无线方案论文(可作研发报告作参考).pdf

（申请工学硕士学位论文） 基于 3c 技术的 tpms 的研究 培 养 单 位 ： 自 动 化 学 院 学 科 专 业 ： 控制理论与控制工程 研 究 生 ： 刘 合 波 指 导 老 师 ： 李 中 年 教授 2007 年 5 月 基于 3 c 技术的 t p m s 的研究 刘合波 武汉理工大学 分类号 密 级 公开 udc 学校代码 10497 学位论文 题 目 基于 3c 技术的 tpms 的研究 英 文 题 目 research on the tpms based on the technology of 3c 研究生姓名 刘合波 姓名 李中年 职称 教授 学位 单位名称 自动化学院 邮编 430070430070 申请学位级别 硕士硕士 学科专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 武汉理工大学武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 2007 年 5月 指导教师 武汉理工大学硕士学位论文 i 摘 要 tpms (tire pressure monitoring system)主要用于小汽车（尤其是轿车）行驶 过程中对其轮胎压力进行实时自动监测，并对轮胎漏气、欠（气）压和超（气） 压等状况进行显示与声光报警，以提醒汽车驾驶员和相关人员注意，这是一种 非常实用的汽车安全行驶预警系统。 在汽车的高速行驶中，轮胎故障是最难预防的故障，也是比较频繁发生的故 障（据统计，轮胎引起的事故占汽车突发性交通事故总数的 70%以上）。因此， 关于汽车轮胎气压监测系统的研究早已为世人关注，然而，其研究成果至今不 尽人意。受企业之委托、结合笔者的学科研究方向，该课题应运而生。 该 tpms 主要由两大部分组成：安装在汽车轮胎里的轮胎压力监测模块和安 装在汽车驾驶台上的中央监视模块，前者主要用作监测轮胎压力及其温度，即 将所测信号调制后通过高频无线电波发射出去；而后者主要用来接收前者发送 过来的相关信息并进行相应的处理，且对轮胎异常状况进行声光报警。一个 tpms 有 4 个或 5 个（包括备用胎）轮胎监测模块。 在参考了 freescale 关于 tpms 设计方案的基础上，文中对 tpms 的系统硬 件和系统软件进行了精心设计：其轮胎监测模块的硬件主要由微控制器 mc68hc908rf2、传感器 mpxy8020a 及相关电路组成；中央监视模块主要由 接收器 mc33594、微控制器 mc68hc908kx8 及声光报警电路组成。同轮胎监 测模块硬件和中央监视模块硬件相对应的两个软件亦是采用模块化设计方法与 形式， “巧妙进行软硬兼施” ，从而实现相关数据的采集、处理、判断、发送、接 收和显示等功用。 文中还对 tpms 的抗干扰问题进行了深入的研究， 并提供了相应的硬件抗干 扰和软件抗干扰相结合的对策与措施。 文中并且对 tpms 进行了软件仿真， 结果 表明基本上达到了预期目标。 关键词： tpms， 射频， 轮胎压力 武汉理工大学硕士学位论文 ii abstract tpms (tyre pressure monitoring system) is used in the facet of real-time auto-detection of tyre air-pressure when driving. it can give the alarm when the air is leaking from the tyre, high-air-pressure and low-air-pressure. it is a system of safeguard for drivers. the malfunction of tyre is an important reason that causing traffic-accident, and also it is an important thing for drivers. it is reported that the proportion of traffic-accident caused by blowout is 70% in our country, but the proportion is 80% in american. the blowout of tyre causes large economic lose, so how to prevent blowout have become an important problem of safe-driving for discussion. the research shows the keys of preventing blowout are to retain standard air-pressure and to find the leaking of tyre timely. but the research is not perfect, so we do reasear about the thesis. tpms consists of two parts: one is a tyre pressure monitoring module, and another is a centric monitor module. the former