远程轮胎压力监视系统 本发明涉及一种在轮式车辆上用来监视轮胎压力的系统。本发明具体涉及一种轮胎压力监视系统，它采用和每个轮胎相联系的独立的电池供电的压力传感器，向安装在车内的一个接收机发送编码信息，为车辆的驾驶员提供关于轮胎状态的信息。
对一般的汽车来说，即使是稍稍偏离正确的轮胎压力也会对轮胎磨损有不利影响，并且会明显增加车辆的燃料消耗。持续缺气会使轮胎的寿命缩短多达50％。从其他各方面看都状态良好的旧的普通轮胎往往可以二次翻新。然而，如果轮胎壁由于缺气而受到磨损就不能再翻新了。另外，轮胎缺气也是“爆胎”、轮胎破裂和车辆失火的主要原因。因此，许多大型车队驾驶员要花费许多时间定期检查轮胎压力。如果有一种可靠的自动压力监视系统，就可以大大减少这种工作。
按照本发明的第一方面，一种电池供电的轮胎压力传感器包括：
用于检测轮胎压力并且提供轮胎压力信号的压力变换器；
一个发射机；
连接到压力变换器上的信号处理器，根据轮胎压力信号向发射机提供一个信号；
连接到信号处理器的一个定时电路，用来按照预定的间隔周期性地自动接通轮胎压力传感器测量轮胎压力，并且在所有其他时间内关闭轮胎压力传感器以保存电池功率，定时电路包括一个定时器和一个开关，定时器用来周期性地启动开关从而将压力传感器连接到电池，在上述预定的间隔内接通轮胎压力传感器。
本发明的轮胎压力传感器适用于各种类型的车辆，尤其是适合装在诸如公共汽车，长途汽车，卡车和货车等等商用车辆上。用压力传感器监视轮胎压力并且为车辆驾驶员提供缺气的早期警告，从而改善安全性能，减少轮胎磨损，并且节省燃料。本发明的一个重要方面在于压力传感器仅仅是在定时器地控制下被周期性地接通，对轮胎压力采样。这一特征可以保存电池功率，从而有效地延长电池寿命，或者是可以使用较小的电池。
压力传感器可以进一步包括一个用来存储识别代码的非易失性存储装置，用代码来识别压力传感器发送的信号。还可以用非易失性存储装置存储用来确定轮胎压力精度的校准信息。特别是可以在制造过程中按照大气压力，最大额定压力以及二者之间的几个点来测试每个压力传感器，并且将校准程序的结果存储在非易失性存储装置中作为压力传感器响应特性的变量。非易失性存储器的优点在于当压力传感器在压力测量之间的间隔中被关闭时不会丢失数据。
传感器单元可以进一步包括一个连接到信号处理器上的温度变换器，用来为信号处理器提供温度信号，信号处理器可以根据这一温度信号为轮胎压力信号提供温度补偿。这一特征使得信号处理器能够校正压力变换器的输出，在例如-10℃到+60℃的范围内保证精度。另外，如果环境温度降到比如3℃以下，压力传感器就能够发送这一信息，警告车辆驾驶员路面条件可能有危险。
信号处理器可以是一种内置有用来控制压力传感器工作的计算机程序的微控制器。每当测量压力时可以利用微控制器的构造来记录电池电压和工作温度，并且在必要时将这种信息和压力传感器识别代码一起进行编码后通过发射机发送。
发射机可以包括一个表面声波(SAW)谐振器。按照RadioCommunications Agency对MPT 1340的无线电规范，适合在英国使用的无线电频率包括418MHz和433MHz。这些频率目前是许可免费使用的。
在本发明的一个最佳实施例中，压力传感器适合被拧在汽车轮胎的阀门茎上。这样就可以将压力传感器后期安装到现有的车辆上。或者是可以将压力传感器安装在汽车轮胎内。
压力传感器的构造使其在连接到充气的轮胎上之前不会发送信号。这一特征可以确保压力传感器在安装到轮胎上之前的运输和储存过程中保存电池功率。
按照本发明的第二方面，将按照本发明第一方面的多个轮胎压力传感器构成的装在车上的一个远程轮胎压力监视系统和一个驾驶室单元相结合，以便安装到车的驾驶室内，这一驾驶室单元包括：
