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电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 摘要 随着我国人们生活水平的提高，汽车拥有量迅猛增长，随之而来的行车安 全问题也更显突出。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。怎样防止汽车爆胎已成 为安全驾驶的一个重要课题，也引起了相关部门的高度重视。 汽车轮胎压力监测系统( t p m s ) 主要用于在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，并采用无线发射接收的方式传输信息，从而 对轮胎漏气和低气压等进行报警，以保障行车安全，是驾车者和乘车人员的生 命安全保障预警系统。t p m s 是继安全气囊、a b s 刹车系统之后，在国际汽车 领域出现的新一代汽车安全配备用品。t p m s 已经成为汽车电子行业的一个新 兴研究内容 本文全面描述了一种t p m s 的研发过程。文中介绍了t p m s 特点、发展现 状及发展趋势。论述了t p m s 基本原理及组成。结合系统的性能指标与功能要 求确定了t p m s 总体方案，并阐述了t p m s 方案中主要芯片的选型。文中将系 统分为硬件和软件两大部分，分别描述了它们的设计思路、方法及实现。硬件 设计部分介绍了主要芯片的性能，给出了系统电路原理图和制作实物图，并初 步探讨了射频电路设计中的几个问题；软件设计部分介绍了系统软件协议的设 定，描述了t p m s 发射器与接收器软件设计思路和方法，并给出了部分实际使 用的软件流程图和程序源代码。本文最后描述了该t p m s 的软硬件调试、测试 方法及相关结果。 关键词：汽车电子、t p m s 、传感器、无线收发芯片、射频电路 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r di no u rc o n t r y , t h ea m o u n to f a u t o m o b i l e si n c r e a s e sr a p i d l y , a n dt h es u b s e q u e n tt h ea u t o - s a f ep r o b l e m sa r e b e c o m i n gm o r ep r o m i n e n t d u r i n gt h eh i g hs p e e dd r i v i n g ，t h et i r e s t r o u b l e s ，w h i c h c a nb eh a r d l yp r e v e n t e d ，a r et h ed r i v e r s c h i e fw o r r y , a n dt h e s et r o u b l e sa r ea l s ot h e m a i nf a c t o r so ft h es u d d e nt r a f f i ca c c i d e n t s s oh o wt op r e v e n tt i r ee x p l o r a t i o n sh a s b e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u eo fs a f ed r i v i n g ，a n di th a sd r a w ng r e a ta t t e n t i o no ft h e r e l a t e dd e p a r t m e n t si nt h er e c e n ty e a r s t i 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 ) ，w h i c hi st h el i f es a f e g u a r ds y s t e mo f d r i v e r sa n dp a s s e n g e r s ，c a nm o n i t o rt h et i r e p r e s s u ea n dt e m p e r a t u r ea n do t h e r p 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 g i n f o r m a t i o n 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 eo rl e a k i n gt oe n s u et h ed r i v i n gs a f e t y a f t e rs a f ea i rp o c k e ta n da b s ，t p m si san e wg e n e r a t i o np r o d u co fa u t os a f ei n i n t e m a t i o n a la u t of i e l d t p m si sa l s oan e wr e s e a r c hf o c u si na u t o e l e c t r o n i c s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s e so fat y p eo ft p m sa r ep r e s e n t e d w h o l e l yi nt h i st h e s i s t h et p m s sc h a r a c t e r s 、d e v e l o p m e n ts t a t u sa n d i t st r e n d sa r e i n t r o d u c e df i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e so ft h i ss y s t e ma r ed i s c u s s e d t h e n c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c ei n d i c e sa n df u n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h i st p m s ， t h eo v e r a l ls c h e m ei sp u tf o r w a r d ，a n dh o wt os e l e c tt h em a i nc h i p so ft h i ss y s t e mi s a l s om e n t i o n e dh e r e t h i sw h o l es y s t e mi sd e c o m p o s e di n t ot w op a r t s ：h a r d w a r e s