPMS發(fā)射器，做為集成胎壓傳感器、MCU和射頻發(fā)射器的MEMS芯片，SP37完成氣壓、溫度、電量和加速度的檢測(cè)，并通過無線調(diào)制將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器，具體功能設(shè)計(jì)部分在此不再贅述，文中重點(diǎn)介紹下發(fā)射器的天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

發(fā)射器的天線設(shè)計(jì)是發(fā)射器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，決定了整個(gè)TPMS系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)也決定了發(fā)射器的使用壽命。如果由于發(fā)射天線設(shè)計(jì)不當(dāng)，那么內(nèi)置式的胎壓監(jiān)測(cè)發(fā)射器將通過提高發(fā)射頻次的方法來提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，這將極大地消耗電池電量，從而減少使用壽命。

本文通過采用輻射金屬片異形天線實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)射，其長(zhǎng)度接近發(fā)射器無線發(fā)射頻率的1/4波長(zhǎng)，通過改變發(fā)射器金屬片天線的厚度、形狀和長(zhǎng)度來提高無線發(fā)射效率，降低發(fā)射功率，延長(zhǎng)發(fā)射器電池的使用壽命，該金屬片天線直接注塑到發(fā)射器外殼內(nèi)，在制作發(fā)射器外殼時(shí)置入其中，只有天線的發(fā)射端與接地端與電路板相連，從而減小發(fā)射器厚度并降低生產(chǎn)成本，天線本身受外殼塑料包覆，能耐受輪胎內(nèi)部的高溫高壓，且不會(huì)因?yàn)槭艿捷喬サ母咚傩D(zhuǎn)而變形，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。

3 儀表盤設(shè)計(jì)

汽車電子電控單元軟件設(shè)計(jì)的工作量占其整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的80%，所以文中重點(diǎn)介紹下儀表盤的軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)控制是儀表中量表顯示的核心功能，下面以步進(jìn)電機(jī)控制算法為例介紹下儀表盤的軟件設(shè)計(jì)。

文中所設(shè)計(jì)儀表盤采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針進(jìn)行車速、工作電流、電池組電壓的顯示，由于步進(jìn)電機(jī)存在最小步距角的限制，且沒有位置反饋，很容易出現(xiàn)抖動(dòng)、過沖、失步、信息指示不準(zhǔn)確一系列問題，本文通過在底層控制上運(yùn)用細(xì)分技術(shù)和加減速控制技術(shù)，在微觀的層面上實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單步和單段控制，并且在底層控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間跨度上的步進(jìn)電機(jī)連續(xù)控制，保證步進(jìn)電機(jī)式汽車儀表盤各個(gè)指針在整個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)、各種工況下的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。具體算法設(shè)計(jì)如下：

首先根據(jù)汽車儀表應(yīng)用的最小細(xì)分粒度需求設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)線圈電流正弦規(guī)律變化的細(xì)分控制表，通過調(diào)節(jié)控制表索引步距實(shí)現(xiàn)對(duì)底層步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制;在指針調(diào)度控制上，以可變長(zhǎng)時(shí)間槽的形式劃分調(diào)度周期對(duì)指針進(jìn)行分時(shí)段控制，設(shè)計(jì)指針在單個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式為加速啟動(dòng)、勻速運(yùn)轉(zhuǎn)、減速停止、慣性消止4個(gè)階段。通過在轉(zhuǎn)動(dòng)角速度控制、指針位置更新、線圈電流調(diào)節(jié)步距、運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度周期時(shí)長(zhǎng)、啟動(dòng)加速度、停止減速度、慣性消止時(shí)間上進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了汽車儀表盤各個(gè)指針的平穩(wěn)啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)對(duì)快速變化信息的迅速響應(yīng)以及對(duì)緩慢變化信息的平滑反映，可以快速啟動(dòng)和平穩(wěn)停止且在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無抖動(dòng)。算法流程如圖2所示。

4 結(jié)束語

文中分析了集成TPMS功能的電動(dòng)汽車儀表盤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了TPMS發(fā)射器的天線設(shè)計(jì)，分析了儀表盤步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)控制算法的設(shè)計(jì)，該儀表盤經(jīng)裝車試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，功能可靠，現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入小批量預(yù)生產(chǎn)階段，具有很高的實(shí)用價(jià)值。