（控制理论与控制工程专业论文）新型轮胎压力监测系统副机电路设计.pdf

abs tract 仰ms i s abb r e v i atio n oft ire p r e s s urc mo 苗 t o ri n g s y st e m. iti s use d inthe fa c e t ofr e a l . t 汕e a u t o 一 d e t e c t l onoft 证 a ir . pres sure and a ir 魂 e m pe n 功 uj 吧认 七 e n 面v in g . it can gi v e the al a r l nino rd ertoavo idthe 仃 司 五 c acc l d e n t w h e n th e air l e aki 1 9 丘 o mth e t ir e ，l ow- a ir . p r e s sure orhi gh 一 a i r . p re s sure an d soon . n is a syst e mofs afegu ar d for d ri v er s 叨d p ass eng ers. ，1 1 1 1 s p r oj ect ad o pts a n ew sc b eme w b i chdi 妇 免 r e n t fromth e fo re i gn sc b e me. w e m业e a s m a l l c hi m g e o n the s tl u c n 兀 e o f wh e e l and m ove the r e m ote t i r epre s s u r e m o n i t o r i n stothe axe so f w h e e l . in add i ti 叽 we addan in e niag ene r at o r in th e t p ms .l b ehost com p 甘 比 rc o n 刀 n u 比 u cat es w i th thesub sy雍m b ythew ir e l es s 而“ 小 n et w o rk一 brid ge. 丁 七 e wire le ssn u c r o . o e two t k 七 6 d ge isconne cted 幼thth e host 阅功 p u t er b ytbe d c p l 七 u s desi gned 妙 。 世s e lv es . t b i ssc h 曰 叮 ecanre solv ethe p 旧 b l em o f pow e r su p p l ye 月 交 c t i v el yan d吟 asc the s l a b l l ity an dre li abil ity o f sys t e m . it bec om cse asi ertom 函 的 t a init asa re 刘t o f c h ang e o f ir ta l l atio n lo cat i 姐 inthe p r oj e ct， i m ai 川 y 栩 火 e c h ar g e the c ircul t d esi gn o f the s u b syst 曰 叮 . the p a p 改 加 脸 。 duces the sc h 。 叮 e o f fo r e l gn 开msfirst 】 yanda d a 】 y se s thes h o rt con 刀 n g ， 也 。 s h o ws th esc址 meof a 川 由 or . in th ep art o f d 州 匕 i l d es i gn， itinc l u d es 七 刃 op arts : h ar d 、 v a z e 由si gn addsoft w 肚 e de劝 gn. hithe en氏the p a per d epi cts the deb u g gi ng of softwarean dbard wa x eandme t h 0 d s0 f t e stan diel ate dres u 1 ts. k e y w o r d s : t l r e ， p res s u res ens or， r a d i o-frequency n 声明 本学 位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在 本学位论文中，除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的 材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的 贡献均 己 在论文中 作了明 确的说明。 朴狐一域 业 分 州宁、 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学 位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅 或上网 公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 。