集成TPMS功能的电动汽车仪表盘设计

笔者为某电动汽车设计了一款集成TPMS功能的仪表盘，将TPMS接收器以子板的形式在仪表盘上实现，降低了独立安装的成本和不便，同时可方便安装和拆卸，以满足不同电动汽车配置的要求。根据TPMS、仪表盘的工作原理及其集成方式分析了系统结构、TPMS天线设计和仪表盘软件设计。采用SP37设计TPMS发射器，通过独特的天线设计解决了发射效率和使用寿命的问题，通过设计自适应控制算法解决了仪表盘指针平滑运转的问题。

仪表盘是一个多方位的汽车信息显示平台，它是驾驶员与汽车进行信息交流的窗口，电动汽车仪表盘是一种适应电动汽车电子化、数字化、信息化发展的高新技术产品，作为一个多信息显示平台，显示车速、档位状态、电机转速、电机状态、电池组状态等其他电动汽车特定的信息，同时实现电机故障报警、电池组低压、不均衡报警等功能。

TPMS（TirePressure Monitoring System）是汽车轮胎压力监视系统，用于在汽车行驶时对轮胎气压及温度进行实时自动监测，以保障行车安全，属于汽车主动安全部件。目前得到广泛应用的是直接式TPMS，它利用安装在每一个轮胎里的以锂电池为电源的压力传感器直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的接收器及监视器上。由于汽车结构和内饰的限制，TPMS的接收器和监视器的安装位置成为一个比较困难的问题，目前有两种解决方案，一种是电池供电或汽车点烟器供电的独立接收器和监视器，一种是将接收器和监视器集成在导航仪或多功能内后视镜或仪表盘中。第一种方式由于安装位置不固定，在行驶时存在安全隐患，且会带来一定的成本问题，但由于独立性强，可以适用于各种车型；第二种方式安装位置固定，且能降低成本，但需要定制来满足集成要求，不具有适用性。

本文通过在仪表盘中以子板的形式集成TPMS接收器，在仪表盘上实现轮胎温压的接收，通过仪表盘LCD、LED及蜂鸣器进行轮胎温压的数据显示及报警，避免TPMS接收器和监视器的独立设计和安装。同时可根据不同车型的要求方便地加载或卸载TPMS接收器。

1系统结构

系统包括4个TPMS发射器和仪表盘两个部分，发射器的MEMS芯片是TPMS系统的核心，本方案采用英飞凌的SP37设计TPMS发射器，负责完成气压、温度、电量和加速度的检测，并通过无线调制将数据发送到接收器。信息的采集和显示是仪表盘的核心功能，其显示接口包括步进电机及其指针、LED、LCD和蜂鸣器，仪表盘以子板的形式集成TPMS接收器，在仪表盘上实现轮胎温压的接收，通过LCD、LED及蜂鸣器进行轮胎温压的数据显示及报警，避免TPMS接收器和监视器的独立设计和安装。当某轮胎的温度或压力低于一定阈值时可以通过LED和蜂鸣器声光报警，通过仪表盘上的模式按键可以查看4个轮胎的温度和压力值，同时可根据不同车型的不同要求方便地加载或卸载TPMS接收器。其系统结构如图1所示。


图1 系统结构图

2 TPMS发射器设计

本方案采用英飞凌的SP37设计TPMS发射器，做为集成胎压传感器、MCU和射频发射器的MEMS芯片，SP37完成气压、温度、电量和加速度的检测，并通过无线调制将数据发送到接收器，具体功能设计部分在此不再赘述，文中重点介绍下发射器的天线设计要点。

发射器的天线设计是发射器设计的关键，决定了整个TPMS系统的准确性和实时性，同时也决定了发射器的使用寿命。如果由于发射天线设计不当，那么内置式的胎压监测发射器将通过提高发射频次的方法来提高系统的准确性和实时性，这将极大地消耗电池电量，从而减少使用寿命。

本文通过采用辐射金属片异形天线实现无线数据的发射，其长度接近发射器无线发射频率的1/4波长，通过改变发射器金属片天线的厚度、形状和长度来提高无线发射效率，降低发射功率，延长发射器电池的使用寿命，该金属片天线直接注塑到发射器外壳内，在制作发射器外壳时置入其中，只有天线的发射端与接地端与电路板相连，从而减小发射器厚度并降低生产成本，天线本身受外壳塑料包覆，能耐受轮胎内部的高温高压，且不会因为受到轮胎的高速旋转而变形，具有高度的可靠性和稳定性。

3仪表盘设计

汽车电子电控单元软件设计的工作量占其整个产品设计的80%，所以文中重点介绍下仪表盘的软件设计要点，步进电机控制是仪表中量表显示的核心功能，下面以步进电机控制算法为例介绍下仪表盘的软件设计。

文中所设计仪表盘采用步进电机驱动指针进行车速、工作电流、电池组电压的显示，由于步进电机存在最小步距角的限制，且没有位置反馈，很容易出现抖动、过冲、失步、信息指示不准确一系列问题，本文通过在底层控制上运用细分技术和加减速控制技术，在微观的层面上实现对步进电机的单步和单段控制，并且在底层控制技术的基础上进一步设计自适应控制算法，实现长时间跨度上的步进电机连续控制，保证步进电机式汽车仪表盘各个指针在整个工作时间段内、各种工况下的平稳运转。具体算法设计如下：

首先根据汽车仪表应用的最小细分粒度需求设计步进电机线圈电流正弦规律变化的细分控制表，通过调节控制表索引步距实现对底层步进电机的细分控制；在指针调度控制上，以可变长时间槽的形式划分调度周期对指针进行分时段控制，设计指针在单个调度周期内的转动方式为加速启动、匀速运转、减速停止、惯性消止4个阶段。通过在转动角速度控制、指针位置更新、线圈电流调节步距、运转调度周期时长、启动加速度、停止减速度、惯性消止时间上进行设计，实现了汽车仪表盘各个指针的平稳启动和停止，实现对快速变化信息的迅速响应以及对缓慢变化信息的平滑反映，可以快速启动和平稳停止且在低速运转时无抖动。算法流程如图2所示。


图2 步进电动机自适应控制流程