1、逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題文TPMS測試平台之品保軟體開發The QA Software Development of TPMS Testing Platform 指導教授：洪三山學生：陳柏翰莊可慈毓智中華民國九十月ii致謝 在這次的專題製作中，首先最需要感謝的就是指導教授洪三山師，在他諄諄的教誨之下，讓我們得以實際的瞭解整個 TPMS 在生產及測試上的方法，在這方面使我們受多。 也在此感謝橙的電子，在我們實驗上所遭遇問題時，提供許許多多的意及改善方法；並且也提供實際操作的機會，讓我們可以親自動手。 也感謝實驗室的眾多學長，在遭遇瓶頸時的鼓，在方法錯誤時的協助，還有多艱深的教導。 也
2、特別感謝評審師的指教，在發表時的意交換，也學生收穫多。最後感謝所有在這次專題製作上，所有幫助過我們的人。 iii中文摘要 目前胎壓監測系統 (簡稱 TPMS)已是蓬勃發展，所以有 一個好的測試平台測試產品好壞是必要的，測試平台的重點在於測試該產品之壓、溫、無線資傳輸特性及產品的可靠性。目前汽業界並沒有標準的 TPMS 測試平台，因此本專題決定設計一全自動化測平台提升測試及品管之效。 本專題的重點在於：品保軟體之開發、密閉氣室內壓控制與 I/O 介面之設計以完成 TPMS 產品性能之自動檢測、自動判別待測物之好壞給操作者考，並提供一簡明報表及圖形介面給工程師做進一步之分析，進而達到產、品管之目的
3、。 ivAbstract TPMS systems are developed vigorously now and it is essential to have a standard testing facility to test the products, and the aim of testing facility is to test the pressure, temperature, RF data transporting charateristics and reliability of the product. There is no TPMS standard tes
4、ting facility available so far in automotive industry, and therefore the purpose of this subject is to design an automatic testing platform to improve test and quality control efficiency. This key points of this subject are the followings: The development of Quality Control Software, The design of A
5、irtight Chamber Pressure Control and Input / Output Interface to automatically obtain TPMS product characteristics, and giving error codes of test object to an operator, and providing a concise chart and graphic interface to an engineer for further analyses in order to meet mass production and quali