人 峭 乡 、 州年 阳角 南京理工大学硕士论文 新型轮胎压力监测系统副机电路设计 1绪论 l l课题背景 高速公路网 络的 快速 发展， 使车辆 行驶速度得到了 提高， 同时也潜 伏了 一些交 通 隐患， 如因车 胎爆胎等原因 造成的 交通事故。 据统计， 在中国 高速公路 上发生的交 通 事故有7 俄是由 于 爆胎引起的， 而 在美国 这一比 例则 更高。 美国 汽车工 程师协会的调 查统计表明 ，美国每 年有26 万起交通 事故是由 于轮胎 故障引 起的， 而7 5 % 的 轮胎故障 是由 于不合理的轮胎 气压和 温度造成的。 爆胎造成了巨 大的 经济损失。 怎 样防 止爆胎 已 成为安全驾驶的一 个重要 课题。 汽车轮胎 压力监测系 统 ( 英文缩写为 t 阳5 ， t i re pressurem onit oring s y s t e 口 ) 应运而生， t p m s 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、 低气压、 高 气压、 或温 度过高等 异常情况进行 报鳌， 以保障 行车 安全。 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 t p m s 系统，以求减少轮胎事故的发生。因此，在2 0 00年美国国会通过了t r e a d 法案。 t rea d ( t r ans p o r t a t i o nr e c a l l e n h a n c eme n ta c c o u n t abi l i t y d o c ume n t a t i o n )法 案的要求之一是到2 0 07年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监测系统。 2 0 0 0 年1 1 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 2 0 0 3 年后所 有的 新车都需 把这 种系 统作为 标准配置。回 应 tre a d 法案，美国公 路交通 安全局 ( 附 hts a ) 要求到2 0 07年， 所有 在美国 销售的 汽车都必 须安装轮胎压 力监视系 统， 并提出 了汽车生 产商的 执行时间 表: 美国 市场出 售的 汽车， 2 0 04年占 1 既， 2 0 05 年占3 5 % ，2 0 0 6 年占6 5 % ，2 0 0 7 年将达1 0 0 % 。 l z轮胎安全性能分 析 导致轮胎故障的主要因素有:气压、温度、负荷、速度、路况、环境温度、连续 行驶时间 等。 有关实 验证明 1 ， 8 既的爆胎都会 有前 兆， 轮胎的温度和 压力就会出 现 异常现 象。 因 此， 及时地了 解和准确掌 握轮胎的 温度、 压力状况， 并 据此采取相应的 防范措施， 是预防爆胎， 提高 汽车安全行驶水平的 有效途 径。 l z. l温度对 轮胎安全性能的 影响 汽车轮胎在周期性载荷的作用下， 其橡胶和骨架材料的滞后损失以及橡胶与骨架 材料之间的 摩擦会导致生 热， 并使轮胎温度升高洲。 轮胎温 度的 升高除会使 橡胶强度 降 低外， 还会使帘线强 度降 低。 当轮胎 温度从 0 升高到10 0 时， 对于普通轮 胎来说， 帘线的强度 将降 低2 0%， 橡胶的强 度则 将降 低5 佩侧。 当 轮胎温度高 于其临界温 度( 由 轮胎温度与强度关 系示意图1 . 2 . 1 可知，1 00以内 为正 常温度区，1 00 1 21 之间 为临 界温度区， 1 21以 上为 危险温度区) 时， 橡胶强度 和帘线能力 将降 低更多， 此时 轮 胎极易因强度不 足而发生“ 爆胎” 。 所以 轮胎的 温升对 其安全性能 和使用寿命的 影 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 响 极大。 汽车 在高 速行驶时， 驾驶员即 使没有 任何操作失 误， 汽车也可能 会突然“ 爆 胎” ， 其原因 就在于轮 胎过热。 因此， 对于轮胎的 温度参数加以 监控， 当轮胎的 温度 升高到一定数 值时 对驾驶 员提出 报 警， 提示驾驶员 采取相应处 理措施， 可以 有 效地降 低发生事故的 可能 性并提高 轮胎的寿 命. 乃50乃 进哥坎吩侧烈幸翻 1 的 温度 尸 c 2 加2 5 0 图1 2 . 1拉伸强度与温度关系示意图 1 .2 j压力 对轮胎安全性能的 影响 每一种充气轮胎，都有一个标准的充气压力范围。例如:高压胎充气压力为 4 9 0 k p a 一6 8 6 k p a ，低压胎充气压力为1 4 7 k pa4 4 i k p a ，超低压胎充气压力为9 8 k p a 一 1 4 7 kpa 。 将轮胎按照要求进行充气， 不但可以使轮胎达到良 好的安全性能指标， 还可 以延长轮胎的寿命。 否则， 汽车在轮胎压力异常的情况下长时间运行， 将会对轮胎的 安全性能产生较大的影响，严重时将会导致爆胎。 l 2. 2. 1轮胎压力过低对轮胎安全性能的影响 轮胎压力过低是轮胎早期遭到破坏的主要原因。由于种种原因，有的车辆轮胎长 期在低气压的情况下使用， 使轮胎的使用性能和寿命受到影响。 