（信号与信息处理专业论文）基于802154的汽车轮胎报警系统的设计与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 在汽车高速行驶中，轮胎故障是突发性交通事故发生的重要原因，如何防止 汽车爆胎已成为安全驾驶的个重要课题，于是汽车轮胎压力监视系统( 1 1 p m s ) 应运而生。 本文综述了轮胎压力监测系统的发展现状与特点，在对己有t p m s 系统进行 研究和分析的基础上，设计了基于8 0 2 1 5 4 的轮胎报警系统。所设计的汽车轮胎 压力监测系统由多个轮胎模块和一个接收器模块构成，主要用于汽车行驶时实时 地对汽车轮胎气压、温度等参量进行自动监测，通过无线收发的方式传输信息， 从而对轮胎漏气和低气压等进行报警，以保障行车安全。 在硬件方面设计了轮胎模块电路和车载模块电路。轮胎模块电路设计主要考 虑了模块的功耗、体积，传感器选用m p x y s 0 2 0 a 实时采集汽车轮胎的温度压力 数据，微控制器选用c c 2 4 3 0 芯片实现无线数据通信功能。车载模块电路主要包括 射频电路的设计和显示报警设计，为了使驾驶者更直接清晰地收到信息，显示报 警设计中选用了语音报警和灯报警两种方式。 软件方面，基于8 0 2 1 5 4 通信协议，对各个子模块进行了详细的流程设计。 发射器软件设计调度算法中主要考虑了省电问题：在接收器软件设计中，重点考 虑了数据接收可靠性问题，采用时分复用思想，增加了同步模块。为了正确判断 轮胎i d 号，对新加入的模块采用了自动识别功能；同时当接收完一帧后，本模块 对收到的数据帧进行c r c 校验，进一步提高数据传输的抗干扰能力。 本文研究的汽车轮胎报警系统可在汽车行驶状态下有效预防轮胎爆胎，提高 了汽车高速行驶的安全性，该系统具有一定的实用价值和应用前景。 关键词：轮胎报警系统i e e e s 0 2 1 5 4 调度算法无线传输 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t 1 1 1 em a l f u n c t i o no ft y r ei sa ni m p o r t a n tr e a s o nt h a tc a u s i n gt r a f f i ca c c i d e n t h o wt o p r e v e n tt i r ee s p l o r a t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u r eo fs a g ed r i v i n g s ot i r ep e r s s u r e m o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d s p a p e r d e s c r i b e dt p m sc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，b a s e do n t h et p m ss y s t e m sr e s e a r c ha n da n a n l y s i s ，d e s i g nt h e c a rt y r ea l a r ms y s t e md e s i g n b a s e do n8 0 2 15 4t e c h n o l o g y t i r ep e r s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o n s i s t e do fs o m et i r e m o d u l e sa n do n er e c e i v e rm o d u l e ，c a l lm o n i t o rt h et i r e p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea n d o t h e rp a r a m e t e r sa tr e a lt i m e ，t r a n s m i tt h em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o u st om i c r o c o n t r o l l e r w i r e l e s s l y , t h e na l a r mi ft i r ei sa tl o wp r e s s u r eo rl e a k i n gt oe u s u et h ed r i v i n gs a f e t y i nh a r d w a r ea s p e c t ，id e s i g nt h em o d u l ec i r c u i to ft y r ea n dc a r r yb yv e h i c l e ，t h e d e s i g no ft y r em o d u l ec i r c u i ti sm a i n l yr e f e rt h ef a c t o r st h a tp o w e rc o n s u m i n ga n d c u b a g e ，s e n s o rc h o o s em p x y s 0 2 0 a ，i no r d e rt og a t h e rt h ea u t ow h e e l 。