e c t i o na n ds o f t w a r es e c t i o n ，t h ed e s i g n i n gi d e a s 、m e t h o d sa n di m p l e m e n t so ft h i s s y s t e ma r ed e p i c t e dr e s p e c t i v e l y i nt h eh a r d w a r es e c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e m a i nc h i p su s e di nt h i ss y s t e ma r ei n d u c e di nt h ef i r s tp l a c e ，a n dt h e nt h es c h e m a t i c c i r c u i td i a g r a m sa n dt h es a m p l ep c bp i c t u r e sa r es h o w e d ，a tl a s ts e v e r a lp r o b l e m s a p p e a r e dd u r i n gt h ed e s i g no fr fc i r c u i t sa r es i m p l yd i s c u s s e d ；i nt h es o f t w a r e s e c t i o n ，t h ec o m m u n i c a t o np r o t o c o l sa r ei n c l u d e d ，a n dt h e nt h et h o u g h t s a n d m e n t h o d so ft h es o f t w a r ed e s i g no ft p m s t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra r ed e s c r i b e d ，i n t h i ss e c t i o ns o m ea c t u a ls o f t w a r ef l o w tc h a r t sa n ds o u r c ec o d e sa r eg i v e n f i n a l l y , t h ed e b u g g i n g 、t e s t i n gm e t h o d so ft p m sa n dr e l a t e dt e s t i n gr e s u l t sa r ed e p i c t e d k e yw o r d s ：a u t oe l e c t r o n i c s 、t p m s 、s e n s o r 、w i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i p 、 r fc i r c u i t _ ， 独创性声明 y9 2 8 7 7 6 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南毒土学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：诋遭耳 签字日期：知侔6 月f 熘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南矗史学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：言寺童平 签字日期：田6 年6 月l 仁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 虽效建 签字日期：抽砖年月伊日 电话： 邮编 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 1 1 引言 第1 章t p m s 概述 2 0 0 4 年我国共发生道路交通事故5 1 7 8 8 9 起，根据安全交通管理部门有关的 资料统计，有三成是由于轮胎爆胎引起的，也就是爆胎引起的交通事故约1 5 0 0 0 0 起【l 】。在美国，据美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有2 6 万起交 通事故是由于汽车轮胎故障引起的，而7 5 的事故是由于轮胎气压不足或者泄露 造成的【2 j 。轮胎的安全性愈来愈引起人们的关注。 轮胎是汽车的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车驱动性、平顺性、 稳定性、安全性和舒适性等【l j 。 轮胎气压过低，会使轮胎变形，下沉量增大，增加轮胎与地面的摩擦，从而 使轮胎温度急剧升高，导致轮胎变软，强度下降；同时过热状态还会加速子午胎 钢丝与橡胶的老化、变形、甚至内部断裂，这些都可能造成爆胎意外。轮胎缺气 行驶时，还会造成胎肩磨损剧增及出现不规则的磨损。另外，轮胎缺气行驶过程 中，会使行驶阻力增加，加大燃料消耗和废气排放量【3 】。 轮胎气压过高时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力 增大，磨损加剧，花纹底部容易开裂。此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作 用，增加了轮胎与路面间的动载荷，汽车的平顺性变坏，降低汽车的舒适性。行 驶中遇到障碍物的冲击，易产生轮胎内裂或爆破，导致轮胎使用寿命缩短。气压 过高还会导致胎面张力过大，造成胎面脱层及胎面沟底龟裂，轮胎抓地力减小， 刹车性能降低，影响汽车的行驶安全【1 】【3 1 。 室内试验表明：一般认为提高气压2 5 ，轮胎寿命将会降低1 5 2 0 ；降 低气压2 5 ，寿命大约降低3 0 。汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形 越大( 一般温度不能超过8 0 ，当温度达到9 5 时，轮胎的情况将非常危险) ， 温度每升高1 ，轮胎磨损就增加2 ；行驶速度每增加一倍，轮胎行驶里程降 低5 0 【4 l 。 在汽车高速行驶的过程中，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。国家公安部2 0 0 0 年的统计表明，国内高 速公路上发生的重大交通事故大约有7 0 是由于爆胎引起，国外则高达8 0 【5 】。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 怎么样防止爆胎已经成为安全驾驶的一个重要课题。 综上所述，汽车的行驶安全性和轮胎的压力、温度密切相关。因此在汽车行 驶过程中对汽车轮胎压力、温度等进行实时监测势在必行。轮胎压力监测系统一 t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) ，则应运而生。 