实践表明， 轮胎气压 不足，将会造成如下危害: 1) 长期气压 不足， 会使轮胎 变形增大， 轮胎内 部及外胎与内 胎之间的摩 擦增加， 使胎 温升高， 导致 轮胎材料的 机械性能下降， 容易 造成 胎体 爆破; 2 )轮 胎气压不足， 会使胎侧 弯曲 度增 大， 使胎肩 部分加速磨损。 如果是后 轮并 装双胎，胎 侧之间会出 现互相摩擦， 因而 产生侧环形磨 损; 3) 轮 胎中易 嵌入石 块、 玻璃 和铁钉等 锐利物，容易 被划伤刺穿， 引起内 胎 泄露 等机械损伤: 4 ) 气 压过低， 外胎在车 辆上移动， 会使胎圈 磨损， 并导致气门 嘴处 撕裂或脱 落; 5 ) 轮胎在 气压不足的 情况下行 驶， 轮胎与 地面的接 触面会增大， 势必增加轮胎 与 路面行驶中的 滚动阻力， 致使发动 机的 一部 分功率用来消 耗在克服因 轮胎充气不 足 而 产生的阻力上，因 此给 汽车的 使用、 动力和 经济性能带 来一定 的影响。实 验表明， 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 轮胎气压低于 标准气 压巧 % 时， 油 耗将要增加5 % ; 如 果气压 低于3 0%， 油耗则要增 加1 2 % . l 2. 2. 2轮胎 压力过高 对轮胎安 全性能的 影响 同样， 轮胎压 力过高 也会对 轮胎的 安全性能造 成影响。 轮 胎的 负荷能 力和气压 都 是在设计时就已 给定， 由 于内 压的增加， 轮胎 各部位的 变形和 所受的内 应力 也相应的 增加。 内压增 加使轮胎 刚性加 大， 在载荷下的 变形变小， 使轮胎与地面 接触的 面积 减 小。因此，轮胎压力过高时，会造成如下危害: 1 )胎体帘线所受原始应力增大，胎体强度相对下降; 2 )胎冠突出，磨损不均匀，严重时容易造成磨胎冠现象; 3 ) 胎体变硬， 弹性 变差， 汽车 行驶时， 轮胎冠 部受冲 击应力大， 容易产生 冠部 帘线损伤，严重时引起轮胎爆破: 4 ) 汽车在同 样的 使用 条件下，轮 胎缓 冲性能变差， 冲击 振动变大， 操纵性能 变 差，特别是在质量较差的路面行驶时，轮胎容易产生机械损伤，影响行驶安全. 1 3轮胎经济性能分 析 轮胎的使用寿命， 在很大程度上和轮胎的使用条件、车辆的技术性能、驾驶员的 水平以及企 业对轮胎的 管理 工作质量等因素 有直 接的关系。 统计数据表明， 当 轮胎压 力低于其额定值0 . 03幼 p a 时， 轮胎的正常使用寿命将会减少25% ; 当轮胎压力高于标准 值25 % 时， 其寿命 将会降15 % 25% ; 对于 轿车， 其轮胎内 压力每下降0 . 05 m pa， 其承载 力就减少1 以 )n。根据德国联邦统计局的车辆事故统计数据，约8 既的轮胎漏气是由于 轮胎气压不足 造成的即。 轮胎在设计制造的过程中，根据不同的价格、最大的负荷量、最高的行驶速度以 及其它的 主要途径 等己 经设定了与 之相应的 最佳充 气压力， 我 们称之为 轮胎的标准 气 压。 标准的气压是轮胎的生命， 因此在使用过程中充气压力的过低或过高都会缩短它 的 寿命， 甚 至引 发安 全事故隐 患。 气压过低或过高 都会影响 行驶里程。 气压过低， 轮 胎 变形为 外长内 缩， 导 致生 热增加， 加 速橡 胶老化、 疲劳， 出 现脱层现象等: 气压 过 高，轮胎接 地面积小， 磨损 量增大。内 压低于 标准气压 对轮胎行驶里程的影响 见表 1 .3 .1 圈 。 从 表中 可 以 看出 ， 随 着 气压 减小 ， 轮 胎的 行 驶 里 程 逐 渐 缩 短 ， 使 用 寿 命降 低 喇。 如果在 使用过程中， 能 够正确地按照轮胎的 标准气压使 用， 轮胎在行驶过程中 会 均匀的损耗， 保持了 轮胎的 最佳负荷承载状 态和良 好的 弹性， 则可以 大大地延长 轮胎 的使用寿命。 通过轮胎压力监测系统， 可以实时的知道各个轮胎当前的气压状况， 驾 驶员可以 采取 措施确 保轮胎气 压保持 在标准气压 状态， 从而可以 延长轮 胎的 使用 寿 命。 l 4国内 外发展状况 国 外因 立法较早， 其开发生 产的 t 川5 较为成熟， 主 要生产商有加拿大斯马 轮胎设 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 备 (s martire s yst elns) 公司，固 特异轮胎橡 胶公司， 米其林集团公 司，诺基亚 轮 胎公司，日本横滨公司等。 表1 . 3.1轮胎压力对轮胎行驶里程的影响 ( %) 轮胎压力 行驶里程轮胎压力行驶里程 . .， . . . . . . . . 1 0 01 0 07 05 0 卜u勺dn门1 djnld，u口 65605550 内才0八八unu 980011 二d八u片dnu ojq即r一吕 7 56 0 注:标 准气压及标准气压下的行 驶里 程为1 00% 现在国内 有许多汽车 配件商开 始代理销售国 外的 t pm s 系统。 生 产及正在 研究t 川5 的企业和厂家大概有2 00多家，主要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，福州东球金口哨轮胎防爆有限公司， 上 海保隆实业 有限 公司， 宁 波亿莱斯电 器有限 公司， 昆 山 双桥传感器 测控技术有限公 司等。 