st e m p e r a t u r e p r e s s u r ed a t ai nr e a lt i m e ，m i c r oc o n t r o lu n i tc h o o s ec c 2 4 3 0c m o sc h i pt oa c h i e v et h e w i r e l e s sd a t at r a f f i cf u n c t i o n t h em o d u l ec i r c u i to fc a l t yb yv e h i c l em a i n l yi n c l u d er f c i r c u i ta n dd i s p l a ya l a r m ，i no r d e rt om a k et h ed r i v e rr e c e i v et h ei n f o r m a t i o ns y l l a b i f y ， t h ed e s i g no f d i s p l a ya l a r mc h o o s et w ok i n d so fm o d e ：v o i c ea l a r ma n dl i g h ta l a r m i nt h es o f t w a r ed e s i g n , b a s e do nt h e8 0 2 15 4 ，ig i v ee a c hs u b - m o d u l ed e t a i l e d d e s i g np r o c e s s ，t h en l a i nc o n s i d e r a t i o no fp o w e rc o n s u m p t i o ni nt h et r a n s m i t t e rs o f t w a r e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m 删，i nt h er e c e i v e rs o f t w a r ed e s i g n ，w ef o c u so nt h er e l i a b i l i t y o ft h ed a t ar e c e p t i o n ，u s i n gt d m at h i n k i n g ，i n c r e a s e d s y n c h r o n i z a t i o nm o d u l et o c o r r e c tj u d g et h et i r ei dp o s i t i o n , u s i n gt h ea u t o m a t i cr e c o g n i t i o nf o rt h ea d d i t i o no fa n e wm o d u l e a tt h es a m et i m e ，w h e nr e c e i v i n go n ef r a m e ，a d o p t i n gc r cc h e c k - u pw a y i m p r o v et h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo fd a t et r a n s m i s s i o nf u r t h e l t h ea u t ow h e e la l a r ms y s t e mt h i sp a p e rr e s e a r c h e sc a nb eg o o df o rp r e v e n tw h e e l b u r s ti nr u n n i n gs t a t e ，i m p r o v et h es e c u r i t yo fa u t o sh i l g hs p e e dr u n n i n g s ot h es y s t e m h a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u ea n da p p l i e dp r o s p e c t k e yw o r d s ：t y r ea l a r ms y s t e m i e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s st r a n s m i s s i o ns c h e d u l i n g a l g o r i t h m 重庆邮电大学硕士论文缩略语索引表 缩略语索引表 a d c a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r模拟数字转换器 a e sa d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d 高级加密标准模块 c r c c y c l i c a lr e d u n d a n c yc o r r e c t t i o n 循环冗余校验 c m o s c o m p l e m e n t a r y m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r互补金属氧化物半导体 t r a n s i s t o r c