is mainly to monitor the pressure and temperature, the latter is mainly to receive the information transmitted from the former module and display the data of air-pressure and temperature on the screen for drivers and give an alarm when it is necessary. there are four or five modules in a tpms. the article designs the system hardware and software aboratively on the basis of freescale scheme, the tyre monitor module consists of sensor mpxy8020a, mcu mc68hc908rf2. the centric monitor module consists of receiver mc33594, mc68hc908kx8 and alarm circuit. there is software corresponding to two hardware modules which can actualize the many functions. the article also researches the problem of emd (electric magnetic disturbance) about tpms and gives several ways to avoid emd. the arcticle finally simulates and tests the software system and prove that the design achieve the aim. key words: tpms, radio-frequency, tyre pressure 武汉理工大学硕士学位论文 iii 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 研究的背景与意义1 1.2 相关研究现状与动向2 1.3 主要研究工作5 第 2 章 tpms 功用要求与传输方法7 2.1 主要功用.7 2.1.1 功用要求7 2.1.2 技术指标8 2.1.3 人机接口8 2.2 传输方法.9 2.2.1 tpms 天线设计.9 2.2.2 tpms 无线传输.14 第 3章 tpms 总体策划18 3.1 概论.18 3.2 关于 tpms 设计要求.19 3.2.1 组件选择的要求19 3.2.2 轮胎监测模块功耗要求19 3.3 tpms 实现方案的研究.20 3.3.1 当前主流 tpms 的优缺点20 3.3.2 关于 tpms 设计方案的构思22 第 4 章 tpms 的硬件设计25 4.1 温度/压力传感器的选型25 4.1.1 温度/压力传感器 mpxy8020a 的组成原理26 4.1.2 温度/压力传感器 mpxy8020a 管脚功用与工作方式27 4.2 轮胎监测模块的控制器和发射器的选型29 4.2.1 控制器部分30 4.2.2 发射器部分30 4.2.3 轮胎监测模块的接口与外围电路的设计31 4.3 中央监视模块的设计.34 4.3.1 微控制器的选型35 4.3.2 接收电路的设计355 4.3.3 人机接口的设计38 4.4 显示及报警电路的设计.39 4.4.1 显示电路的设计39 4.4.2 报警电路的设计40 武汉理工大学硕士学位论文 iv 4.5 tpms 电源电路的设计.41 第 5 章 tpms 的软件设计43 5.1 系统监控软件总体设计.43 5.2 微控制器的程序研发44 5.3 轮胎监测模块的软件设计.45 5.3.1 轮胎监测模块的监控程序46 5.3.2 传感器测量程序48 5.4 无线收发模块的软件设计51 5.4.1 无线收发的通信协议52 5.4.2 无线发射程序设计53 5.4.3 无线接收程序设计55 5.5 中央监视模块的软件设计.57 5.5.1 中央监视模块主程序设计57 5.5.2 报警门限的温度补偿59 5.5.3 中断服务子程序59 5.5.4 显示及报警子程序59 5.5.5 人机接口子程序60 5.6 tpms 软件设计要点.60 第 6 章 tpms 的抗干扰设施63 6.1 系统运行的可靠性.63 6.2 系统干扰现象分析.63 6.3 抗干扰的硬件设施64 6.3.1 元器件布局的抗干扰方式.64 6.3.2 pcb 板抗干扰的布线方法.65 6.3.3 配置去耦电容67 6.4 抗干扰的软件设施67 第 7 章 系统调试69 7.1 微控制器的调试69 7.1.1 微控制器的调试环境69 7.1.2 通信接口电路的调试71 7.1.3 微控制器的加密调理74 7.2 无线收发电路的调试.75 7.3 系统整体调试与性能分析.76 7.3.1 系统整体调试76 7.3.2 系统工作寿命分析77 7.3.3 系统可靠性分析79 第 8 章 总结与展望81 8.1 总结81 武汉理工大学硕士学位论文 v 8.2 展望.81 参考文献.83 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文.866 致 谢877 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 研究的背景与意义 过去，汽车安全设计主要考虑被动安全系统，如设置安全带、安全气囊、保 险杆等；现代汽车设计师更多的考虑主动安全设计,使汽车能够在故障或者事故 发生前,向驾驶员发出警告,甚至主动采取措施,避免交通事故的发生。 