6、ty control requirements.v目 致謝 .i 中文摘要 iii Abstract.iv 目 v 圖目 vii 表目 viii 第一章 緒 1 1.1 研究動機 1 1.2 無線胎壓監測系統 2 第二章 測試平台的設計 4 2.1 測試平台的規範 4 2.2 測試平台硬體架構 4 2.3 儀器及介面 6 2.3.1 RS-232 介面 6 2.3.2 壓計 8 2.3.3 I/O 介面卡 .9 第三章 測試平台軟體介面 10 3.1 LabVIEW 介面軟體 10 3.2 自動測平台系統架構 12 3.3 測試平台人機介面 15 第四章 實驗結果與據分析 16 4.1 氣壓
7、16 4.1.1 常用壓單位及壓單位換算 16 4.1.2 大氣壓及壓種 17 vi4.2 實驗結果 18 4.3 據分析 21 第五章 結與未發展 25 5.1 結 25 5.2 未發展 25 考文獻 27 vii圖目 圖 1. 1 胎壓監測系統架構示意圖 3 圖 1.2 無線感測器安裝示意圖 .3 圖 1. 3 中央接收器實體圖 3 圖 2. 2 測試平台實體照 6 圖 2. 4 MAX232 IC 腳位圖 8 圖 2. 5 Tradinco 3096 壓計 .8 圖 2. 6 NI USB-6008 介面卡 9 圖 3. 1 LabVIEW 圖控軟體畫面圖 10 圖 3. 2 LabVI
8、EW 前置面板 11 圖 3.3 軟體動作程圖 14 圖 3.4 測試平台人機介面 15 圖 4. 1 水銀柱 17 圖 4. 2 大氣壓與錶壓 18 圖 4. 3 P-t 曲線圖 (一 ) .19 圖 4. 4 P-t 曲線圖 (二 ) .19 圖 4. 5 續性測試 (一 ).20 圖 4. 6 續性測試 (三 ).21 圖 4. 7 間隔充氣 P-t 圖 (一 ) 22 圖 4. 8 間隔充氣 P-t 圖 (二 ) 23 圖 4. 9 間隔充氣 P-t 圖 (10 次 ) .23 viii表目 表 2. 1 預計採用的輕型卡及一般轎胎壓標準表 4 表 2. 2 RS-232 接腳定義表
9、7 表 3. 1 傳統程式語言與 LabVIEW 程式之比較表 .12 表 4. 1 壓單位關係 17 1第一章 緒 1.1 研究動機 根據美國國家公交通安全管局（ National Highway Traffic Safety Administration，或簡稱 NHTSA）統計，美國每約有 26 萬起交通事故是由於胎故障所造成的，其中約有 75% 是因為胎氣或充氣足所引起的；除此之外，胎壓足時胎的壽命會減短，且引擎需要多的動帶胎，因此耗油也會增加，甚至有可能在煞時發生偏向，造成危險。 預期未內將有許多的汽需要安裝 TPMS，目前美國地區新出廠的轎大多配備有 TPMS，歐洲地區雖無法強制要
10、求，但也已經有許多新將 TPMS 為標準配備。 無線胎壓監視系統（ Wireless Tire Pressure Monitoring Systems，或簡稱TPMS） ，如何去檢測產品的功能及動作是否符合產品的規格成為一項極為重要的課題，由於目前產業界並無 TPMS 的標準測試設備，所以有開發 TPMS 測試平台的構想產生。 胎壓足會造成以下種情況： 1. 胎內空氣溫快速升高、容造成爆胎。 2. 汽引擎需要輸出高的動帶動胎，造成平均耗油增加。 3. 增加胎磨損、減少胎壽命。 4. 煞時會有偏向問題，造成輛的抖動。 胎壓過高會造成以下種情況： 1. 胎內壓過高、容造成爆胎。 2. 抓地足，造成
11、煞距變長。 3. 胎吸震能低，增加避震器的負荷， 子出現多跳動，造成駕駛人及乘客的適感。 2目前產業界並無 TPMS 的標準測試設備，造成開發人員的困擾，因此希望能藉由開發 TPMS 測試平台解決這個問題。藉由本測試平台確保 TPMS 產品的出廠品質。 本研究計劃之目的，在於發展出一套完整的 TPMS 測試平台，使 TPMS 系統在開發及驗證的階段，能有一動態測試控制平台檢測產品的功能及動作是否逹到預期的標準。期能完成 TPMS 產品性能規格之自動檢測、自動判別 TPMS模組之好壞及問題點之可能發生原因給操作者考，並提供一簡明報表及圖形介面給工程師做進一步之分析，進而達到產時的品質管制。 1.