一个接收机，用来检测轮胎压力传感器各自的发射机发送的信号；以及
一个显示器，用来根据从压力传感器接收的信号为驾驶员提供车上的轮胎的有关信息。
按照本发明的第三方面，在一种车用远程轮胎压力监视系统中使用的一个变换器单元包括连接到各个轮胎上的多个远程轮胎压力传感器，每个压力传感器适合发送一个信号，在信号中具有与各自的轮胎状态有关的信息，这一变换器单元包括：
一个接收机，用来接收各个压力传感器发送的信号；
一个信号处理器，用于处理来自压力传感器的信号并且产生一个发送的代码信号，用来识别变换器和轮胎的位置；以及
向远程接收机发送代码信号的一个发射机，由接收机为驾驶员显示与变换器单元相联系的轮胎的有关信息。
本发明的变换器单元能使汽车驾驶室内的驾驶室单元识别出拖车的远程轮胎压力传感器发送的信号和其他压力传感器发送的信号，在汽车驾驶室与拖车首次连接时不需要驾驶员分别记录拖车上的每个压力传感器。这一点很有用，因为卡车驾驶员可能要经常换拖车。汽车驾驶室内的驾驶室单元能够“学习”拖车变换器单元唯一的标识符，因此它就能够按顺序识别从变换器单元发送的来自连接到拖车轮胎上的轮胎压力传感器的编码信息。
按照本发明的第四方面，一种远程轮胎压力监视系统包括一个与驾驶室单元相结合的本发明第三方面的变换器单元，其中的驾驶室单元包括：
一个接收机，用来从变换器单元接收代码信息；
一个信号处理器，用来检测编码信号并且进行解码；以及
一个显示器，用来为驾驶员提供与变换器单元相联系的轮胎的有关状态信息。
这种远程轮胎压力监视系统包括一个装有变换器单元的汽车拖车。
远程轮胎压力传感器采用本发明第一方面的轮胎压力传感器。
本发明结合了简单的操作和最先进的固体电子技术。建议用本发明的压力传感器代替每个车轮的阀门防尘帽用来监视轮胎压力，并且报告给驾驶室单元中的一个计算机控制的单元。例如，如果任何一个轮胎的压力下降了比如12.5％以上，就向驾驶室中的显示器发送一个无线电信号，警告驾驶员它的轮胎缺气。这样，驾驶员在轮胎受损之前就有时间采取行动，从而减少轮胎磨损并节省燃料，还能够避免轮胎完全损坏带来的代价昂贵的后果。如果有任何一个传感器的电池功率下降或是出现任何形式的差错或故障也应该为驾驶员提供警告。另外，如果路面的环境温度接近冰点，系统也应该警告路面可能结冰。作为连接的设备，将一个无线电变换器单元安装在拖车前面，将连接到拖车车轮上的压力传感器的信息传送到汽车驾驶室。可以利用天线和电缆象安装车载收音机那样便利地安装本发明的系统。另外，在更换拖车时不需要连接或断开。为了接纳新的一组拖车车轮而不要响应来自其他设备的压力传感器，可以为驾驶室单元预先编制程序。
本发明的一个重要方面在于压力传感器具有长达三年的很长的寿命。这是通过采用确保压力传感器在大部分时间内关断的定时电路来实现的。每个压力传感器在压力测量间隔中消耗的电流远远小于1μA，在接通时也仅仅消耗4.5mA左右的小电流。
本发明可以为商业汽车驾驶员大幅度节省运营成本；第一年就能节省四倍。除此之外还有安全的优点，可靠性更高，并且可以降低轮胎维护水平。
以下要参照附图具体说明本发明的实施例，在附图中：
图1是本发明的一种轮胎压力监视系统的方框图；
图2是在图1的轮胎压力监视系统中使用的一例轮胎压力传感器的方框图；
图3表示在图2的轮胎压力传感器用来构成温度变换器，压力变换器和参考电压发生器的一个电路；
图4表示在图2的轮胎压力传感器用来构成定时器和开关的定时电路；
图5表示在图2的轮胎压力传感器中使用的一例发射机和天线电路；