对轮胎进行正确的充气并对其压力进行监控具有重要的意义。“轮胎必须保持 恰当的充气压力1”的提法与轮胎历史一样悠久，换句话说，轮胎保持恰当的充 气压力与油箱保持足量燃油一样重要，否则将导致汽车瘫痪。轮胎气压超过或 低于标准值所导致的直接后果就是轮胎爆胎，它严重影响汽车的行驶安全性。 在汽车行驶时,车胎两侧的压力是大致相等的,一旦有一边的轮胎发生漏气,则 该边的阻力就会逐渐增大,使驾驶员无法控制并造成翻车事故。而很多时候,轮 胎漏气不是驾驶员立即就能发现的。并且轮胎气压不足,将增大轮胎的弯曲变形, 加快轮胎的磨损,增大车轮的滚动摩擦阻力,从而导致油耗显著增加,特别是当 汽车高速行驶时,更会削弱轮胎的承载能力,导致轮胎破裂漏气。而轮胎压力过 高,也会增加轮胎的磨损,另外行使中一旦遇到障碍物,容易爆胎。正是基于对这 个问题的关注,美国在克林顿时代就制定法律,对新出厂的车辆逐渐强制要求安 装轮胎压力监测系统。轮胎压力监测系统的作用就是对轮胎压力进行实时的测 量与监控。 在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的问题， 也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故 有 70%-80%是由于爆胎引起的。凡世通轮胎的质量问题，造成了超过千人的伤 亡，此事引起了业界和美国政府的高度关注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次 收回 650 万只轮胎。据美国汽车工程师学会最近的调查，美国每年有 26 万交通 事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，另外，每年 75%的轮胎故障是由于轮胎 渗漏或充气不足引起的2。 而中国高速公路上交通事故的 70%也是由于爆胎引起 的。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家的分析，保持 标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1.2 相关研究现状与动向 轮胎压力监测系统是从上世纪 80 年代针对赛车进行系统的开发时开始的， 由 于每年造成的经济损失巨大，美国政府要求汽车制造商加速发展该系统，以求 减少轮胎事故的发生。 2000 年 11 月 1 日美国总统克林顿签署批准了国会关于修 改联邦运输法的提案，要求 2003 年后所有的新车都需要把这种系统作为标准配 置。2001 年 7 月为响应美国国会对车辆安装轮胎压力监测系统 tpms(tyre pressure monitoring system) 立法的要求，美国运输部和国家高速公路安全管理 局 nhtsa（national highway traffic safety administration）联合对现有的两种 tpms 进行了评价， 该报告第一次将 tpms 作为专用词汇。 该系统主要用于在汽 车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以 保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。目前，美国政府 批准认可的、满足联邦运输法提案要求的 tpms 主要分为两种：间接式 tpms 和直接式 tpms。 间接式 wsb tpms(wheel-speed based tpms)是通过修改汽车防抱死制动系 统 abs（antilock breaking system）的软件，用轮速传感器来比较轮胎之间的转 速差别，以达到监视胎压的目的，该系统不需要外加昂贵硬件投资，价格便宜。 该类系统的主要缺点是无法对同一轴上两个轮胎同时缺气的状况和速度超过 100 千米/小时的情况进行判断。 直接式 psb tpms(pressure-sensor based tpms)是利用安装在每一个轮胎里 的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行监视及显示，当轮 胎欠压或有渗漏时，系统会自动报警，提醒驾驶员进行处理。该系统需要在轮 胎里安装必需的轮胎监测模块，增加额外的硬件费用，并且轮胎监测模块需要 电池，所以轮胎监测模块的使用寿命受到限制。 因为电子产品的价格下降和高容量、高性能电池的出现，psb tpms 的缺点 显得越来越来成为限制该系统开发的次要因素，而它的监测性能是 wsb tpms 所不能比拟的，它不仅能对轮胎压力的异常情况进行报警，而且能对轮胎压力 实际值进行实时检测显示，并对轮胎的正确充气具有指导意义，能延长轮胎的 寿命。 还有一种复合式 tpms,它兼有两个系统的优点。 复合式系统在两个互相成对 角的轮胎内装备直接传感器，并装备一个 4 轮间接系统。