高 校及科 研院 所方面， 吉 林大学、 北京理工大 学、 江苏大学、 中国 科学院上 海 微系 统与信息技 术研究所等都有学者 对t p m s 相关技 术进行 理论研究。 但是国内一些厂家生产的t 阴5 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，核心技术都掌握在国外厂家手中，基本没有自主知识产权可言。因此， 随着t pms 逐渐成为汽车的标准配置，开发拥有自主知识产权的tpms意义重大。 l s应用前景 美国每年的汽车销量约为巧00万辆 ( 轿车/ 卡车).全球每年约5 0 00万辆，平均 每辆车需要4 . 2 个轮胎 ( 不包括备用胎)。中国正在成为全球最大的新兴汽车市场， 中国 汽车需 求量和保 有量出 现了 加速增长的 趋势， 汽车保 有量已 突破2 6 00万辆， 汽车 年销售将突 破6 00万 辆， 未来5 年将 成为仅次于美国的 全球第 二大汽车销 售国。 汽车 安 全产品将成为中 国生 机勃勃的 新兴市场热点， 今后每年 增长速度可 达5 既。 据有关 部 门 对中国 t 四5 市场预 测， 2 0 06年 底市 场容量将达50 万套， 近17亿 元人民币 。 根据2 0 03 2 010 年汽车需 求预测: 汽车年增长16 % 2 0%， 轿车 年增长19. 器一2 钱。 综合以 上 分析， 预计， 中国 汽车保有量在 今后几年将以 1 6%以 上的 速度增 长. 。 美国、 欧 洲已 先后立 法， 要求在今后 几年内 实现 汽车 全部安 装t pms ， 因 此， 对 t p ms 的需 求量与日 俱增。 而美国的 人工每小时 工资差不多是中 国工人的日 工资， 面对量大 的 产品 需要降 低生产成本， tp璐的 生产正 在转向中 国， 今后 几年内 中国 必将成为 t p m s 的生 产大国 . 为与世界 先进国 家同 步， 我国 关于汽 车安装 t 四5 这样的生 命安 全保障预 南京理工大学硕士论文 新型轮胎压力监侧系统副机电路设计 瞥系统的法规 迟早也 会出 现。 目 前， 我 们国内己 有 数百家设计 公司、 生 产厂家开始开 发、设计、生 产t p m s 。 因此， t pms 的应用前 景将非常 广阔。 1 .6课题的提出 国内 t 刚 5 的 发展处 于刚 起步阶段， 没有自 主知 识产 权， 国内 厂家生产的 t 四5 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。 而经过这么多年的发展， 国 外t p ms也有其不 足之处， 一 般只能适应车辆定 性监测 使用， 因此， 现在仍然没有 作为 一个成熟的 产品 被大范围 推广 使用。 为了 弥补国内 对于 t 刚5 自 主知 识产权研发的 空 白， 本课题组在充 分 研究国 外 t p ms的 基础上，总结 出 现有国 外t 川5 存在的 主要问 题， 进而 提出一 种新型 解决 方案， 系统结 构框图 如图 2. 4 石 所示， 具体方案 描述见第二 章。 本论 文所做的主要 工作 是在熟悉 整个系统的 工作原 理的条 件下， 研究轮 胎压力监 测系 统副机电路的设计。 南京理工大学硕士论文 新型轮胎压力监测系统副机电路设计 2 甘 ms 系统总体设计 2. 1系统概述 2. l i t p m s 系统的 分 类 目 前， t 即5 主要分 为两种类型， 一 种是认 飞 c e l 一 s p e e d b as ed仰m s( 简称: w s b tpm s ， 或 称为 间接 式仰m s) ， 这种系统 是通过汽车 a bs系统 的轮 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。 该类型系统的优点是较直接式便宜， 对 于己 经装备了 4 轮ab s 的 汽车， 只需对软 件升级即 可.主 要缺点是: 首先无法对 两个 以上 轮胎同 时 缺气的 状况和速度超 过100 公 里/ 小时的情况进行 判断; 其次是准确率 低，目 前还不能 确定 故障轮 胎， 并且系 统的校 准极其复杂; 此外， 它无 法用于未 装备 abs 的 汽 车 ，. 另 一种是 p re ss 咔 s ensorb as ed砰m s ( 简称: p s b 仰m s ， 或称为 直接式 冲m s) ， 这种系统利用安装在每一个轮胎里的以理电 池为电源的压力传感器来直接测量轮胎 的气压， 并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。 监视器随时显示各 轮胎气 压、 温度， 驾驶 者可以 直观 地了 解各个轮胎的气压状况， 当 轮胎气 压太低、 渗 漏、 太高、或温度太高时，系统就会自 动报苦，驾驶员由此可以采取相应措施，以免 爆胎事故的发生。 