图6表示在图2的轮胎压力传感器中使用的一例非易失性存储装置；
图7表示在图2的轮胎压力传感器中使用的一例微控制器；
图8的流程图表示一个校准程序的操作顺序；
图9的流程图表示一个轮胎压力测量程序的操作顺序；
图10和11表示在图1的轮胎压力监视系统中使用的一种驾驶室单元；以及
图12是在图1的轮胎压力监视系统中使用的一种变换器单元的方框图。
图1表示本发明的一例轮胎压力监视系统。该系统适合安装在例如卡车，公共汽车或长途汽车等车辆的轮胎上，也可以装在具有汽车驾驶室(牵引车)和独立拖车的货车上。如图所示，该系统包括驾驶室单元1和第一组轮胎压力传感器单元21到24。在应用中，该系统包括一个拖车变换器单元3和与拖车相联系的第二组轮胎压力传感器单元41到43。
如下文所述，每个传感器单元21到22和41到43具有一个无线电发射机，用来向驾驶室单元1中的接收机发射一种代码信号，信号中载有关于各自的一个轮胎的状态信息。该信息被用来通过作为驾驶室单元1的组成部分的音频/视频显示器向汽车驾驶员报告关于各个轮胎的压力和温度。变换器单元3可以安装在货车拖车上，并且用来检测与拖车的各个轮胎相联系的第二组轮胎压力传感器单元41到43分别发射的信号。变换器单元3向驾驶室单元1发射一个代码信号，在信号中包含关于每个拖车轮胎的信息。驾驶室单元1可以将变换器信号解码，并且在变换器信号和任何其它信号之间进行识别，这样，一旦发生与货车拖车上的任何一个轮胎以及驾驶室有关的任何故障，驾驶员就能得到警告。
图2表示按照本发明的一例由电池供电的轮胎压力传感器的示意图。这种压力传感器包括压力变换器10，温度变换器11，参考电压发生器12，发射机13和一个非易失性存储装置14，全都连接到一个微控制器15上。该装置还包括一个作为电源的电池16。由一个定时电路17周期性地启动压力传感器。定时电路17包括一个开关18和一个定时器19。定时器19可以令压力传感器对这一装置所连接的轮胎的压力周期性地采样，但是在所有其它时间内从电池16上断开压力传感器的其它元件，以便保存电池功率。最后还有一个校准开关20，如下文所述在出发之前用来校准压力传感器。压力传感器和电池一起被装在一块印刷电路板上，并且用适合拧在一个轮胎阀门杆上的一个外壳密封。
压力变换器10用来测量轮胎的压力，并且向微控制器15提供一个输出(压力)。压敏电阻传感器是一种适用的器件。它的电阻会随着压力的变化而改变。在图3中表示了一例适合构成压力变换器的电路。
温度变换器11被用来测量传感器周围的空气温度，并且向微型控制器15提供一个输出(TEMP)。这一输出信号被用来为压力变换器10输出的压力信号提供温度补偿，从而获得精确的压力读数，用来与存储在非易失性存储装置14中的一个参考值(它是在压力传感器首次连接到一个轮胎上时获得的-这个轮胎是预先充好气的)相比较。温度信号也可以为汽车驾驶员提供有关驾驶状态的信息。在图3中表示了一例适合用做温度传感器的电路。
参考电压发生器12可以产生一个稳定的参考电压信号(VREF)，将其作为一个输入提供给微控制器15。微控制器15就这一参考电压信号与电池电压(VOLTS)相比较，根据比较结果产生一个输出信号。如果电池电压小于参考电压，就表示需要一个新电池，并且产生一个信号将此事报告给驾驶员。进而，在这种情况下可以自动降低轮胎压力的采样频率，以便延长电池的寿命，直至装上一个新的压力传感器或电池时为止。在图3中表示了一例适合用做参考电压发生器的电路。