与全部使用直接系统 武汉理工大学硕士学位论文 3 相比，这种复合式系统可以降低成本，克服间接系统不能检测出多个轮胎同时 出现欠压的缺点。但是，它仍然不能提供所有 4 个轮胎内实际压力的实时数据， 只有直接系统才具备这种功能。 美国政府对直接和间接的轮胎压力监测系统或者样机进行评价的结果显示 了：psm tpms 在功能和性能上明显优于 wsb tpms。基于这种事实，该课题 研发的系统为直接式轮胎压力监测系统，这也是国内外对轮胎压力监测系统的 研究的方向。文中的以下部分，各处都以 tpms 代替 psb tpms。 在 tpms 及相关技术的研究发面，西方汽车工业发达国家在近几年都取得 了相应的进展，出现了一批新产品。早在 1996 年丰田就有一种系统产品应用 于当时生产的 mark型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产 生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。2002 年，约翰逊公司的轮 胎压力实时监测系统被国际汽车工程评为当年 20 个最有价值的汽车产品之 首。这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收 设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射器传送给集成接 收器，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个 轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相 关产品问世，如西门子 vdo 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵监测装置，英 国 a.i.r.汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神监测装置； 法国米其林集团公司 与威柏可公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监 测装置；德国 beau 公司与美国 lear 公司联合推出的轮胎压力实时监测系 统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极具价格竞争力的 整体解决方案。从最近发布的世界新车资料中得知，林肯大陆、奔驰、宝马、 道奇等中高档车均安装了 tpms。从以上这些目前国际市场上的汽车轮胎压力 监测技术产品来看，通过对轮胎压力的监测来实现预防轮胎行车故障进而提升 汽车安全性能，已成为当前汽车安全技术的发展方向，也揭示了一种新的行车 安全防范理念。 美国及欧洲一些技术先进的国家，开展轮胎压力监测装置技术的研究很早， 而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。目前，国内轮胎压力监测装 置的相关产品虽然推出较多，但据对相关市场的调查了解，都是技术性能不甚 完善、可靠性较差的简易系统产品，要么系统工作寿命极短，要么系统在低温 或高温环境下失效，要么工作可靠性较差，在这方面的技术成熟产品基本还是 武汉理工大学硕士学位论文 4 空白。性能可靠、功能完善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理， 如来自日本的汽车轮胎压力监测装置“汽管严” ，但价格高昂。因此，研制性能 可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产 品很有必要。 国内外轮胎压力监测系统的开发分为传感器、控制器等相关芯片的开发和系 统的开发两方面。 tpms 轮胎监测模块通常是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感 器、数字信号处理单元和电源管理器的系统模块3。为了扩展胎压检测功能，有 不少 tpms 轮胎监测模块还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门 狗和 adc、 存储器以， 而且还能实现汽车行驶时及时启动系统、 自动唤醒 tpms、 节电省能等功能。电源管理器主要功能是降低系统功耗，从而可使一节锂电池 使用 3-5 年。 tpms 的传感器是采用基于微机电系统 mems(micro electromechanical system)技术进行设计、生产的，主要有硅集成电容式压力传感器，如 motorola 公司的 mpxy8020a；硅压阻式压力传感器，如 ge novasensor 公司的 npx1,npxc01746；infineon 公司的 sp12，sp12t，sp30，其中 mpxy8020a 传 感器集成了压力传感器、温度传感器、spi 接口、唤醒、防死机自动复位、内部 时钟、节电模式等设施，其测量精度为 637.57.5kpa。 针对轮胎监测模块中的微控制器，芯片厂商一般把射频发射器与微控制器集 成 在 一 个 芯 片 上 ， 例 如 motorola 的 mc68hc908rf2, microchip 的 rfpic12c509。芯片除了射频设施外，还具有低功耗休眠模式及通过外部信号将 其唤醒的设施。mc68hc908rf2 在休眠模式下，电能消耗仅仅约为 10na,有利 于延长轮胎监测模块的寿命。 