12、2 無線胎壓監測系統 一套完整的無線胎壓監視系統包含：安裝在胎內的無線感測模組（四或五個）和安裝在駕駛室內的無線接收與顯示模組。 胎壓足會使胎內的空氣溫快速上升造成爆胎等事故。尤其是長途駕駛及炎熱高溫的夏天問題是嚴重，特別在高速公上常常看大型卡因爆胎而造成交通事故而導致生命與財產的損失。每一輛裝備有 TPMS 系統則可將胎壓與胎溫屬於常態時，就給予駕駛者警告，既可避免事故發生。 無線傳輸胎壓監測系統，系統架構如圖 1. 1 所示，由四個無線感測器和一個中央接收器組成。將四個無線感測器分別置入個別所對應之胎，如圖 1.2 所示。當無線感測器測到胎壓及胎溫值後，經過資處後將其測值以無線傳輸方式發射
13、出，待中央接收器接收到無線感測器所發射之 RF 訊號後，將胎壓及胎溫值解出並判斷其值是否常，再交由中央接收器之顯示電顯示出，中央接收器顯示如圖 1. 3 所示。 3圖 1. 1 胎壓監測系統架構示意圖 圖 1.2 無線感測器安裝示意圖 圖 1. 3 中央接收器實體圖 4第二章 測試平台的設計 本測試平台的重點在於： TPMS 產品能由電腦自動檢測、自動判別待測發射器是否能在各種壓適當運作，並提供測據給工程師做進一步之分析，進而達到自動測及品管之目的。 2.1 測試平台的規範 本測試平台的測試程為由低壓經過正常壓到高壓的測試，每次測試以一個待測發射器為原則。 表 2. 1 為輕型卡及一般轎胎壓標
14、準表，目前以測試轎為主，由該表可以訂出本測試系統的壓測試範圍。 表 2. 1 預計採用的輕型卡及一般轎胎壓標準表 胎壓況 一般轎 輕型卡 壓偏低 21 28 PSI 55 45 PSI 正常壓 31 36 PSI 58 65 PSI 壓過高 40 PSI 以上 70 PSI 以上 2.2 測試平台硬體架構 依系統規範之操作方式，測試平台之架構設計如圖 2. 1所示，其中包括氣壓缸、空壓機、電磁閥、 NI介面卡、壓器、標準接收器、發射器及電腦。而氣壓缸提供密閉的空間，以模擬胎壓的況；空壓機負責提供壓的源；電磁閥則是負責控制氣缸進氣與洩氣； NI介面卡的功能主要是控制電磁閥的開啟與關閉，進而達到自
15、動充、放氣的功能；壓計則用以測氣缸內的壓，當作標準壓，與發射器測到的壓做比較；標準接收器用接收發射器的資傳送5到電腦，並與產品的接收器做比較以測試產品是否正常發射與接收；待測發射器是放在氣缸內，測氣缸內部壓變化並將壓值經 RF傳送出，由接收器接收；電腦是整個測試平台的中心，用以接所有的儀器，由電腦端的軟體控制已達到完全自動測的功能。 圖 2. 1 TPMS 測試平台示意圖 下圖 2. 2 為測試平台的實體照片，左邊色的是密閉汽缸，由旁邊四個黑色的栓鎖將汽缸鎖緊，待測的發射器就是放在這個汽缸內，蓋子上面有個電磁閥分別控制進氣與洩氣，另一頭的橘色軟管所接的是壓計。在中間的壓克板上從左邊開始依序為：
16、電磁閥控制電 (繼電器 )、 I/O 介面卡、標準接收器。最後在最右邊的是測試平台的中控電腦，由電腦上的程式控制所有的動作，以完成整個測試程。 6圖 2. 2 測試平台實體照 2.3儀器及介面 2.3.1 RS-232 介面 RS-232 是個人電腦上的通訊介面之一，由電子工業協會 （ Electronic Industries Association，或 EIA）所制定的非同步傳輸標準介面，屬於通訊埠的一種。通常 RS-232 介面以 9 個接腳（ DB-9）或是 25 個接腳（ DB-25）的型態出現，結構如圖 2. 3 所示，一般個人電腦上會有組RS-232 介面，分別稱為 COM1 和