2 001 年 7 月， 为响 应美国国 会对车 辆安装冲m s 立 法的 要求， 美国 运输部 ( u s d e p a r t m ent oft 比 ns 卯rt at i on) 和国 家 高速公路 安全管理局 ( n atio na l 托g h w aytra ffi c s a fe tya d m 而s tr at i o n)联合对现 有的 两 种仰m s 系统进 行了 评价， 报告 第一次将tpm s 作为 专用词 汇， 并 且规定: 在引入 t p m s 的 过渡阶段 ( 2 0 03年11月 到 2 0 06年10月31日) 现有的两种 tpm s 间 接式冲m s 和直 接式甘m s 可以 作为“ 标准备用系统” 。 报告 认为直接式tpms 从功能和性能上均优于间接式冲ms ，目前用的最多的是直接式 tpms ，间接式的将逐渐被淘汰。许多欧洲的汽车厂商已将直接式开ms 配装于自己 的车型之中，其中包括:德国宝马的2 9 、法国雪铁龙的c s 、英国阿斯顿 马汀的超级 跑车 v ad q u l sb 、林肯 大陆、克莱斯 勒与 道奇 ( d odg e) 迷你箱型车以 及c hrysl er 3 00m 与c o n corde l 加i t e d 客车、 旁蒂克的 旗舰b o n n e v ili e s e 等等， 梅赛德 斯一 奔驰5 级 轿车 最 新的改进也将仰ms 作为选装件。 本论文研究的 是直接式 开m s ， 如无 特别说明 ， 文章后面提到的 tpm s 均指直 接式 t pms。 2. l 2轮 胎压力监测系 统的结构组 成 目 前， 直接式 tpm s 系统 主要有两 个部分组成:安 装在汽车轮胎里的 远程轮 胎压 力 监 测 模 块 r t p m( r eln。 征t ir e p re s ， m o 苗 t o rin g ) 和安 装 在 汽 车 驾 驶台 上 的 中 央 6 南京理工大学硕士论文 新型轮胎压力监测系统副机电路设计 监 视器 ( lcd 显 示器) 。 远 程轮胎压力监 测模块负责 将测量得到的 信号 调制后通 过高 频无线电 波 ( rf) 发 射出 去. 中央监视器接收 r t p m 模块发射的信号， 将各个轮 胎的 压力和 温度数据 显示在屏幕上， 供驾驶者参考。 如果轮 胎的 压力或温度出 现异常， 中 央监视 器根据异常 情况， 发出不同的 报警信号， 提醒驾 驶者采取相应的 措施. 一 般一 个t 阴5 系统有4 个或5 个 ( 包括备用胎)r t p m模块. 中央 监视器 ( 即 主机模块)主要由 六个部分 组成: ( 1) 背光 l c d 显示 器: ( 2) 主机稳压电路;( 3) 核心c pu ;( 4 ) 按 键及蜂鸣器报 警装置: (5) c a n 接口;( 6) 天线。主 机系 统结构 如图 2. 1 . 1 所示。 图 2 . 1 . 1主 机模块结构 框图 远程轮胎压力监测模块 ( 即副机模块)由五个部分组成: ( 1) 具有压力、温度、 电 压检测和后信号 处理 a si c 芯片组 合的 智能传感 器s o c ;( 2)今 8 位单片 机( m c u ) ; ( 3 )r f 射频发射芯片; (4)铿电池; ( 5) 天线。副机系统结构如图2 . 1 .2 所示。 图 2. 1 .2副机模块结构 框图 2. 2国 外甘m s 系统的 解决方案 目 前市场上 提供tpm s 配套的 方案很多， 芯片厂商 包括飞 思卡尔 ( free sc al e)、 英 飞 凌(s ens ono f) 、 ge (n。 v asenso i ) 、 a ti n e l 、 m ax 汕、 东芝、 飞 利浦、 o n 叮 o n 、 me瓦5 、 rf m 画11 面c 等公司。飞 思卡尔和英飞凌目 前具有从 胎压传感器、 rf发射 及接收 器、 到mc u 的完整产品线， 其它半导体公司主要提供从胎压传感器、rf 、到mc u的若干 配套 方案。 市场上 冲m s 方 案能见度 较高的主要由 三家芯片供货商主导: f rees cal 南京理工大学硕士论文新型 轮 胎 压 力监 测 系 统 副 机 电 路 设 计 通过置于轮毅 轴心的 测量模块获 取轮胎的 压力 和温度数据， 并通 过射频发 射模块将此 信息 发送给无 线网桥再 传输到到 驾驶室内， 在液晶 显示器上显示各轮 胎的当 前 状况， 使驾 驶员可以 直 观地掌 握各轮胎的 信息。 当 某个轮胎的压力过高 或过低、 温度过高 或 变化过快时， 向驾驶员发出声光报警; 此外， 系统还应对电源电量不足和轮胎漏气等 状况进 行监测，以 保证系统的 可靠运 行和行车安 全。 综上所述，系统应实现如下功能: 1) 对副 机模块的电 源进 行管理。电 源是 系统正常工作的先决 条件， 当 惯性发电 机出 现故障 和电 池电 压过低时 发出 报警， 以 便驾 驶者采 取有效 措施， 保证轮胎 压力监 测系 统的正常 运行。 2) 可以 由 用户选 择车型以 及相应的压力、 温度阐 值。 通过按 键， 用户可以 选取 不同的车型，设定不同的气压报普上下限值。 3) 实时监测各个轮胎的压力、温度状况.当某个轮胎的压力超过标准范围、温 度过高 或变化过 快时， 点亮指示 灯并驱动蜂鸣 器报替， 在液晶显 示器上显示该 轮胎当 前的异常状况，提醒驾驶员及时检查并进行处理。 4) 对轮胎漏气异常进行处理.漏气异常可分为 “ 快漏气”与 “ 慢漏气”，针对 两种情况发出不同的报普，提醒驾驶者采取相应的措施。 5 ) 对各个发射模块进行监测。 