由于现在的汽车大多都已取消了内胎，这给 tpms 轮胎监测模块安装带来了 极大的方便，目前 tpms 轮胎监测模块在汽车轮胎内的安装主要有两种方式： 一是利用气门安装（见图 1-1） ，二是利用紧箍扣安装在轮毂上（见图 1-2）无论 采用那种方式，安装完 tpms 轮胎监测模块都必须对轮胎重新做运动平衡检验。 轮胎压力监测系统中轮胎监测模块和中央监视模块通常采用调频载波的方式 进行通信，各国都采用公共频段进行通信，美国和加拿大采用的是 433.92mhz 载波频段频率，欧洲采用的是 315mhz 频率。 系统的功能除了压力的监测和报警以外，还包括：温度的监测和报警，压力 武汉理工大学硕士学位论文 5 的温度补偿显示。 为延长轮胎监测模块使用寿命采用不同的电源管理： 一种采用 低频唤醒的方式，在汽车点火后，唤醒轮胎监测模块；另一种是在模块本身采用 加速度传感器，在汽车行驶时，唤醒轮胎监测模块。 图 1-1 利用气门安装轮胎监测模块 图1-2 利用紧箍扣安装轮胎监测模块 国内的研究成果都是在美国的汽车安全法提案提出来之后，为了适应国际形 势的发展，逐渐发展起来的。国内轿车上只有上海通用的别克安装了 tpms4。 由于芯片的开发投入较大，国内的 tpms 的研发主要集中在系统级的开发，采 用国外的适应汽车电子的芯片，开发周期短，开发费用低。现在许多电子技术 公司在进行轮胎压力监测系统的设计开发，有的已经设计出样品，并进行测试 与实验。例如：星科电子技术公司轮胎压力监测系统采用英飞凌（infenion）技 术。棋港电子技术公司采用采用 atmel 技术，以及采用 ge tpms 系统。 国内 tpms 刚刚起步，产品的可靠性比较差，价格虽然很低，但没有像国外 同类产品那样得到用户的认可，如果要让国内产品参与市场竞争，不但需要我 们介入基于 mems 技术的集成芯片的开发，而且要进一步进行系统的研究和开 发，以提高系统的可靠性，减少误报率，提高产品的性价比和市场竞争力。 1.3 主要研究工作 该课题采用的系统原理，总的来说就是把采集到的压力和温度数据通过无线 射频方式发射到中央监视模块，后者在接收到相关数据后对其进行处理,它涉及 到 3c（computer, control, communication)技术5 6。研究的主要问题是以四轮轻 型汽车为实施对象，如何实现性能可靠、技术完善的汽车轮胎爆胎预警系统。 由于轮胎压力监测模块处在极其复杂的环境中，要考虑体积的最小化和低功 武汉理工大学硕士学位论文 6 耗的设计，因此该课题包含有许多技术难点。该课题主要研究的内容大致如下： 1、 低功耗、短距离的无线通信。由于包含传感器的轮胎监测安装在汽车的 轮胎内，只能采用电池供电，而使用寿命要求在 3-5 年或者更长时间，因此对 轮胎监测模块的功耗要求非常严格。 2、 轮胎监测模块及中央监视模块的抗干扰。由于轮胎监测模块的工作环境 比较恶劣，对射频信号将可能产生较大影响，轮胎监测模块和中央监视模块必 须具有较强的抗干扰性能。 3、 系统的可靠性。由于该系统安装在汽车上，使用环境复杂，在功能设计 和结构设计上都要保证可靠性。 4、 中央监视模块的设计。系统通过软件设计来对各轮胎压力进行监视，若 出现报警状态，则发出相应的报警标志。 该课题是涉及面非常广，既包括电子电路设计、控制程序编写，还需要解决 复杂环境下的射频通信， 开发周期长， 作者在该项目中主要负责内容包括： tpms 总体方案初步设计，轮胎监测模块开发，包括硬件电路设计、软件编写、射频 调试以及子系统测试，协助中央监视子系统的开发与功能设计。 武汉理工大学硕士学位论文 7 第 2 章 tpms 功用要求与传输方法 2.1 主要功用 该章将系统地介绍该课题研究的 tpms 要实现那些功能，达到什么样的技术 指标，及这些功能、指标的实现方法。 2.1.1 功用要求 该课题涉及多个学科知识，包括电子、计算机、自动化、通信等。硬件电路 主要包括无线传输电路、控制电路、复位电路、电源电路和显示电路等单元78， 它们实现轮胎气压监测预警功能和轮胎温度监测预警功能。具体功能如下：轮 胎状态信息包括气压值、 温度值等由 lcd 显示， 报警信息由 lcd 和 led 显示， 同时报警电路进行报警。 (1)轮胎压力监测预警功能9 1）轮胎超压预警。配有该装置的汽车运行时，安装在车胎内的各轮胎监测 模块开始工作，若某一轮胎气压高于基准胎压值，中央监视模块则蜂鸣报警， 数字显示出“01、10bar(1bar=100kpa)” ，状态指示灯变红，记录该信息。 2）轮胎欠压预警。若某一轮胎小于基准胎压，中央监视模块则蜂鸣报警， lcd 数字显示出“01、8bar” ，状态指示灯变红，记录该信息，并向后面车辆报 警，高位灯闪亮、以无线方式发射报警数据。 3）轮胎低压预警。若某一轮胎小于 1/3 的基准胎压，中央监视模块则蜂鸣报 警，lcd 数字显示出“01、7 bar” ，状态知识灯变红，记录该信息，并向后面车 辆报警：高位灯闪亮、以无线方式发射报警数据。 (2)轮胎温度监测预警功能9 1）轮胎温度升高太快预警。某轮胎 5 分钟内温度升高超过 10，中央监视 模块则蜂鸣报警，lcd 数字显示出“01、50” ，状态指示灯变红，记录该信息。 2）轮胎温度升高过高预警。某轮胎胎内温度高于 70，中央监视模块则蜂 鸣报警，lcd 数字显示出“01、75” ，状态指示灯变红，记录该信息。 武汉理工大学硕士学位论文 8 3）轮胎严重高温预警。