如上所述，定时电路16包括一个开关18和一个定时器19。定时器19连续工作并且周期性地接通开关18启动一次压力测量循环。为了保存电池功率，压力传感器的其余部件在所有其它时间内都是关断的。另外，如上文所述，接通压力传感器的频率是由电池电压来决定的。如果启动失败，微控制器15就在下一次发送程序状态时产生一个报警信息并且同时降低传感器采样频率，以便保存剩余的电池寿命。在图4中表示了一例实现定时器和开关功能的适当电路。电池16是一种直径16mm的锂电池，其典型的额定值是60-70mAh。
无线电发射机14的作用是从各个轮胎压力传感器向汽车驾驶室中的驾驶室单元1或是拖车上的变换器单元3中的接收机发送信息。在英国，建议发射机14按照MPT1 340规范的418MHz或是433MHz的频率来发送微控制器15产生的信号。这些频率目前是免费许可的。适用的发射机15是一种表面声波(SAW)装置。图5表示了一例适用的电路。
非易失性存储器15存储关于轮胎的信息，并且包含一种在制造过程中编制的唯一的压力传感器识别代码，如下文所述，它是校准程序中的一部分。在压力传感器中采用非易失性存储装置15的一个优点在于当传感器单元被关断时不会丢失信息。这一点很重要，它允许在传感器读数之间的间隔中完全切断压力传感器主要部件的电源。在图6中表示了一例适用的存储装置。
微控制器15从各个压力传感器10，温度传感器11和参考电压发生器12接收信号。它处理这些信号并且向发射机14提供一个输出信号，在信号中包括压力传感器唯一的传感器识别代码。在图7中表示了一例适用的微控制器。每当微控制器15从压力变换器10接收到一个信号时，它还要记录电池电压和温度。因此，利用适当的程序就能确定轮胎的精确测量值。将轮胎压力测量值和一个存储的(准确)参考值相比较，如果确定轮胎压力与参考值偏离了预定的量，微控制器15就产生并且发送一个信息。另外，即使是在没有任何关于轮胎状态或驾驶状态的信息时，微控制器15也会周期性地产生和发送一种识别信息，用来确认压力传感器还在工作。如果不能发送这种信息，最终就会在驾驶室单元1上显示出一个警告，为驾驶员指示压力传感器已经坏了或是掉了。
在微控制器15内嵌入一种用来控制压力传感器操作的计算机程序。在由定时电路16的定时器19启动电源为微控制器15供电时执行这种计算机程序。计算机程序中包含两个不同部分。一部分是在校准周期中执行，另一部分在其它时间内不断执行。微控制器15通过检查MODE输入端(图7中的端7)的状态来确定应该执行哪一部分。按照下文给出的伪码和图8的流程图，在校准过程中，最初是通过一个校准夹具(未示出)将MODE端设定在低状态。这一端在其它所有时间内都保持在高状态。在开始校准时，MODE端被用做微控制器15和校准夹具之间的双向信号路径。
START of PROGRAM
执行系统初始化任务
读出MODE端的状态
IF MODE端处在低状态THEN
执行Calibrate_Code
ELSE
执行Normal_Code
ENDIF
以下的伪码和图8的流程图具体说明了压力传感器的校准程序。
Calibrate_Code
等待MODE端提供校准夹具已经将压力稳定在低参考值的信号。通过压力变换器10(图3)的D-A转换器的OUTB为压力变换器提供一个高激励电压。调节D-A转换器的OUTA，在压力变换器的输出(OUT+和OUT-)之间提供零输出。
在非易失性存储器中存储为获得零输出所需的数字值(步XX)。
等待MODE端提供校准夹具已经将压力稳定在高参考值的信号。
调节D-A转换器的OUTA，在压力变换器的输出(OUT+和OUT-)之间提供一个稳定的输出。
在非易失性存储器中存储为获得稳定输出所需的数字值(步YY)。
等待MODE端提供校准夹具已经将压力稳定在几种中间压力参考值之一的信号。对每一级压力：