若规定时间( 如1 分钟) 内未收到相应轮胎发来的数 据则发出报警，以便于驾驶者判断故障原因. 6) 系统还可记录一段时间的报警数据 ( 气压、温度和电压)和报警时间，以实 现类似飞机黑匣子的功能。 2. 4. 3系 统技术要 求 由于 本课题 采用的 方案可以 较好地 解决目 前国 外轮胎压力监测系 统的 一些不 足 之处， 特别 是对电 源以 及功耗的 要求不再像以 前那样苛刻， 因此， 设 计变得相对 简单 起来。 由于 发射模块 工作在剧烈 振动、 温差变 化大和不便随 时检修的环境 下， 所以 挑 选的 组件必 须具备高 标准的 可靠 度和稳定性，能工 作在一 40到 +125 温 度范 围内 。 结合前文 所述，系 统应达到如 下要求: 1) 体积小， 重量轻， 特别是测量与 发射模块的体积和重量要 尽可能的小， 便于 保持轮胎的平衡。 2 ) 功耗低， 时效长， 尤其是测量与发 射模块的功耗要尽可能的 低。 3 ) 射频收发时 抗干扰 和抗噪 声的效果要 好， 发射的有效距离要适当。 4 )压力测量的精度要达到一定要求，以便能准确报警。 5 ) 系统 要有较宽的 温度范围， 适合不同地区不同 季节的 使用。 6 )安装简单，更换方便。 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 7 ) 作为产品设计时 要考虑 成本。 其主要技术指标如下: 1) 工作温度:一401 25 2) 工作电压:2. 7 v d c 4. o v d c 3) 压力检测:0 0. 7 mp a 4 )温度检测:一4 0 1 2 5 ，c 5 )压力检测精度:1 %f. s 6) 温度检测精度:士 2 7) 收发频率:4 33m h 刁 8 6 8 入 4 1 七 8 )无线调制方式:gf s k 9 ) 传输数率:) 4 .skbi 碍 1 1) 无线发射功率:(1 0db m 10)工作启动条件:3 圈/s 2. 5木章小结 本章首先从整体上介绍了目前国外 仰ms系统的分类及结构组成， 然后介绍了目 前国外 仰 ms系统的解决方案及发展趋势， 并分析了该解决方案存在的不足之处， 最 后在借鉴国外tpm s 的 基础 上针对 分析出 来的不 足之处提出了自 己 的解决方 案， 并 针 对此方案设计了主要完 成的功 能及技术 要求。 由 于 本人 在此课题中 主要负责副机 模块 电路设计，因此后面两章将分别描述副机模块硬件设计和软件设计。 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监侧系统副机电路设计 3轮胎压力监 测系统副机电 路设计 3.1概述 本课题轮胎压 力监测系 统副 机电 路主 要由以 下 三部分组成: 无线通信 微处理器 模 块、轮胎压力 / 温度检测模块、集惯 性发电 单元的电 源管 理模块。 系 统结 构框图 如图 3. 1 . 1 所示， 其中无 线通信模块为副 机模块的控制 和数据处理 单元， 负责 接收主机发 送过来的各 种命令 数据， 读取传感器采集到 的数据并 经过滤波处 理后发 送出 去; 轮胎 压力温度检测模块即 传感器模块， 负责检 测轮胎内 部压力 和温度信号， 将采集到的 信号以 数字量形式传送给数据处理单元;电 源管理 模块负 责给整个副机模块提 供电 源， 系统处于休眠状态时唤醒系统。 电源管理模块内部含有惯性发电装置和一块可充 电电池， 当汽车高速行驶时由发电机给系统供电并可对电池进行充电， 当车速较低发 电机电压不稳时，自动切换到电池供电方式。 4 邓1 8 6 6 1 ，1 5 mi 扭 r 决 d 沁 t 卜 . 哟， 口 4 kb 梦 t e r 八 m黑 2 5 6b 户e r 人 m c r( 7 -c卜 幼 n i i n 吸 七 n勺牌 u a 获t o t 助件0 4t im 汀 1 ti 幻记 r z c 护 u名 0 5 icom四d b 如 mi 。 心 。 n 仃日里份 召 l s 汽 ， 伪 ， 嘴. . 日 匕1 研 切 . “p! 飞芸 粼韶群 忿 篇 岔 黔 皿 曰阳幻加 图3. 1 . 1 轮胎压力 监测系统副机电 路结构框图 副机系统各 模块工 作流 程如下: 汽 车停止时， 副机模块处 于休眠 状态， 汽 车移动 时， 由 惯性发电 装置产生脉冲 信号 唤醒系统， 系统唤醒后首 先进行初 始化， 然后 启动 传感 器模块检测 轮胎压力、 温度信号， m c u将采集的信号 进行滤波 处理后和电 池电 压信号 存储在内 存 里， 电 池电 压信号通过内 部 集成a d转换器获 得。 然后副 机等待主 机命令将数据发送给主机系统。 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 3 .2 无线通信模块的设计 3 .2 j无线通信芯片 的选型 无线收发芯片的 种类 和数量比 较多， 在射频 模块设计中的 选择是至关重要的， 正 确选择可以 减小开 发难度， 缩短开发周期，降 低成 本， 更快地 将产品 推向 市场. 选择 无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素: 1)收发芯片的 数据 传输是否需 要进行曼 彻斯特编码。 