某轮胎胎内温度高于 80，中央监视模块则蜂鸣报 警，lcd 数字显示出“01、85“，状态指示灯变红，记录该信息。 2.1.2 技术指标 发射频率：433.92mhz 发射电流：12.5ma（最大输出功率） 最大耗电电流：50ma 射频（rf）调制方式：fsk（ frequency shift key） 接受灵敏度：优于-100dbm 压力传感范围：50637kpa（0.56.5 大气压） （2.5kp/刻度） 温度传感范围：-40125 2.1.3 人机接口 当该系统单独运行时，按动两个按键“+”和“-”则不同轮胎信息翻动显示 在 lcd 上。 系统加电启动后， 蜂鸣器发出一短叫声， 模块进入初始化状态， lcd 显示系统进行初始化时的信息， 初始化完成之后， lcd 默认显示 lf 轮胎压力与 温度。具体按键操作与显示功能如下： （1） 下翻功能 lcd 初始化完成后，默认显示 lf(左前)轮胎信息。按动“+” ，蜂鸣器短叫， lcd 显示 lr（左后）轮胎信息。继续按动“+” ，lcd 显示 rf（右前）轮胎信 息。依次按动“+” ，lcd 则依次循环显示 lf，lr，rf，rr（右后）轮胎压力 和温度。报警之后，若有多个轮胎异常，lcd 则以下翻顺序显示各个报警信息。 （2） 上翻功能 lcd 初始化完成后，默认显示 lf 轮胎信息。按动“-” ，蜂鸣器短叫，lcd 显示 rr 轮胎信息。 继续按动 “-” ， lcd 显示 rf 轮胎信息。 依次按动 “-” ， lcd 则依次循环显示 lf，rr，rf，lr 轮胎压力和温度。报警之后，若有多个轮胎 异常，lcd 则以上翻顺序显示各个报警信息。 武汉理工大学硕士学位论文 9 2.2 传输方法 该系统的功能所涉及的关键技术主要有天线设计方面、通信技术方面等。 2.2.1 tpms 天线设计 对于一个天线系统来说，需要考虑的一个问题是天线的设计。天线设计是很 精密的工作，设计一个良好的天线需要考虑频带、阻抗、增益等问题。天线可 以定义为任何导线或导体，它载送一脉冲和交流电流。这个电流在天线的周围 将产生一个电磁场，这个场将产生脉冲或随着电流的变化而变化，如果另外一 个导线放在附近，通过这个导线的电磁场将感应出一个电流，这个电流和原始 电流一样，只是弱一些，如果线圈相对电磁波的波长要长些，它将在较长距离 辐射大部分磁场。 设计一个低功耗短距离无线通信应用产品，天线设计是比较重要的一个环 节，考虑到轮胎监测模块的小尺寸和低功耗要求，可以集成在同一快 pcb 板上 的微调环形天线将是一种良好的选择9。 电子小环形天线是一种圆周小于十分之 一波长的环形天线，图 2-1 描述了一种矩形环形天线的几何图形。 图 2-1 矩形环形天线的几何图形 图中所标识的物理参数物理意义如下： 武汉理工大学硕士学位论文 10 a1=环型天线宽度 a2=环型天线长度 b1=天线导体厚度 b2=天线导体宽度 对于印刷在 pcb 中的环形天线，导线厚度 b1代表电路板表面所铺的铜的厚 度，在计算天线电力参数时，矩形环形天线可以被等效为一个正方形，天线导 体可看作粗细均匀的导线，根据以上的等效方法，正方形的边长由下式计算： 21a aa = （2-1） 根据这个边长可以计算环路面积 a 和电感 la和 li。 2 aa = （2-2） 天线导体的等效导线半径9 21 24. 035. 0bbb+= （2-3） 为了能够估计天线谐振的电容 cp首先要计算出环形天线的输入阻抗，而计 算天线效率则要先计算出发射电阻，损耗电阻和其他电阻损失。 当天线做发射天线时，上面的环形天线等效电路如图 2-2 所示10： 图 2-2 环形天线等效电路图（发送模式） 环形天线输入阻抗： )(2)( 0iaxlrin llfjrrrz+= （2-4） 上式中： rr=发射电阻 rl=环形天线损耗电阻 rx=其他损耗电阻 la=环形天线电感 武汉理工大学硕士学位论文 11 li=天线导体电感 发射电阻： = 4 2 31171 a rr （2-5） 上式中： 0 f c =， 代表波长，c=3108m/s 代表光速；f0代表谐振频率。损耗电 阻： 00 21 21 f bb aa r p l r sl + + = （2-6） 上式中： l=金属导体长度 p=天线导体横断面周长 rs=导体表面电阻 0=10e-7 h/m =导体电导，对于铜等于 5.8107s/m 其他电阻损耗主要是由于电容 cp 引入的等效串行电阻： lr ia x rr q llf r + = )(2 0 （2-7） 从上式中可以看出，环行天线的最大可能功率因数 q 主要由电容 cp引入的 等效串行电阻决定。和电容 cp并联的电阻 rq用于控制天线的功率因数，这个 并联电阻的加入将会减小天线的输入阻抗11。 上图中电容 cp与 zin 并联用于谐振天线,这可以消除在操作频率处输入阻 抗的虚量。电容 cp也可代表分布式杂散电容。cp计算公式如下： 22 )(2)( iaxlr ia p llfrrr ll c + + = （2-8） 谐振时输入阻抗 xlr ia xlrin rrr llf rrrz + + += 2 )(2 （2-9） 对于边长为a和导线半径为b的长方形天线： 武汉理工大学硕士学位论文 12 = = a a l b a in a l i a 2 774. 02 0 0 (2-10) 天线效率： xlr r rrr r + = （2-11） 或者 )(2 0ia r llf qr + = （2-12） 上式中rx表示电容cp引入的等效串行电阻。 