利用存储在非易失性存储器(以上的步XX和YY)中的校准系数计算出预期的压力变换器输出；并且
测量压力变换器的输出并且将其与计算值相比较。
在存储器中设置一个表示测量值和计算值相符的标志位。
用一个校准夹具(未示出)来驱动MODE端，它可以提供该装置的制造日期代码，识别代码，参考压力的零初始值，多计数值，百分数压力范围限制，电池状态标志和需要存储的其他信息。这种数据被编入程序并且存储在非易失性存储器中。
以下的伪码和图9的流程图具体说明了压力传感器的正常操作。
Normal_Code
从非易失性存储器中恢复参考压力值。
IF存储的参考压力是零THEN
从非易失性存储器中恢复压力校准系数。
读取温度变换器以确定当前温度。
读取当前压力并且执行温度校正。
如果校正的当前压力小于一个小数字(典型值是2 PSI)THEN不动作
ELSE
将当前压力写入非易失性存储器中的参考压力位置。
从非易失性存储器中恢复装置识别代码。
通过发射机和天线向驾驶室单元发送传感器识别代码和代表这是一个传感器首次发送的信息。重复发送多次以便提高驾驶室单元准确接收的概率。
ENDIF
禁止电源开关(休眠)
ELSE
从非易失性存储器中恢复多计数值。
IF多计数值不是零THEN
恢复当前的循环计数值
IF循环计数值不是零THEN
将循环计数值递减
重新将循环计数值写入非易失性存储器
禁止电源开关(休眠)
ENDIF
ENDIF
ENDIF
从非易失性存储器中恢复电池低标志
IF电池低标志指示电池完好THEN
将多计数值写入非易失性存储器启动新的一轮递减计数
ELSE
将多计数值写入非易失性存储器启动新的一轮更长的递减计数循环(保存电池)
ENDIF
从非易失性存储器中恢复校准系数
将校准系数发送给D-A转换器转换成OUTA和OUTB上的电压
读取温度变换器来确定当前温度。
如果温度足够低就设定温度警告标志，以便警告驾驶员路面状态可能会结冰。
从压力变换器电路读取当前输出并且执行温度校正。
从非易失性存储器中恢复可以接受的百分数范围限制。
将参考压力与刚刚提取并且经过温度校正的压力读数相比较。
IF压力超出了可接受的百分数限制THEN
设定一个压力警告标志
ENDIF
使用参考电压和分压器确定电池电压。
确定电压是否处在表示电池完好的一个门限值以上。
IF电池电压检查指示出电池已经开始失效THEN在非易失性存储器中设定一个电池低标志。
ENDIF
组成一种包含传感器识别代码，压力检查结果，温度标志和电池状态的信息。
通过发射机和天线将这一信息和一个标题一同发送给驾驶室单元，该标题指示这是一次程序发送。
IF压力读数超出了可接受的百分数范围限制THEN
重复发送多次以提高接受的概率。
IF压力读数为零THEN
将存储在非易失性存储器中的参考压力设定为零。
ENDIF
ENDIF
禁止电源开关(休眠)
图10表示适用于这种轮胎压力监视系统的一例驾驶室单元1的示意图。驾驶室单元1包括接收天线30，微控制器31，用来为驾驶员显示关于轮胎的信息的驾驶员显示器32，和一个存储器33。微控制器31能够通过其唯一的识别代码在信号之间进行识别，并且识别出每个信号是哪一个压力传感器或是变换器单元发送的。在正常工作中，每个压力传感器周期性地发送一个“完全正常”信号。如果驾驶室单元1检测到连续两次丢失同一个单元的信号，一个LED就会闪烁，提示驾驶员检查那个轮胎。当任何一个轮胎出现压力降低，温度降低，电池功率下降或是丢失传感器单元等问题时，驾驶室单元1都可以显示出警告。图11表示了驾驶室显示器32的细节。
驾驶室显示器32具有以下项目：