采用曼彻 斯特编码的 芯片， 在编程 上会需 要较高的 技巧 和经验， 需要更多 的内 存和 程序容量， 并且曼彻斯 特编码 大大降低数据 传输的效 率，一 般仅能达到标称速率的 一半。 而 采用串口 传输的芯片， 应用及编程非 常简单， 传送的 效率很高， 编程也方便。 2) 收发芯 片所需的 外围元 件数量。 芯片外围元件的 数量直 接决定产品 成本， 因此 应该选择外围 元件少的 收发芯片。 有些芯片似乎比 较便宜， 可是外围元 件使用很多昂 贵的元件如变容管以及声表滤波器等。 3) 功耗。 大多数无 线收发 芯片是应用在便携式产品上 的， 因此功耗也非常 重要， 应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 4) 发射功率. 在同 等条 件下， 为了 保证有效和可 靠的 通信，应该选用发 射功率 较高的产品。 但是也 应该注意， 有些产品号称的发射 功率虽然 较高， 但是由 于其 外围 元件多，调试复杂，往往实际的发射功率远远达不到标称值. 5)收发芯片的 封装和 管脚数。 较少的管 脚以 及较小的 封装， 有利于减少p cb 面 积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。 通过查询，目 前 无线收发芯 片有许多种， 为了 缩短开发周 期， 我 们希望 选择我们 熟 悉的以8 0 51 内 核的无 线收发芯片，因为我 们熟悉k e i l 的c sl，同时熟悉8 0 51的 结 构。 与8 0 51兼 容的无 线收发芯片目 前共有4种， 但主 流的是c 拍 详叨公 司的cc1 o 10， n o r d l c 公司的。 r f 2 4 e l j 过 任9 e 5 。 通过查阅 资料， 发 现这三 种无线收发芯片 各有自己 的 特点， chipeon公司的cc 1 0 10 有32舒l as h 程序 存储器， 三通道刃d转换器，可以 工作在3 00 m i 比 l oo0 m h 2 ，最 小的功率消 耗仅0. 2 ua; n o r d i c 的。 r f 24ei 工作在2. 4 g hz， . r f g e s 工作在43 3 m h 之 和868 m hz 930 n 任 12 . 。虽 然n o r d l c 的无线单片 机存储器较小， 只4 k ， 但由 于采用 较好的电 源管 理方式 和快速的s h o c k b i j r s t 技术， 且价格较ccl010低一些， 考虑 到 该系统的工作 频率， 本课题的 无线收发芯片 选用n o r d l c 的n r f g e s 。 3. 2. 2 射频收发芯片n r 万 9 e 5 奴 r f g e s 是n o rd icv l s i 公司 于2 0 04 年2 月5 日 推出 的系统 级rf 芯片，其内 置 血 r f 9 0 5 4 3 3 j 8 6 8 /9 1 5 m h z 收 发器、 5 0 5 1 兼容微控制 器和4 输 入 1 0 位s o k b p s a 。 转 换 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 器，是 真正 的系统 级芯片， 采用32脚 q fn 封 装， 芯片尺寸为s mm x s nun ， 工作电 压1 . g v 3 .6 v 。 血 r f g es 由 频率 合成器、 功 率合成器、 晶 体振荡器和调 制器组成， 外 围元件少， 不用外 加声表面 振荡器， 天线可 采用p c b环 形天线或单端鞭 状天线，发 射功率最大为 10曲m。接收灵敏度为 4 60d b m，在开阔地传输距离一般可达 6 00m 以 上。 在地形复杂时 会缩短 距离， 这与使用 环境、 干扰、 系 统调谐有关。 但一 般调谐不 可大于200mo . j j g e s 采 用s pi ( 串 行外设 接口 ) 与微控制器通讯， 它自 动处理 字头 和 c r c( 循环冗余码校验)校验，使用极为方便，只需将要发送的数据和接收机地 址送给。 r f ges ，。 r f g e s 自 动完成数据打 包( 加字头和crc 校验码) 发 送， 在接收中 有载波检测和 地址匹 配检测引脚。 接收到正 确的数据包时，自 动移去字头、地址和 c r c校验码，然后通知微处理器读取数据。曼彻斯特编码懈 码由片内硬件完成，无 需用户 对数据进 行曼 彻斯 特编码， 因 此使用 非常方便。 1 1 r 于 9 e 5 的 详细结构 如图3 一 2 . 1 所示。141】 . 成尸 沉 肠 心 ， 梦 民曰 州 5仙 h 比 口.口泊 了 目 口 比 州 阳价 八月 ， . 叭. 翻 呀 贯黑弋 昔 了 魂 自 . ，曰 的 让 因 阳 口 u 声 r t o 了 认 ，记 0 1 川 阴 幼 1 it 卜 .2 七日 眼巧1 口 分 旧目自 臼 曰 的 0国门奋困 比孟 淦 工 1。 目 日p 侧 臼 。 众 . .姆 p . r 份 门， r 娜 臼 口. . j曰 ，. 卜. 日c 0 嘴. 目口 吐 伪 口 。 甲 断 日 . 日 . 铆目 目叩 r 层 豆 理 之 劝 游 曰报0灿 图3. 