谐振时天线的电阻输入阻抗很高， 为了匹配发送天线的输出阻抗或者接收天 线的输入阻抗， 需要把这个值变小。 图2-1中显示的分流匹配技术是t匹配连接。 沿着谐振天线任何与中间点等距的两点之间的阻抗是电阻性的，这个值由这两 点间的距离（反馈长度）决定。据此我们可以找到一对点，它们之间的阻抗值 正好可以匹配发送天线的输出阻抗或者接收天线的输入阻抗。减小两个点之间 的距离，阻抗也减小。实际应用中，发送天线或者接收天线不可能直接连接到 这两个点上， 因为集成电路的引脚长度有限。 图2-1中的t型匹配克服了这个问 题，它使用另外一段与天线并联的导线形成一个匹配段，在这个地方可以连接 到发送天线或者接收天线。 可以使用试错法去调整反馈长度， 从而使天线的输入阻抗正好等于发送天线 的输出阻抗或者接收天线的输入阻抗。对于所有的连接点，必须调整估计电容 值cp以使天线达到最大发送功率。 天线阻抗决定于反馈长度和q值。 为了获得可以批量生产的发送天线的发送 功率和接收天线的灵敏度，q值必须匹配用于微调天线以获得合适谐振频率的电 容值。天线的q值的选择是根据下式： 1 100 1 1 + = tol q （2-13） tol是用百分比表示的电容的忍耐性。上式基于假设电容变化所引起的发射 功率变化低于3db，如果忍耐性是4%，q值将是50，如果选择更高的q值，需 武汉理工大学硕士学位论文 13 要微调天线以使发射功率变化低于3db。 因为电磁波具有在导体边缘和表面衍射和反射以及可以穿透电解质金属等 能力，工作于uhf波段的rf系统对于系统的直射可达范围要求不是很严格。 计算传输范围需要用到下面参数： 发射功率prf，单位为dbm 发射天线和接收天线的效率h 天线距离l，单位为米 自由空间损失lp，单位为db 除去自由空间损失的其他传播损失lx，单位为db 接收灵敏度s，单位为dbm 当接收天线和发射天线之间具有清晰的没有阻挡的可达路径时， 可以估计接 收天线所能接收到信号的强度。自由空间损耗因子可利用下式计算： = = r dbl r l p p 4 lg20 4 2 （2-14） 自由空间损失因子包括天线球形传播所造成的能量损失。 上式表明接收天线 收到的能量与天线距离平方成反比。比例为20db/decade（例如天线距离加倍， 能量损失6db） 。对于给定的发射功率prf、灵敏度s，文中得出： rf p s l 2 4 = （2-15） 上式在天线距离/2 2 dl 时成立。d是两个天线的最大尺寸。沿传导表面 发生的微波制导可能会增加这个距离。自由空间传导分析应用于直视可达空间 传播，这意味着要考虑到其它各种传播损失lx ，例如信号反射、衍射、散射以 及极性损失。考虑到以上因素，通信距离可以用下式计算： rfx pl s l 2 4 = （2-16） 对于给定的通信距离l、损耗lx和灵敏度s，可得到所需要的发射功率： 武汉理工大学硕士学位论文 14 2 px rf ll s p= （2-17） 2.2.2 tpms 无线传输 利用数字信号传输信息的系统，称为数字通信系统。根据传输信号的处理方 式，数字通信系统可以细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、 模拟信号数字化传输通信系统12，虽然数字通信形式多种多样，但从系统的主 要功能和部件来看，所有数字通信系统都可以概括为如图2-3所示模型。 图2-3 数字通信系统的模型 数字信号在时域上是呈离散性的且都只有两种状态1和0，在短距离传送时 （100米以下）可采用基带传输，当要进行远距离传输时就要采取载波传输方式 了。载波传输系统是把数字信号调制到载波上再送入传输信道中，它同基带传 送不同仅是在数字信号的输出端增加一个调制器，在数字输入口前增加一个解 调器而其它部分则完全相同。 （1） 基带传输 在数字通信系统中，为便于实时监测传输系统的信号传输质量，检测出基带 信号码流中错误的信号状态，信道编码器输出的代码还需经过码型变换，变为适 于传输的码型，常用的基带传输码主要有以下几种：1、双极性不归零码；2、单 极性不归零码；3、双极性归零码；4、单极性归零码；5、曼彻斯特码。这里的 所谓双极性是指用正脉冲和负脉冲分别代表数字信号1和0；所谓单极性是指用 正脉冲和零分别代表数字信号1和0；所谓不归零是代表第一个码元的脉冲过后 紧接着是代表第二个码元的脉冲，两者之间没有时间间隔，单极性归零码只适用 于机器内部，不能用作线路码；双极性归零码由于脉冲间留有间隙，便于分离各 个代码， 因此容易取得时钟脉冲； 单极性不归零码不含直流分量， 占用带宽较窄， 常用于载波调制。曼彻斯特码是以半个符号宽的先正后负（1，0）的脉冲代表数 字信号1，而以半个符号的先负后正的脉冲（0，1）代表数字0，也就是数据在 武汉理工大学硕士学位论文 15 前半位发送，而数据的补码在后面半位发送。因此这种编码也称为相应编码。由 于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟， 因此，这种编码也称为自同步编码，为了获得一个正确的时钟信号，曼彻斯特编 码的占空比要在48%到52%之间。这种编码信号平均值是常数。如图2-4所示。 图2-4 常用的基带传输码 在基带传送系统中，通常采用多路复用技术，多路复用是将来自不同信息源 的各路信息按某种方式合并为一路，通过同一信道传送给接收端，接收端再按 相应方式分离出各路信号送给不同的用户。