基于STM32单片机的车辆胎压监测系统设计

刘亮 孟德强

摘 要：准确实时地监测车辆行驶过程中轮胎状态对行车安全至关重要。目前的胎压监测系统大多价格较高，研发较困难，且对于某些特定车辆的需要，如沙地方程式赛车等需频繁换胎的车辆不具有通用性，传感器匹配程序繁琐，使用极为不便。因此设计了基于STM32单片机的车辆胎压监测系统，能够准确监测轮胎状态信息，具有很好的可靠性，且能够快速完成传感器与轮胎的匹配，可以更好地满足越野车、沙地方程式等车辆频繁换胎的需求，有很强的通用性。

关键词：STM32单片机;胎压监测;位置匹配;CAN通讯

中图分类号：TP23  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-35-04

Design Of Vehicle Tire Pressure Monitoring System Based On Stm32 Scm

Liu Liang， Meng Deqiang

（ School of Automobile， Chang'an university， Shaanxi Xi'an 710064 ）

Abstract： It is very important for driving safety to monitor the status of tires accurately and in real time. Most of the current tire pressure monitoring systems are expensive and difficult to develop， and for the needs of some specific vehicles， such as the formula car and other vehicles that need frequent tire changes are not universal， the sensor matching process is cumbersome， it is very inconvenient to use. Therefore， the vehicle tire pressure monitoring system based on STM32 MCU is designed， which can accurately monitor the tire status information and has a good reliability. Moreover， it can quickly complete the matching between the sensor and the tire， which can better meet the needs of frequent tire change of off-road vehicles， sand equation and other vehicles， and has a strong universality.

Keywords： STM32 MCU; tire pressure monitoring; Position matching; CAN communicatio

CLC NO.： TP23  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-35-04

引言

作為车辆的基础部件，轮胎是影响行车安全不可忽视的因素之一。据统计，中国每年由胎压问题引起轮胎爆炸的交通事故约占30%，其中50%的高速交通事故是由车辆胎压异常引起[1]。因此，准确实时地监测车辆在行驶过程中的轮胎状态，保证行车安全是一项很有意义的工作。

我国在2017年10月发布的GB 261492017《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法》[2]强制要求新车型在2019年1月1日起配备胎压监测系统（Tyre Pressure Monitor -ing System，简称TPMS）。而目前上市的TPMS基本是集信号采集及无线通讯功能为一体的MCU，特点是集成度高[3]，价格贵，研发困难，且对于某些特定车辆的需要，如沙地方程式赛车等需要频繁换胎的车辆不具有通用性，匹配程序繁琐，使用极为不便。

为此本文设计开发了一款基于STM32单片机的车辆胎压监测系统，采用直接测量方式，能够满足频繁换胎的需要，匹配方便。此外系统还能将数据信号以CAN形式输出，可供用户二次调用，通用性强。

1 系统总体设计

TPMS系统构成如图1所示，包括传感器监测模块和接收显示模块两部分。其中，传感器检测模块集成了压力温度传感器、电量检测模块、RF模块及锂电池，接收显示模块由RF模块、STM32主控、CAN模块、液晶显示、按键设置及供电电路组成。

供电后，传感器监测模块中内设的压力温度传感器对轮胎数据信息进行采集，并通过RF模块以无线射频的方式传送给STM32主控，在液晶屏上显示四个轮胎当前状态，并对外发出CAN，用户可通过外设的液晶显示和按键实现传感器与轮胎的匹配。若胎压数据有异常，系统会对外发出报警信号，以此保证行车安全。

2 硬件部分设计

TPMS系统的硬件部分主要由集成其内部的传感器模块、RF模块、STM32主控、CAN模块及外设模块组成。其中，传感器模块负责胎温胎压的数据采集及电量检测，RF模块负责数据的收发，STM32主控负责数据信号的处理转换，CAN模块负责将信号以CAN形式发出，外设模块由液晶屏和按键组成，负责数据显示及轮胎匹配。

2.1 传感器模块

本系统所采用的传感器模块是选用英飞凌公司的SP400系列传感器，采用气门嘴方式安装在轮辋上气门嘴阀杆处，如图2所示。该传感器芯片具有体积小、功耗低、使用寿命长及集成度高等优点[4]。且集硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器及电池电压检测传感器于一体，内置了8位哈佛结构的RISC MCU[5]。该芯片采用13位的采样AD转换器，通过静态电流为245nA[5]，可实现较高的采样精度和更低的能耗。传感器直接接触轮内气压，将压力信号转换为电信号，利用信号调理电路进行信号的放大、补偿等数字化调理。

2.2 RF模块

TPMS系统中的RF模块内置数据模块、2D通道的低频接口芯片及其相应的信号调理电路。接口芯片是由低频天线及相应接口构成，数据模块的信号中心频率为315MHz，由于RF模块采用声表谐振器SAW方式进行稳频[6]，频率稳定度高。接口芯片感应低频触发器传来的125kHz低频信号， 由数据模块分析指令信号内容，再交给信号调理电路执行相应操作，在无异常情况下，传感器监测模块中的RF模块会在规定的频率内通过天线发射数据信号给接收显示模块，若轮胎数据有异常，RF模块会提高发射频率，及时报警。

2.3 STM32主控模块

本系统的主控模块采用意法半导体公司的STM32F系列芯片[7]，选用的具体型号为STM32F103C8T6。其优点是处理速度快，自带固件库，可加速开发进程。同时，该芯片具有定时器，SPI，I2C，USB，UART等多种功能，满足本系统开发功能的需求[8]。STM32主控的外围电路如图3所示。