s m a c ac a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t l lc o l l i s i o n载频监听多路访问冲 d e t e c t i o n突检测 d o t d e p a r t m e n to ft r a n s p o r t 美国运输部 d m ad i r e c tm e m o r ya c c e s s存储器直接存取 e e p r o m e l e c t r i c a l l y e r a s a b l e p r o g r a m m a b l e 电可擦除只读存储器 r e a d - o n l ym e m o r y f s k f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g频移键控 1 2 c i n t e r - - i n t e g r a t e dc i r c u i t两线式串行总线 l l c l o g i c a ll i n kc o n t r o l 逻辑链路控制 l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e 发光二极管 l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显示屏 l f ol o w f r e q u e n c yo s c i l l a t o r 低频振荡器 m c u m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t 微程序控制器 n h t s an a t i o n a l h i g h w a y t r a f f i c s a f e t y美国国家公路交通安全 a d m i n i s t r a t i o n局 o s i o p e ns y s t e mi m e r c o n n e c f i o n 开放系统互连 p p d u p h y s i c sl a y e rp r o t o c o ld a t au n i t物理层协议数据单元 r s s ir e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n接收讯号强度 s f ds t a r t - o f - f r a m ed e l i m i t e r帧起始分隔符 s p is e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e串行外围设备接口 t p m s t y r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m轮胎压力监测系统 t i 之e a d t r a n s p o r t a t i o n r e c a l l e n h a n c e m e n t联邦运输法案 a c c o u n t a b i l i t yd o c u m e n t a t i o n u s a r tu n i v e r s a l s y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u s 通用同步和异步串行收 r e c e i v e r t r a n s m i t t e r发器 v i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着汽车消费市场的日益升温，汽车的安全性能更加被消费者所关注。在汽 车高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性 交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有7 0 是 由于爆胎引起的，而在美国这一比例更高达8 0 n 1 。怎样防止爆胎已成为安全行驶 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。 2 0 0 7 年，全国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡、3 8 0 4 4 2 人受 伤，根据安全交通管理部门有关的资料统计，轮胎爆胎、疲劳驾驶和超速行驶是 造成高速公路交通事故的三个重要原因，由于轮胎爆胎引起的交通事故有三成左 右。频繁的交通事故，给人类的生命和财产安全带来了巨大的威胁，这不但要求 人们提高自身的安全意识，而且对汽车本身在行驶时的安全性能也提出了更高的 要求。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是主动安全设计，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。基 于此，美国运输部( d o t ) 国家公路交通安全管理委员会出台了法规，该法规规定： 2 0 0 3 年1 1 月至1 j 2 0 0 6 年1 0 月3 1 日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监 测系统( t y r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，t p m s ) 埋。 