多路复用的方式有：1、频分复用； 2、时分复用；3、码分复用；4、波分复用；5、时间压缩复用等。在数字通信 中则更多地使用时分复用技术，所谓时分复用是将各路信号利用同一信道的不 同时隙来进行通信，因为时分复用传输时各路信号不在同一时间上传送，不容 易产生交调和互调失真，所以时分复用系统的非线性失真指标要求不高。 数字基带信号都是矩形波，由于矩形波脉冲包含有丰富的谐波分量，所以在 有限的信道带宽中，传输时必会产生失真，为此会引起较大的误码率。又由于 每个码元所产生的谐波在时域上是相互交叠的，所以就产生了码间干扰，好在 码元波形是按一定间隔发出的，只要在特定时刻的波形幅值没有失真，即使其 他部分失真很大对码元的再生判决也无影响。 （2）载波传送 当数字信号要进行较长距离的传送时，就要采用载波传送的方式了。数字信 号的载波传送与基带传送的主要区别就是增加了调制与解调的环节，是在复接 器后增加了一个调制器，在分接器前增加一个解调器而已。 武汉理工大学硕士学位论文 16 数字信号只有几个离散值， 这就象用数字信号去控制开关选择具有不同参量 的振荡一样， 为此把数字信号的调制方式称为键控12。 调制方式有幅度键控ask （amplitude shift keying） 、频移键控fsk（frequency shift keying） 、相移键控 psk（phase-shift keying）等。 1）幅度键控 幅度键控又叫开关键控、通断键控，可以通过乘法器和开关电路来实现。载 波在数字信号或1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输 信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波 传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于 二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍，波形如图2-5。 图2-5 幅度键控的波形 2）频移键控 频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0，其波形 如图2-6所示，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。如果载 波频率是433.92mhz，最大频偏定义为fdev，则433.92-fdev表示1，433.92+fdev 表示0。fsk方式传送曼彻斯特编码示意图如图2-7。对二进制的频移键控调制 方式，其有效带宽为b-2xf+2fb，xf是二进制，基带信号的带宽也是fsk信号 的最大频偏，由于数字信号的带宽即fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽 b较大，频带利用率小。 图2-6 频移键控波形 武汉理工大学硕士学位论文 17 图2-7 曼彻斯特编码 3）相移键控 在相移键控中，载波相位受到数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中 为0时，载波相位为0，为1时载波相位为，载波相位和基带信号有一一对应 的关系，其波形如图2-8。 图2-8 相移键控波形 4）调制性能比较 在抗高斯噪声方面，相移键控性能最好，其次是频移键控，幅度键控性能最 差。从频带利用率来看，相移键控和幅度键控比频移键控占据更窄的信道带宽。 在本tpms系统设计中，因为工作环境比较恶劣，并且芯片资源有限，文中选择 抗噪声能力相对较好的频移键控调制方式。 武汉理工大学硕士学位论文 18 第 3 章 tpms 总体策划 3.1 概论 汽车轮胎按胎体结构不同可分为充气轮胎和实心轮胎。现代汽车几乎全部采 用充气轮胎，按照充气轮胎按胎体中帘线排列的方向不同，还可分为普通斜交 轮胎、带束斜交轮胎和子午线轮胎。充气轮胎按组成结构不同，又分为有内胎 轮胎和无内胎轮胎两种13。 有内胎的充气轮胎由内胎、外胎和胎垫组成。内胎中充满压缩空气，外胎是 用以保护内胎使不受外来损害的强度高而富有弹性的外壳，胎垫放在内胎和轮 辆之间，防止内胎被轮辆及外胎的胎圈擦伤。 无内胎轮胎（俗称真空胎，在轮胎上用tubeless表示）在外观上和结构上与 有内胎轮胎近似，不同的是无内胎轮胎的内壁上附加了一层厚约2-3毫米的 橡 胶密封层，在密封层下面贴着一层用未硫化橡胶的特殊混合物制成的自粘层。 这种真空胎是利用轮胎内壁和胎圈的气密层，保证轮胎良好的气密性。外胎 兼起了内胎的作用。气密层是将一层内膜紧粘在轮胎内壁上，使得轮胎在高速 行使中不易聚热。因其没有薄而软的内胎，故不会在高速行使中因爆胎或突然 刺破而使车辆失控，真空胎在被刺破后，仍可低速行使，但质量真正过关的真 空胎可价格不菲。 另外，真空胎还有简化生产工艺，减轻重量，节约原料等好处。因此，装配 真空胎早已在轿车领域中成为潮流。近几年，欧美和日本的轿车已经实现了子 午线轮胎无内胎。国产轿车，摩托车等也基本大量使用了真空胎。 为四轮小型车设计一个tpms系统，有如下要求14： ? 直接式。轮胎压力监测模块决定于轮胎气门嘴。整套系统由四个轮胎压 力监测模块和一个中央监视模块构成。 ? 后装式。供应后装市场，各轮胎压力监测模块与中央监视模块之间采用 无线通信的方式。 ? 胎压监测模块电池供电，要求正常工作年限不低于3年。