-用两个相邻的小LED指示器构成的一个二位数字车轮编号指示器40。一个LED显示驾驶室的车轮号，另一个LED显示拖车的车轮号；
-另外四个LED41到44，分别提供“压力降低”，“温度降低”，“电池功率下降”和“传感器单元丢失”的警告；以及
-一个具有LEARN CAB,LEARN TRAILER和NORMAL位置的开关，用小LED指示出所执行的教学程序(参见下文)。
驾驶室单元1包括一个发声器(未示出)，在接收到警告信息之后十秒和此后每隔五分钟发声。发声器在接通点火器时发出一个短暂的尖声。如果在驾驶员不时接收到一个警告信息，它会每隔十秒发声。通过汽车电池或是点火器电路连续供电。还设有一个“取消”按钮(未示出)，它可以禁止输入警告，直至下一次点火器开-关循环。
图12表示用于拖车的一种变换器单元3的示意图。这种变换器单元包括接收机51，微控制器52和发射机53。接收机51周期性地接收从各个轮胎压力传感器发送的信号，并且将信号提供给微控制器52。微控制器52处理一个信号并且产生一个新的标题信息，它包括与这一变换器单元3相联系的唯一的识别代码，可以由发射机53发送，并且可以由驾驶室单元检测。压力传感器的这一识别代码被存储在存储器54中。
参见上面的图11，如果将压力传感器安装到一辆汽车或驾驶室上，驾驶员选择LEARN功能，指示出要在车轮上安装压力传感器。驾驶室单元1就清除关于原先的车轮的所有存储信息(如果有)。然后，驾驶员按照预定的顺序绕着汽车将压力传感器安装到每一个车轮的阀门上。装好之后，最小从0开始识别压力传感器，并且多次发送它的识别代码。每装好一个压力传感器之后，在进到下一个车轮之前，驾驶员都需要等待驾驶室单元1用声音指示出它已经成功地识别到这一新的传感器单元。在所有车轮都装好一个压力传感器之后，驾驶员就选择NORMAL功能。驾驶室单元1在这一阶段已经知道有多少个车轮和它们的识别代码，这样，监视系统就可以投入使用了。
在拖车上安装压力传感器时，驾驶员在拖车变换器单元3(未示出)上选择一种相应的LEARN TRAILER功能。然后，驾驶员同样要绕着驾驶室依次为每一个车轮装上一个压力传感器，让拖车变换器单元3知道有多少个车轮和它们的识别代码。随后，当拖车被连接上汽车驾驶室时，驾驶员就选择驾驶室单元1的LEARN TRAILER功能，删除以前的有关拖车信息。在接通点火器之后第一次踩下制动踏板时，拖车变换器单元3就会知道它应该将自己报告给驾驶室单元1，因为这是它第一次接通电源并且启动制动灯线路。然后，它就向驾驶室单元1发送唯一的识别代码，表示它本身是一个新拖车。然后将拖车的这一识别代码存储在驾驶室单元1中。驾驶员随后选择NORMAL功能，而系统就可以投入使用了。
或者是可以自动执行“拖车学习”步骤，驾驶员甚至不需要在驾驶室单元上选择这一功能-识别过程是在接通点火器之后自动执行的。
驾驶室单元1接收驾驶室车轮发送的识别信号，忽略拖车车轮的信息。拖车变换器单元3接收自身车轮发送的识别信号，忽略驾驶室车轮。如上所述，来自拖车车轮的信息被存储在拖车变换器单元3中，而拖车变换器单元3发出的警告和其他信息随着信息标题转送给驾驶室由驾驶室来识别。建议由变换器单元将警告信息随时提供给驾驶室，而“一切正常”的信息仅仅是周期性发送。
在本发明的轮胎压力监视系统的基础上可以为车队驾驶员提供一种完善的轮胎管理系统。在每一辆车返回车库时自动查询驾驶室单元，从而确定每一个轮胎的状态。用车库中保存的计算机数据库提供车辆运行的记录和车上的哪一些车轮需要关注的目录。这样就能减少对驾驶员旅途报告的依赖性。作为二次检查，车库系统还可以通过程序来查询离开车库的车辆，适时地校正任何有缺陷的轮胎。