目前，人们对汽车的行驶安全越来越重视，主动安全设计迅速成为关注的热 点，t p m s 系统能有效的减少轮胎故障和交通事故，以及由此所造成的生命和财产 的损失，市场前景广阔，有一定的技术支持，鉴于此，轮胎压力监测系统的研发 是必要的，并且是可行的。课题研究的轮胎压力监测系统就是在这种技术和市场 背景下产生和完成的。 1 2t p m s 简介及特点 1 2 1t p m s 简介 t p m s ( t y r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 是汽车轮胎压力监视系统简称， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 主要用于在汽车行驶时实时的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，t p m s 系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。 轮胎的磨损，受压力和温度这两个因素影响，为此轮胎压力温度应保持在允 许的范围内。轮胎气压高于标准值时，磨损加剧，花纹底部开裂，汽车的平顺性 变坏，导致汽车操纵性能降低：轮胎气压不足时，容易导致轮胎内壁帘线的松散 断裂。行驶中如遇到障碍物的冲击，则易发生轮胎破裂，缩短轮胎的使用寿命， 影响汽车的行驶安全性。统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值0 0 3 m p a 时， 轮胎的正常使用寿命将会减少约2 5 ；当轮胎压力高于标准值2 5 时，其寿命将 会降低1 5 - - 2 0 对于轿车，其轮胎压力每下降0 0 5 m p a ，其承载力就减少 1 0 0 n t 3 1 ，同时燃料消耗增加1 5 以上。根据德国联邦统计局的车辆事故统计数据， 约8 0 的轮胎漏气是由于轮胎气压不足造成的。 目前国内外研究开发的轮胎气压监测系统有3 种：间接式、直接式和混合式。 ( 1 ) 间接式t p b i s ( w h e e l s p e e db a s e dt p m s ) 系统 在装有a b s 的汽车上，通过对轮胎振动或轮胎半径分析，间接检测出轮胎的充 气压力是否超过报警极限值，从而决定是否需要报警。该系统的优点是简单且费 用低，但其局限性很大：不能显示出各条轮胎准确的瞬时气压值；同一车轴 或同一侧车轮或4 条轮胎气压同时下降时，不能报警；不能同时兼顾车速、监测 精度及发动机的布置和驱动方式；反应时间长且不能判断出故障轮胎轮位。 ( 2 ) 直接式t p m s ( p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ) 系统 直接式系统是在每条轮胎上安装压力传感器，经无线发射器将气压信息从轮 胎内部传至中央接收模块，各轮胎的瞬时压力值可以准确地显示在驾驶室内的监 视器上，易确定故障轮胎轮位。此类系统的优点是显而易见的，市场前景也十分 看好，但技术较为复杂，成本较高。 ( 3 ) 混合式系统 混合式系统即前两种系统的综合。在一个四轮间接式系统的两条相互成对角 的轮胎上各装一个压力传感器，它兼有以上两个系统的优点。该系统可以降低成 本，克服间接系统不能检测出多条轮胎同时出现充气压力异常的缺点，但它仍不 能提供4 条轮胎内实际压力的实时数据。 从上述对比中可以看出直接式t p m s 从性能和功能上都优于其他两种类型，但 技术较为复杂，成本较高，故需简化结构，降低成本，以扩大其应用范围。 1 2 2t p m s 特点 t p m s 主要特点可概括如下【4 】： 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 ( 1 ) 事前主动型安全保障 t p m s 属于“事前主动型安全保障，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，驾 驶员可采取措施，将事故消灭在萌芽状态。 ( 2 ) 延长轮胎使用寿命 t p m s 实时监测每个轮胎的动态瞬时气压，当轮胎气压出现异常时能及时自动 报警，从而减少车胎损毁，延长轮胎使用寿命。 ( 3 ) 减少燃油消耗，利于环保 实验显示，轮胎气压低于标准气压值3 0 ，油耗将上升1 0 。油耗上升不仅 增加车辆运行费用，而且还增加废气排放，对环境的污染加大。安装了t p m s 后， 就能及时发现轮胎气压异常，有效避免上述现象的发生。 ( 4 ) 可避免车辆部件不正常的磨损 汽车长期在轮胎气压过高的状态下行驶，会对发动机底盘及悬挂系统造成很 大的伤害；如果轮胎气压不均衡，还会造成刹车跑偏。通过安装的t p m s ，能及时 发现气压过高和各轮胎气压不均衡现象。 1 3 国内外t p m s 发展现状 轮胎压力监测系统的研发和设计最早出现在美国、欧洲，比起我国要早了将 近1 0 年。国外的轮胎压力监测系统在政府的强制要求或者提倡下迅速发展，并占 领市场，但价格都比较昂贵。国内对轮胎气压实时监测系统的研究和应用刚刚起 步，误报率较高，系统的可靠性不高。 1 3 1 国外发展状况 国际上，早在2 0 世纪7 0 年代末就已开始研究轮胎压力自动检测系统。英国 l u c a s 公司1 9 8 1 年推出的轮胎压力检测系统，在驾驶室设有接收器，每个车轮均 有传感器，随后c p k 和m a r k e t i n g 公司也相继开发了自己的产品。 