17、 COM2。 幾乎所有的電腦採用 RS-232 介面方式。 RS-232 是一種完整的標準，除電氣特性外，還規範物及機械特性，如接硬體、輸出接腳及信號名稱。 RS-232 是一種點對點介面，適用於中等長的通訊，速可高達 20kbps。儘管在規範手冊中並未標出，但在接距較短且正確接地的情況下，其速可超過 115.2kbps。通常 RS-232 傳輸距為30 英尺，採用低電容電纜時，可達 200 英尺。 7通常 RS-232 通訊包含有起始位元、據位元、奇偶校驗位元（如果有的話）和停止位元（有時多位元）。與 PC 通訊的典型格式為八個據位元、無奇偶校驗位元、一個停止位元。此外，七個據位元、一個偶校
18、驗位元和一個停止位元這種模式也很常用。通常起始位元為 0、停止位元為 1。在正式的規範中沒有描述 RS-232 的通訊協議，包括起始位元和停止位元的使用。 表 2. 2 RS-232 接腳定義表 接腳 接腳定義 接腳 接腳定義 1 Data Carrier Detect 2 Received Data 3 Transmitted Data 4 Data Terminal Ready 5 Signal Ground 6 Data Set ready 7 Request to Send 8 Clear to Send 9 Ring Indicator 圖 2. 3 RS-232 匯排結構圖 8圖
19、2. 4 MAX232 IC 腳位圖 2.3.2 壓計 壓計的選擇上，使用 Tradinco 3096，如圖 2. 5，此儀器具有簡單的操作介面，攜帶方，除壓的測之外還提供電壓及電的測。在壓的測範圍從 -1bar 到 600bar，具有多種的壓單位的選擇，且具有 RS-232 的傳輸介面可與電腦溝通。 圖 2. 5 Tradinco 3096 壓計 92.3.3 I/O 介面卡 在 I/O 介面卡的選擇上，使用美商國家儀器（ National Instruments）所開發的 NI USB-6008，如圖 2. 6，此張介面卡具有八個 12 位元的比輸入通道、十二個位 I/O 通道、二個比輸出
20、通道及一個計器， USB 的匯排。因為此次的專題製作中程式的撰寫是使用美商國家儀器所開發的 LabVIEW 7.1，選擇這片介面卡但接簡也有助於控制上的。 圖 2. 6 NI USB-6008 介面卡 10第三章 測試平台軟體介面 3.1 LabVIEW 介面軟體 本專題電腦的介面軟體設計，如圖 3. 1，是使用美商國家儀器（ National Instruments）公司所開發的自動化測試軟體 LabVIEW 7.1 做設計。運用的軟體為虛擬儀表 （ Virtual Instrument，簡稱 VI） 物件以程圖的方式加以接組合，縮短撰寫程式的時間，以達到自動化測之目的。 圖 3. 1 La
21、bVIEW 圖控軟體畫面圖 LabVIEW 的程式叫虛擬儀表（ VI） 。 VI 有個主要的部份：人機介面、程式程圖，分別屬於前置面板和底部程式。在前置面板的人機介面是讓你從 VI方塊圖設定輸入的值和觀看輸出，因為人機介面是似於一個真實的工具的操作面板，輸入稱為控制元，輸出則稱為顯示元。可以使用各種的控制元和顯示元，如：旋鈕，開關，按鈕，長條圖，線型圖 .等等如圖 3. 2。每個人機介面有一個伴隨的方塊圖，那個是這 VI 的程式，可以將這方塊圖想成程式碼，方塊圖的元件代表程式節點。 工具 Toolbar 選單 Menu 控制面版 Controls Palette 程式方塊圖視窗 Block D
22、iagram 介面視窗 Front Panel功能面版FunctionsPalette 11圖 3. 2 LabVIEW 前置面板 另外建 LabVIEW 應用程式的關鍵，在於解和使用 VI 的階層性特性。也就是當建一個 VI 後，可以把它當作較高層 VI 方塊圖中的子 VI。就如同我們在書寫 C 語言時的主程式與副程式的關係，較高層的 VI 是主程式而較低層的VI 我們可以將它當作副程式使用。如果一個方塊圖有大的圖示，你可以將它們組成群組放到一個較低層的 VI，維持方塊圖簡潔。這種模組式的策方法使得應用程式容除錯、解和維護。本專題用 LabVIEW 子 VI 的優點書寫測試平台的動作控制、