2. i n r f 9e5 系统结构 框图 ( 1 ) 微控制器 d r f g e s 的 片内 微控 制器与标准8 0 51兼容，指 令时序与 标准 8 0 51稍有区 别。 典 型的 区别是二 刀 r f g e s 的 片内 微控制 器的 指令周期为4 到2 0 个指令周期。 中断 控制器 支持5 个扩展中断 源: a d c中断、 s pi中 断、 r a d i o i 中 断、 r a d i 0 2 中 断和唤 醒定 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监侧系统副机电路设计 时器中断。 片内 控 制器还 有3 个与8 0 52相同的定时 器。 1 个和8 0 51相同的串口 ， 可 以 用定时 器 1 和定时 器2 来作为 异步通信的波特率产生 器。 此外， 还扩展了2 个数 据 指针，以 方便于 从x r a m区读取数 据。 微处理器中 有2 56 b的 数据r a m和sl z b的 r o m。 上电复位或软件复位后， 处理器 自 动执行 r o m 引导区中的代码。 用户程序通 常 是在引 导区的引 导下， 从e e p r o m加载到1 个4 k b的r a m中， 这个4 k b的r a m 也可作存储数据用。 n r f g e s 的程序代码必须要从片外存储器装载，默认使用的存储 器为带有 s pi 接口的e e p r o m，25 3 20 一族” 。n 卫 f g e s的大部分寄存器和标准 8 0 51 相同， 只是增 加了 一些 特殊功能寄存器， 如a d c c o n 、 s pi c t r l 、 p od ir、 p o a l t 、 a d c s i a t i c 、 p wmc o n 、 p w侧 du l ，y、 r c a pzl 、 r c a p zh 、 c k 工 f c o n等。 n r f g e s 中的 p o 、p l 和 p z口寄存器地址和标准 5 0 51 中的相同，都是 0 x80、0 x90、触a o， 但功能和标准 8 0 51 中的有所不同。 ( 2 ) c k l f 时 钟、rtc唤 醒定时 器和w t d 刀 r f g e s内有一个低频的时钟 c k 工 f ，该时钟常开。当晶振开始工作后， c k l f 频 率为4 k f z ; 晶振 不工作时， c k l f 是一个低功耗r c 晶振 器，只要v d d )1 . s v ， 其 连续工作. rt c唤醒定时器、 wt d( 看门狗) 和 gp ro 唤醒全都工作在 c k l f 频率， 以 保证芯片低功耗工 作时能够 完成这三个功能。 r t c 唤醒定时 器是一个24位可编 程 控制的递减计数器，wt d则是一个 16 位可编程控制递减计数器。r l ，c唤醒定时器 和 wl ，d的循环周期一般在 3 00 p s 一80ins ， 默认为 l ms o r t c唤醒定时器也能作gp i o 的输出 源，也 就是说，当rtc唤 醒定时 器初始化时间 发生溢出 时，能 够产生一 个用 作g pi o输出 的 程序脉冲。 ( 3 )可编程 gp io 唤醒功能 p o口的任何一个引脚都可以用作 红 r f g e s 的唤醒信号， 唤醒信号的产生可以设置 在各引 脚的上升 沿或者下降 沿或者两个边缘都 有。 另 外， 各引脚可以 通过编 程实现 “ 滤 波”功能，用来抑制噪声产生的误判。如图3 .2. 2 所示。 ck lf 图3 2 .2 带有涟器功能的通用1 0口唤醒功能 d e b o u n c e相当于一个低通滤波器， 在稳定的时钟频率作用下， 输入转变输出。 触发 方式可以 是上 升沿触发、 下降沿 触发或 上升沿下降沿 均触发. 边沿触发的延 迟时 间是2 个时 钟周期。 带有滤器功能的 通用1 0口 唤醒功能寄 存器配置见表3 一2. 1 。 20 南京理工大学硕士论文新型轮胎压力监测系统副机电路设计 表3 . 2 . 1带有滤器功能的通用1 0口唤醒功能寄存器配置 消抖滤波器选择边缘检测器选择 wc on ll : 0计数脉冲w c on 3 : 21上升沿吓降沿 触发 00000禁止 01201上升沿触发 10810下降沿 触发 116411上升沿压降 沿均触发 本系 统就是采用此唤醒功能，在汽 车开动时将系统副 机模块唤醒。汽车开 动时， 安装在 轮毅轴心上的惯性发电 装置会 产生 脉冲， 将此脉冲 信号引 到p o 口 则可以 实现 汽车移动即开机功能。 (4)s pi接口和习d转换器 s pi ( 串行外设接口) 的接口引脚有呱 5 0( 接收ee p r o m 的 s d o送来的数据) 、 s c k ( 给e epr o m的s c k 提供时 钟信号) 、 mo s i ( 送数据到e e p r o m的s d i ) 、 e e c sn ( 给e e p r o m的c s n送使能信号) 。 s p i 口的m i s o 、s c k和m o s i 与p i 口的 低3 位可重用，通过寄存器 s pi c t r l来控制功能间的转换。s pi硬件不产生任何片选信 号， 可以 用g pi o口 来进行片选。 通常， 系统上电时