1 9 9 6 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的m a r k i i 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 在不足嗍。 德国b e a u 公司与美国l e a r 公司联合推出的将电子门锁装置与电子轮胎气压 实时监测系统集成在一起，它既可以通过显示装置警告驾驶员轮胎压力突然或逐 渐的减少，又可警告因满载而引起的轮胎压力不足。系统实现了将车内所有行驶 轮胎气压准确的监测，而轮胎的压力等级与压力参数也可通过控制使用环境装置 熏庆邮电大学硕士论文第一章绪论 进行调整。然而它的不足之处是车轮电子装置对使用环境清洁度有较高要求，所 以在使用保养时必须加以注意。 2 0 0 2 年，约翰逊公司推出的轮胎压力实时监测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【5 l 。系统工作时胎压数据是通过集成在 轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，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。但该技术设计较为复杂，价格较高，功耗大。 t p m s 上游的厂家有英飞凌、飞思卡尔、德州仪器、a t m e l 、m i c r o c h i p 等。此 外，还有一些公司开发了t p m s 产品，如西门子v d o 汽车配件公司自主开发的轮 胎哨兵( t i r eg u a r d ) 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 ( t i r es h i e l d ) 监测装置，法国米其林集团公司与威柏可( w a b c o ) 公司合作开发 的一种专供商用车使用的轮胎气压监测装置；还有加拿大斯马轮胎设备( s m a rt i r e s y s e t m s ) 公司，固特异轮胎橡胶公司，诺基亚轮胎公司，日本横滨公司等也开发了 自己的产品。 迄今，国外已有许多车型装配了t p m s ，林肯大陆、奔驰、宝马、保时捷、 标志、道奇等车均安装了t p m s 。从已经安装此类产品的车型来看，t p m s 技术的 使用广泛分布于中高档车，美国立法规定2 0 0 7 年9 月l 号后汽车厂商必须在其生 产的客车和轻型卡车上安装t p m s ，这是继安全带、安全气囊之后汽车安全的第三 个立法产品。在摩托车上使用的轮胎压力监测系统的研制也正在进行中【6 1 。 1 3 2 国内现状 在此背景下，国内从事t p m s 研究开发生产的企业，在2 0 0 3 年到2 0 0 4 年上 半年曾经历过一个高潮。但是由于行业标准的缺位，产品本身的质量问题，消费 者的认可度、产品价格的市场接收度、产品质量及售后服务水平还有产品相关的 推广和培训都还不够，使得我国t p m s 市场发展步履艰难。国内轿车上只有上海 通用的别克安装了t p m s h l 。 t p m s 在中国远不够成熟，由于芯片的开发投入较大，国内一些厂家生产的 t p m s 基本是靠引进国外公司轮胎压力监测系统开发平台及生产线，选用国外成 熟电路进行最终产品开发，核心技术和零部件都掌握在国外厂家手中，基本没有 自主知识产权可言。中外最大的差别在于“国外很多车在出厂时就将做在标配里 面，而目前国内主要还是在后装场”。同时，消费者轮胎安全意识淡薄，有关方面 对重要性、必要性的认识还有待加强。 近年来，吉林大学、北京理工大学、江苏大学等高校都有学者对t p m s 相关 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 技术进行理论研究。国内有许多汽车配件商开始代理销售国外的t p m s 系统，在 上海和重庆及广东等地有几家公司开始投入生产并销售t p m s 。主要生产商有上 海泰好电子科技有限公司，佛山市朗杰电子科技有限公司，深圳市瑞电通信电子 有限公司，江西凯源科技有限公司，重庆三信电器公司，驶安特汽车电子有限公 司等。有的己经设计出样品，并进行测试与试验，例如：星科电子技术公司的采用 英飞凌技术的轮胎压力监测系统阻1 ，棋港电子技术公司的采用a t m e l 技术的系统叫， 以及采用g e 的t p m s 方案的系统。 1 4 课题研究的意义 总之，国外因立法较早，开发生产的t p m s 较为成熟，而国内t p m s 刚刚起 步，在中国的技术发展还相对滞后。目前，国内虽推出了一些轮胎压力监测的相 关产品，但据对相关市场的调查了解，即使价格相当的低，也没有像国外同类产 品得到用户的认同。因为该类产品的可靠性比较差，数据的实时性和准确性不足， 是技术性能不甚完善的简易系统产品，要么数据的准确性不够，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，在这方面的技术成熟产品在国内基 本还是空白。性能可靠、功能完善、技术成熟的产品均是一些国外公司品牌产品 的代理，如来自美国的汽车轮胎压力监测装置“c o w e a l t h ，但价格高昂，市场使 用率低。如果让国内的轮胎压力监测系统与国际产品的市场竞争，则需要进行系 统级的研究和开发，以进一步提高系统的可靠性，减少误报率和漏报率，提高产 品的性价比和市场竞争力。