23、TPMS 接收模組電腦端的接收、產品優的判斷與據的處和儲存。 以傳統程式語言的函和呼叫副程式（如 C 語言）和 LabVIEW 程式的方塊圖和子 VI 的比較關係，如表 3. 1。 12表 3. 1 傳統程式語言與 LabVIEW 程式之比較表 C 語言主程式呼叫副程式的程式碼 main average (x, y, Output) C 語言副程式程式碼 function average (x, y, output) output = (x + y) / 2; LabVIEW 呼叫子 VI 的方塊圖 LabVIEW 子 VI 的方塊圖 3.2 自動測平台系統架構 目前 TPMS 自動化測系統的
24、架構，以 RS-232 將無線接收模組和電腦接，當密閉氣室內的壓產生變化時，氣室內的待測發射器會即時的回報氣室內的壓及溫值，此時無線接收模組會所接收到的資，用 RS-232 傳回給電腦，再由 LabVIEW 程式做統計及判斷待測物的好壞，規劃程以 LabVIEW軟體建出整個系統的架構環境，測試的程為低壓往高壓測試，以模擬胎內壓的變化情形。 測試平台是以個儀器當標準去做測試：一有線的壓計去測鋼瓶內壓，用當作標準壓。另外還有一個標準接收器，功能跟產品上的接收器似，唯一同的是，標準接收器可以接收任何一顆發射器所發射的 RF 訊號，而且接收器有經過校正，可以準確的將接收到的資顯示出，用這一個標準接收器
25、與待測接收器還有壓計三者做交叉比較測試產品。當標準接收器與待測接收器的顯示壓相同，卻與壓計的顯示壓同時，表示發射器可能有常；13是標準接收器與壓計的顯示壓相同卻與待測接收器的顯示壓同時，代表待測接收器有常。就是以這個方法為基礎，去書寫控制軟體。 整個軟體的程圖如圖 3.3，首先設定控制端初始值：存檔徑、接收器與電腦接的 COM 位選擇、第一次充氣的時間 (預設 2.25 秒 )。接著按開始鈕啟動測試，電腦將會驅使介面卡送出訊號使電磁閥開啟充氣一固定時間。跟著判斷標準接收器是否接收到發射器感測後發射的資，否的話則繼續接收；是的話將資傳送至電腦解碼並接收壓計目前取缸內的值，比對者的測值，接收器測壓
26、與實際壓差在可容許之範圍內，則將接收到的待測壓與真實壓值顯示，是沒有在範圍內的話則在重新接收一次，當接收十次以上沒在範圍內則將最後的壓顯示出並顯示錯誤的燈號。這是一次測試的程，一個完整的測試是從低壓測試經過正常壓測試再到高壓測試。完成低壓、正常壓及高壓的測試後，將三次的測據顯示在 Table 表上且存檔，最後控制電磁閥洩氣並結束程式。 14圖 3.3 軟體動作程圖 153.3 測試平台人機介面 我們的人機介面，使用 LabVIEW 軟體書寫，如圖 3.4，總共分為大部分。 第一部份1為初值設定是做標準接收器 COM 位選擇及存檔位址選擇還有電磁閥通電時間控制。 第二部份2為燈號顯示，當電磁閥開
27、始充氣，充氣中的燈會，充氣結束會滅掉；同洩氣時洩氣的燈號會，洩氣結束滅掉。 第三部份3為主要的據顯示，當測試開始燈號會，根據起的燈號即可知目前測試到的階段，每一次測試完成後就會將所到的真實壓與待測壓顯示出，是誤差超過容許範圍錯誤的燈號就會起。 第四部份4為發射器的 ID CODE 顯示，與接收器測到氣缸內溫的顯示，因為每顆待測的發射器有自己的 ID CODE 為方追蹤，測試時也擷取ID CODE，而目前發射器測溫誤差過大，所以只作顯示而存取。 第五部份5為擷取電腦的時間與日期作顯示。 第部份6為 Table 表，是將所有測的壓與 ID CODE 在測試完成後顯示出。 圖 3.4 測試平台人機介