数据接收模块的RF模块收到数据信号后传输到MCU的USART模块，基于本系统特定的通信协议，MCU对接收的数据进行处理，判断是否为对应轮胎的胎压数据。若是，则将各轮胎的传感器ID、胎压温度等信息传给液晶屏显示，并调用CAN模块进行数据转换并输出。此外，MCU可对异常数据进行判断，当轮胎处于异常状态（胎压过高或过低、快速漏气、胎温过高等）时及时报警。

2.4 CAN模块

本设计采用PHILIP公司的TJA1050T CAN总线驱动器，功耗低且集成度高，原理图如图4所示。该模块的CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX经由高速光耦6N137连接到TJA1050T的RXD和TXD端[9]，以实现CAN总线节点的电气隔离。为防止过流冲击，TJA1050T的CANL引脚通过一个120Ω的电阻连接到总线上。为了方便用户扩展，本系统设置了CAN1、CAN2两路输出。

3 软件部分设计

软件部分设计了传感器监测、接收显示两部分控制策略，并对它们的通信协议进行了规定。

3.1 通信协议

两个模块之间的通信协议是无线数据帧，是从传感器发送端到数据接收端的单向输出数据信号，并支持USART RS232协议，每帧数据为10字节：1位起始位，8位数据位，1位停止位，波特率设置为9600bps，数据具体说明如表1所示。

3.2 传感器监测模块软件策略

该部分的软件控制过程主要有系统初始化、外部定时中断、数据信号采集、数据分析处理、异常数据处理、报警模式。图5为软件控制流程图。

上电后，系统进行初始化，传感器进入省电睡眠模式，当有外部中断进来时，传感器进入正常工作模式，对胎温、胎压、电池电压等信号进行定频率采集并进行分析处理。为了减小数据采集中的偶然误差，采用中值滤波算法的数字滤波技术，对采集到的数据与控制范围比较，若检测数据无异常，则传感器按规定频率发送给接收显示模块，一旦出现异常数据，系统立即报警，之后传感器进入睡眠模式，等待下一次外部中断唤醒。

3.3 接收显示模块软件策略

接收显示模块主要完成传感器与轮胎的位置匹配、数据可视化及CAN通信，图6为具体控制流程图。位置匹配的具体过程是接收显示模块利用低频触发器发出的低频信号唤醒传感器，接收对应轮胎的数据信息，通过进一步数据处理，完成传感器与轮胎位置匹配和数据发送。CAN通信是指将数据信号以CAN形式输出、外部设备及发送异常数据。

CAN模块对外周期性发出的CAN数据符合CAN2.0，各節点采用ISO11898通信协议，通信数据帧的格式定义如表2所示。CAN标识符可根据用户需求进行更改，总线传送波特率为500kb/s，长度2字节。

4 系统整体测试

对系统进行实验室测试，将总线分析仪Vector CANaly -zer接入包含测TPMS系统节点的CAN通信网络台架，将监测数据接入计算机进行存储分析。实验室环境温度为22～28℃，将两个前后轮的充气压力分别设置为2.1、2.3bar。模拟台架的车辆行驶速度在60Km/h至120Km/h的范围，连续测试200个小时，检测CAN接收端的错误帧数目，并实时记录各轮胎的压力温度变化。

汇总一段时间内的CAN通信中总线分析仪接收到的统计数据，如表3所示，系统能够周期性地以规定频率准确发送和接收数据帧，且无错误帧，接受可靠率达99.1%。

观测记录的各位置轮胎在特定时间内气压温度数据发现：汽车刚开始行驶时，轮胎温度和压力有较为明显的升高，但随着时间推移，数据变化渐渐平缓，可靠地反映了胎内信息。数据分析得到系统测量精度±0.06bar，温度测量精度±1.8摄氏度，数据接收准确率达98%以上。

5 结论

本文设计了一款基于STM32单片机的胎压监测系统，该系统能够准确监测轮胎气压、温度，具有很好的可靠性，且系统能够快速完成传感器与轮胎的匹配，可以更好地满足越野车、沙地方程式等车辆频繁换胎的需求。此外还支持CAN数据输出，方便用户二次调用，通用性强。目前，该系统已经初步用于国内某公司的沙地方程式赛车上。本系统可以应用于智能交通解决方案，保证车辆行车安全。

参考文献

[1] 秦露，顾明.车辆轮胎压力监测系统研究[J].仪表技术，2020（03）：43 -45.

[2] GB 26149-2017 乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法[S].

[3] An Experimental Test Bench for the Tire Pressure Monitoring System-Discussion of Measurement and Communication Issues[J]. International Journal of Electronics and Telecommunications， 2019， 65（1）.

[4] 林松，杜全侠.汽车轮胎气压实时监控及提醒系统的现状与发展趋势[J].时代汽车，2019（19）：143-144.

[5] 张鹏飞，李兵，李振中.汽车胎压外置检测及控制系统设计[J].科技创新与应用，2019（28）：90-91+95.

[6] 雷伟，常久鹏，闫明，张有.胎压监测系统设计与应用[J].汽车电器， 2019（09）：47-49.

[7] 曹景胜，石晶，段敏，魏丹.基于SP37和STM32的汽车无线胎压监测系统设计[J].汽车工程师，2018（01）：24-27.

[8] 曹景胜.基于MPXY8300和STM32的汽车胎压监测系统设计[J].电子产品世界，2018，25（05）：43-45.

[9] 李艳华，张春芳.一种可实现自主配置的胎压监测控制方法[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2018，32（02）：85-89.