因此，研制性能可靠、技术完善且价格能为多数消费 者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要；同时随着t p m s 逐渐成为汽车的标 准配置，开发拥有自主知识产权的t p m s 意义重大。 科研意义：通过本课题的研究工作，对t p m s 系统的稳定性、可靠性与低功 耗问题进行详细探讨，力图设计并实现一种具有较高可靠性与低功耗的轮胎压力 监测系统。 市场意义：中国拥有5 千多万部汽车，市场巨大，研究和开发轮胎压力实时监 测系统使国内的技术与国际接轨，打破国外技术的垄断，提高我国汽车电子的技 术水平是必要的。 社会意义：t p m s 对减少轮胎磨损和提高轮胎的使用寿命具有重要实用价值， 能够有效预防由轮胎爆胎引起的突发事故，降低人民生命和财产的损失。 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 5 论文结构及主要工作 1 5 1论文结构 本课题研发的系统为直接式轮胎压力监测系统，在论文的以下部分中，以轮 胎压力监测系统( t p m s ) 代替直接式轮胎压力监测系统 s bt p m s ) 。基于所研究 的内容，本文结构如下： 第一章讲述了t p m s 特点、发展现状及发展趋势，并对本人所做的工作进行 了说明； 第二章介绍了总体方案的组成原理、性能指标、功能要求及主要芯片的选型： 第三章论述了硬件的设计方案，比较详细的介绍了传感器芯片、m c u 、射频 收发芯片等的性能及工作原理，给出了系统电路原理图，并对射频电路设计的抗 干扰性进行了初步探讨； 第四章首先介绍了t p m s 软件的总体构架，介绍了系统的通信协议和编码方 式，分别描述了轮胎部分和车载部分的主程序及相关子程序的设计思路和方法， 并给出了详细的流程图； 第五章介绍了系统的测试方法，给出了相关结果并粗略计算了系统的使用寿 命； 第六章对全文进行了总结和展望。 1 5 2 本人所做工作 ( 1 ) 、确定t p m s 总体研发方案：由多个轮胎模块和一个车载模块组成； ( 2 ) 、确定轮胎报警系统的主要芯片：分析系统组成，了解目前市场上各种芯片的 性能，根据实验室条件综合考虑性能、价格等因素，选择满足实际开发需要 的芯片，主要包括传感器芯片、射频( i 心) 收发芯片、微控制器( m c u ) 等： ( 3 ) 、射频电路设计：在选定芯片的基础上，设计电路原理图及p c b 板； ( 4 ) 、系统软件设计方法：确定了软件的总体构架以及基于i e e e s 0 2 1 5 4 的短距离 无线通讯方式。设计各个模块的调度算法，参与编写相关的射频收、发程序， 使传感器与控制台实现无线数据的收发。 ( 5 ) 、系统的测试工作。 6 重庆邮电人学硕十论文第二章t p m s 总体方案没计 第二章t p m s 总体方案设计 2 1 系统组成原理 该系统包含两种设备：轮胎报警器和车载监控器。对本系统而言，轮胎报警 器为能够采集到轮胎内部压力、温度等信息的传感器芯片；微处理器( m c u ) 用于 信息处理与控制：车载监控器则由射频接收芯片、天线及显示设备等组成。轮胎 报警器实时检测轮胎内的温度和压力值，并等问隔地发送到车载监控器显示。 系统结构如图2 1 所示，从网络结构角度来讲，轮胎报警器作为终端设备， 是一个网络节点。车载监控器是网络核心节点，负责节点数据的集中访问和管理， 是一个网络协调器。由一个网络协调器和多个终端节点设备共同组成一个树型拓 扑结构的轮胎网络报警系统。 吵。( y 7 夕 夕臣叫、r 夕f 匦 亟多巫多 ； 、p 多 图2 1系统结构图 2 2 系统设计要求 2 2 1 设计要求 轮胎报警系统的作用主要是防止在汽车高速行驶中轮胎气压过高或过低。发 射系统处于轮胎的封闭状念中i io 】，系统体积要小；另外由于在轮胎中更换器件等 均不方便且必须长时间工作，故而要求功耗低。基于汽车轮胎报警系统的特点， 使其能检测轮胎温度和气压情况，并对监测数据进行分析和报警处理，该系统应 具有的功能如下： i 、数据传输功能：通过装置在轮胎内部的微控制器对用传感器测量的温度、压力 数据进行初步分析处理，并控制无线发射模块进行数据的传送。 重庆邮电人学硕+ 论文 第二章t p m s 总体方案设计 2 、报警功能：在正常工作状态下，数据处理模块定时检测各个轮胎的气压和温度， 将该信息传送给接收单元，由接收单元传送信息至用户交互模块，通过显示报警 单元，如气压不正常、温度不正常，则进行声音及图标报警。 3 、显示功能：主机接收无线信号，进行信号的转换和处理，通过用户交互模块对 实际的压力温度值进行实时显示，起到与用户交互相关数据的作用。 4 、同步功能：t p m s 的各个轮胎模块都是单独工作，在运行一段时间后会出现多 个轮胎模块同时发送数据的情况。在轮胎报警系统中，避免由多个轮胎模块同时 发射数据而造成帧碰撞对系统的可靠性是非常重要的。 5 、自动识别功能：由于汽车在工作后，轮胎需要经常进行更换，如果固定在一个 方位的轮被换到其他的位置，接收端仍然会将该信息显示在换位前的位置处，这 样会导致用户的误判。因此要避免这一现象，做到对更换轮胎后的各个模块进行 自动识别。 