28、面 16第四章 實驗結果與據分析 4.1 氣壓 4.1.1 常用壓單位及壓單位換算 壓的定義：壓是指單位面積上受的大小，以學式表示如式 4.1 接觸面積作用壓 =AFP(4.1) 壓的單位：工程上常用的單位是公制重單位2/ cmkgf，英制單位2/ inlb (PSI)， SI 單位 (國際單位系統 )bar，另外有大氣壓系統所使用的水銀柱或水注高表示，分別如下： 1.公制的壓單位，2/ cmkgf質 kg1 的物體，在地球表面所具有的重即為fkg1 或稱為 Kp1 ，由於重加速 g 為2/51.9 sm ，由牛頓第二定 KpNkgf1)(81.91 =牛頓 (4.2) 故22/1/1 cmK
29、pcmkgf= 。 2.英制的壓單位，2/ inlbf(PSI) 平方吋磅/1/12= inlbPSIf(4.3) 因為fflbkg 2.21 = ， cmin 54.21 = ，故 PSIcmkgf2.14/12= 。 3.SI 的壓單位， Pa、 bar 平方公尺牛頓/1/112= mNPa (4.4) atcmkgmNPabarf02.1/02.1/101012255= (4.5) 174.物上的大氣壓， atm baratatm 013.1033.11 = (4.6) 表 4. 1 壓單位關係 atm PSI bar Pa 1 14.7 1.013 510013.1 0.068 1 0
30、.069 510069.0 0.9869 14.5 1 510 51098.0 5105.14 5101 4.1.2 大氣壓及壓種 大氣壓，包圍在地球表面的上方的空氣稱為大氣層，大氣層的壯作用在地球表面所成之壓，稱為大氣壓。大氣壓依海平面的高低同而有所改變，海平免愈高之處，則大氣壓愈低，在海平面 0 公尺高時，得水銀柱內外液面高差為 cm76 Hg ，如圖 4. 1 所示。 圖 4. 1 水銀柱 錶壓 (Gage pressure)，絕對壓 (Absolute pressure)。錶壓是壓表所指示的壓，此壓是以大氣壓為基準，表示絕對壓與大氣壓之差額；絕對壓是以完全真空為基準，表示在現實中實際存
31、在之壓；表壓小於大氣壓，則稱為真空壓 (負錶壓 )，其關係如圖 4. 2。一般氣壓系統所指之壓為18錶壓。 大氣壓-絕對壓錶壓大氣壓錶壓絕對壓=+=圖 4. 2 大氣壓與錶壓 4.2 實驗結果 在整個平台中，最主要的部分在於控制氣壓缸內部的壓變化。首先我們將氣壓缸內的壓由 0 PSI 直接充氣達 80 PSI，紀其時間對壓的曲線變化圖，如圖 4. 3 所示。由圖中可清楚得到充氣時間與壓變化的關係曲線，明顯的所需的壓範圍 60 PSI 以下的壓直接屬於壓快變化的範圍。 在完成上述的實驗後，接著針對 0 到 60 PSI 作充氣的動作，且透過壓計測其壓與時間的關係圖，如圖 4. 4。可以看出所需要
32、的壓值，低壓測試在約 2 秒的位置，正常測試在 3 秒的位置，過高壓測試在約 6 秒的位置。 當完成 0 到 60 PSI 的單次測試後，為進一步的解多次充放氣對壓的影響，所以接著設定壓缸內的壓小於 60 PSI，對壓缸續充放氣三次，觀察其壓變化，如圖 4. 5 所示。在壓的曲線上面，可發現充氣 2 秒時壓在17.5 到 25PSI 之間，充氣時間 3 秒時壓範圍在 27.5 到 35 PSI 之間，充氣 6 秒時壓範圍在 45 與 55 PSI 之間。當實驗的次繼續的增加，可以發現壓的範19圍大概在上述的範圍之內。如圖 4.5。經由上述的實驗後，可以推敲出充氣的時間長約為 2 秒、 3 秒及 6 秒。 圖 4. 3 P-t 曲線圖 (一 ) 圖 4. 4 P-t 曲線圖 (二 ) 20圖 4. 5 續性測試 (一 ) 21圖 4. 6 續性測試 (三 ) 4.3 據分析 由 4.2 節的實驗中，經由據推測出充氣的時間長在 2 秒、 3 秒及 6 秒。接下就針對在這幾個時間點，做進一步的分析。首先將對氣壓缸充氣 2 秒，取內部的壓值；接著再充氣 1 秒，讓整體充氣時間到達 3 秒，並再次取壓值；最後再充氣 3 秒，讓整體的充氣時間到達 6 秒，並取據。如圖 4. 7。