2 2 2t p m s 系统性能指标 根据收集到的相关资料，并参考同类产品的规格，针对本系统设计方案，提出 了以下的性能指标： 发射器： ( 1 ) 产品使用周期：3 5 年( 平均每天行驶6 小时) ( 2 ) i 作温度：- - 4 0 - + 1 2 5 ( 3 ) 压力测量范围：2 5 0 k p a 4 5 0 k p a ( 4 ) 压力测量精度：1 p s i ( 5 ) 温度测量精度：l ( 6 ) i 作电压：3 3 v ( 7 ) 电源：电池供电 ( 8 ) 通信范围：l m - - 5 0 m 接收器： ( 1 ) 电源：车载电源供电 ( 2 ) i 作温度：- - 2 0 + 8 0 ( 3 ) 接收灵敏度：- - 9 5 d b m ( 4 ) l c d 实时显示 ( 5 ) 声光报警 8 重庆邮电大学硕士论文第二章t p m s 总体方案设计 2 3 t p m s 设计方案 2 3 1 现有的设计方案 t p m s 解决方案多样化，目前主要有i n f e n i o n 的s p 3 0 方案、f r e e s c a l e 的 m p x y 8 0 x 0 方案及g e 的n p x 方案。 1 i n f e n i o n 的t p m s 方案 i n f e n i o n 的胎压监视系统结构示意图如图2 2 所示【1 1 1 。 图2 2i n f e n i o n 的胎压监视方案 ( 1 ) i n f e n i o n 轮胎模块的工作过程 该系统的轮胎模块由压力传感器、单片机、射频发射芯片、电池、l f 低频接 收电路和天线组成。采用了英飞凌开发的s p 3 0 传感器和射频发送芯片 t d k 5 1 0 0 ( 发射频率为4 3 3 m h z ) 。它完成对压力、温度、电池电压及加速度的数据 采集，并将数据以无线方式发射出去。系统集成的低频模块可以实现系统的双向 通信，使用户能对轮胎模块的工作状态进行控制。同时它可以接收1 2 5 k h z 的低频 唤醒信号，根据此信号控制发射模块在不同的模式下工作。 ( 2 ) 接收模块的工作过程 由单片机、射频接收芯片和天线组成。本方案的射频接收芯片采用的是 t d a 5 2 1 0 ，它能接收f s k 调制的4 3 3 m h z 的高频信号，并将解调数据发送至m c u ， 由m c u 进行数据处理，显示和报警；当用户需要发送控制信号到轮胎模块时，可 以通过低频通信实现该操作。 2 f r e e s c a l e 的t p m s 方案 f r e e s c a l e 的m p x y s 0 2 0 a 系统设计方案如图2 3 所示 发送模块 图2 3f r e e s c a l e 胎压监视系统设计方案 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章t p m s 总体方案设计 ( 1 ) 轮胎模块的工作过程 轮胎压力监视模块安装在汽车的轮胎内部，由3 v 的锂电池供电，并通过发射 高频信号与外界通信。其基本工作过程是：首先传感器m p x y 8 0 2 0 a 以周期为3 秒 的时间周期性的唤醒微控制器m c 6 8 h c 9 0 8 r f 2 ，由9 0 8 r f 2 控制设定m c 3 3 4 9 1 - r _ 作频 率及模式，从而控制数据的发送。单片机连接传感器，定期对轮胎的压力和温度 采样，并对采样后的数据进行编码，经曼彻斯特编码后，可以3 1 5 m h z 或4 3 4 m h z 用 0 0 k f s k 方式发送。 ( 2 ) 接收模块工作过程 接收模块安装在汽车操控室内，通过指示灯闪烁或者液晶显示来告知驾驶员车 辆各轮胎当前的压力或温度状况是否异常。其基本工作过程为：m c 3 3 5 9 4 能够接收 并解调o o k 或f s k 调制的m a n c h e s t e r 编码数据，接收到的数据解调后通过串行同步 接e 1 ( s p i ) 总线发送至o m c u ，微控制器负责处理接收到的数据并显示轮胎的状态信 息，如果某个参数异常时及时报警，以提醒用户采取相应的措施。 3 、g e 的n p x 方案 g e 的n p x 方案系统设计方案如图2 4 所示： 嗍 图2 4g e 的轮胎测试方案 ( 1 ) g e 轮胎模块的工作过程 轮胎监测模块采用的是硅压阻式n p x 系列压力传感器，测量精度高，外型尺 寸小，主要对气压、温度及电源电压数据进行测量、处理和传输。微控制器采用 a t a 5 7 5 7 ，系统的无线通信载波频率选用4 3 3 9 2 1 f d - l z ，发射速率取9 6 0 0b p s ，采 用f s k 调制方式。发射前先对数据帧进行曼彻斯特编码，通过调制后发送数据。 ( 2 ) 接收模块的工作过程 主机上电后，p 8 9 l p c 9 3 0 初始化，配置完m c 3 3 5 9 4 后，模块进入等待s p i 数据 工作状态。在接收到一个数据帧并经c r c 校验( 采用查表法实现，减d x m c u 占用时间) 和轮胎i d 判断无误后，送数码显示并点亮相应的指示灯以表示各模块工作正常。 当轮胎监测模块供电电压、气压及温度接近或低于报警阈值时，主机启动l e d 闪烁 警告或蜂鸣器报警【1 2 1 。 4 、现有方案存在的问题 以上三种方案均能对轮胎温度压力进行测试和报警，多用于小型轿车上面， 对于大型客车来说数据测量的准确性较低。但t p m s 的应用不能局限于只有四轮的 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章t p m s 总体方案设计 小型轿车，要能够应用于客车以及8 个，甚至1 6 个轮胎的大型车上。而上述三种方 案都是汽车的各个轮胎直接与中央监控器进行数据传输，轮胎距离相对于中央监 控器越远，传输的可靠性和实时性也越差，因此，对于轮胎越多的车，远端轮胎 所发送的数据就不定能准确的到达中央监控器，造成测量数据错误。因此，如 何提高数据传输的可靠性，减少功耗，是本文设计需要着重考虑的问题。 2 3 2 用于t p m s 的主要传感器比较 从上节t p m s 芯片设计主要方案可以看出，传感器是t p m s 的心脏。目前的 各种t p m s 技术方案都是围绕传感器来展开的，因此要确定本文的设计方案，首 先要确定传感器。 目前，t p m s 传感器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片上系统( s o c ) 模块，为了增加轮胎压力检测功能， 不少t p m s 传感器模块内还增加了加速度传感器，电压检测、内部时钟、看门狗 和带a d c ，r o m ，r a i v l ，e e p r o m 及其它功能的数字信号处理单元【1 3 】。这些功能芯 片使得1 p m s 传感器不仅能实时监测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化， 而且还能实现汽车开动即时开机、节省电能等功能。 压力传感器都是基于m e m s 技术来设计、生产的。主要有硅集成电容式压力 传感器，如m o t o r o l a 的m p x y s 0 0 0 、m p x y 8 0 2 0 a ；和硅压阻式压力传感器，如 i n f m c o n 的s p l 2 、s p 3 0 和g e 的n p x i ，n p x 2 。硅压阻式压力传感器是采用高精 密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的。表2 1 是对三种 传感器性能参数的比较： 表2 1几种传感器性能参数比较 参数s p l 2i i p x y 8 0 2 0 an p x c 0 1 7 4 6 输入范围 1 0 0k p a 。4 5 0 k p a2 5 0k p a 4 5 0 k p a 1 0 0k p a 4 5 0 k p a 压 精度1 3 7 k p a l s bn c1 3 7 k p a l s b 力 压力测量时间 6 m s0 5 m s 输入范围一4 0 。c + 1 2 5 0 c- 4 0 0 c “+ 1 2 5o c- 4 0o c + 1 2 5o c 温 度 精度io c l s b 0 8 0 c l s b1o c l s b 温度测量时间 1 5 m s 0 2 m s 电输入范围 1 8 v 3 6 v2 7 v 3 6 v 2 i v 3 6 v 池 精度 0 0 1 8 4 v l s bn a1 0 8 0 m v l s b 电电池电压测量总1 7 m s ( a a x ) n a 重庆邮电人学硕十论文第二章t p m s 总体方案设计 压时间 0 4 za ( 典型值)0 6 a ( 典型值) 待机电流 0 6 a ( 最人值)0 9 1a ( 最人值) i ：所有模块都i ：作2 7 m a ( 典型值)1 3 m a ( 典型值) 作 时电源电流 3 5 m a ( 晟人值)1 7 m a ( 最人值) 电 仅数字模块、主时 流 钟i ：作时电源电0 6 m a ( 典型值)4 0 0 za ( 典型值) 流 ( ji ：作在 1 0 m a ( 最人值)6 0 0 za ( 展人值) + 2 5 ”c ，3 v ) 封装 1 4 p i ns o p8 p i ns o p1 4 p i ns o p3 m m 5 m m 传感器元件 乐阻式电容性乐阻式 a d c 8 1 l b i t 8 b i t1 2 b i t 由上表可以看出，s p l 2 待机电流较小；m p x y 8 0 2 0 a 工作电流较小，压力测量 时间极短；n p x 选用压阻式传感器，三种传感器各有其优缺点，选择时应以具体的 条件和要求来确定。 。 2 3 3 芯片选择方案 l 、传感器的选择 用于t p m s 的压力传感器必须能够测量压力和温度。除此之外，节能也是要 需要考虑到的一个因素。 由前面的比较可知，摩托罗拉m p x y 8 0 2 0 是一款采用3 3 v 低电压电源供电、 专门用于轮胎压力检测的传感器，内部含有一可变容的压力传感模块、温度传感 模块和接口电路。m p x y 8 0 2 0 温度测量范围为- - 4 0 1 2 5 ，压力测量范围为 2 5 0 - - - 4 5 0 k p a ，因此适用于轮胎内部的压力温度测量。m p x y 8 0 2 0 采用s s o p 8 贴 片封装，平面面积不到o 7 平方厘米，符合传感器模块体积的最小要求。同时 m p x y 8 0 2 0 还具有低功耗的睡眠模式，这样可以用软件控制使其进行间歇式工作， 达到传感器模块低功耗设计要求。m p x y 8 0 2 0 成为阀杆、轮胎安装式t p m s 远程 传感器模块的最佳打包解决方案。因此在本方案中传感器选用摩托罗拉 m p x y 8 0 2 0 。 2 、发射m c u 芯片的选择 轮胎模块内的发射芯片，要考虑的是发射功率和能耗问题。作为无线发射源， 发射功率越大，在同等外界环境下，接收端收到的信号