1 2t p m s 主要特点 t p m s 主要用于在汽车行驶时对轮胎气压、温度等进行自动监测，对轮胎漏 气、低气压等异常状况进行报警，以保障行车安全。t p m s 主要特点可概括如下 【6 】： ( 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 3t p m s 发展现状及发展趋势 1 3 1 发展现状 鉴于爆胎造成的巨大损失，美国国会在2 0 0 0 年1 1 月通过有关加强运输设 备收回、责任确定和文件记录法案( t r e a da c t ：t r a n s p o r t a t i o nr e c a l l 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 e n h a n c e m e ma c c o u n t a b i l i t ya n dd o c u m e n t a t i o na c t ) 。根据该法案，美国国家公路 交通安全委员会( n h t s a ) 随后制定了相应法规和新的机动车辆安全标准，要求到 2 0 0 7 年，所有在美国生产销售的汽车必须安装轮胎压力监测系统。n h t s a 的法 规执行时间表如下： 到2 0 0 5 9 ，5 0 在美国生产和销售的汽车； 到2 0 0 6 9 ，9 0 在美国生产和销售的汽车； 到2 0 0 7 9 ，1 0 0 在美国生产和销售的汽车【2 】o 受该法案驱动，各大公司及许多研究机构都已经开始研究相应的t p m s 方 案，如m o t o r o l a 、g e 等都已经研制出适用于t p m s 的m e m s 传感器及相应的 t p m s 技术方案。 在我国，多数汽车厂家目前己开始进行这方面的研究，一批国内生产的汽车 开始将t p m s 作为标准配置，而有关政府部门也在加紧制定相关的法律法规。目 前国内的t p m s 开发、生产厂商已经多达近2 0 0 家，其中有自主设计和生产能力 的占3 0 左右，但真正大批量生产的厂家很岁7 1 。 目前，t p m s 主要分为两种类型：一种是间接式t p m s ，它通过汽车里安装 的防抱死制动系统( a b s ) 中的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，根据轮胎 压力变化与车速发生变化的相关性，来达到监测轮胎压力的目的。当轮胎压力降 低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这会使得车速发生变化，这种轮胎压力随 车速变化的量值可经过计算得到，并可以将监测到的轮胎压力通过触发警报系统 向驾驶者发出警报。对于在4 个轮胎上都装有车速传感器的系统来说，a b s 软 件的升级就可以用于监测车速的变化。这种间接式t p m s 相对便宜，只需对a b s 软件进行升级就可以实现。但这种间接式t p m s 的缺点是无法对两个以上轮胎同 时缺气的状况和速度超过1 0 0 公里d , 时的情况进行判断、不能确定故障轮胎， 而且系统校准极其复杂。 另一种是直接式t p m s ，它利用在每一个轮胎里安装传感器来直接测量轮胎 的气压、温度等数据，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶室的接收器上。 接收器随时显示每个轮胎气压、温度等数据。驾驶者可以直观地了解各个轮胎的 气压、温度等状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高或温度太高时，系统就会自动 报警。 还有一种复合式t p m s ，它兼有上述两种系统的优点。复合式t p m s 是在装 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 有一个间接式t p m s 基础上，同时在两个互相成对角的轮胎内安装直接式传感 器。与全部使用直接式t p m s 相比，这种复合式t p m s 可以降低成本，克服间 接式系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。但是，它仍然不能提供 各轮胎的实际压力、温度等数据，只有直接式t p m s 才具备这种功能【5 1 。 直接式t p m s 从功能和性能上均优于其它类型的t p m s 。 许多欧洲的汽车厂商己将直接式t p m s 装配于各种车型之中，其中包括：德 国宝马的z 8 、法国雪铁龙的c 5 、英国阿斯顿马汀的超级跑车v a n q u i s h 、林肯大 陆、克莱斯勒与道奇迷你箱型车以及c h r y s l e r3 0 0 m 与c o n c o r d el i m i t e d 客车、 旁蒂克的旗舰b o n n e v i l l es e 等等，梅赛德斯奔驰s 级轿车最新的改进也将 t p m s 作为选装件【4 j 。 1 3 2 发展趋势 ( 1 ) 向高集成度方向发展【8 】 t p m s 发射器将向高度集成化、单一化、无线无源化方向发展。 米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司已开发出在轮胎制造时的成形工序 中，将压力、温度监测和信号发射装置埋入轮胎胎壁内，它在轮胎的整个寿命期 间( 一般为1 7 年) 发挥作用。 以r f i d 技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司和西门子 v d o 汽车配件公司合作，研发出一种纽扣电池般大小的带r f i d 卡的传感器。 该传感器除了能够感知轮胎内的气压、温度的变化并发射反映这种变化的信号 外，还具有标识轮胎的功能。 在我国，上海交通大学也开始基于声表面波( s a w ) 技术的t p m s 开发研究， 这种能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据的s a w 传感器，可实现智能轮胎 信息的无源测量和无线发送。 ( 2 ) 市场预测 中国正在成为全球最大的新兴汽车市场之一，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 0 0 万辆，年销售汽车将突破6 0 0 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，今后每年的增长速度预计可达5 0 。其中，t p m s 技 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 术产品预计到2 0 0 6 年底将达到5 0 万套，近1 7 亿元人民币嗍。 美国t p m s 市场预测如图1 1 ，国际t p m s 市场预测如图1 2 【7 1 。 1 4 课题背景及意义 图1 1 美国t p m s 市场预测 图1 2 国际t p m s 市场预测 t p m s 己经成为国际趋势，它有着广泛的市场前景。本课题源于某公司。该 公司是国家发改委立项的全国唯一一家t p m s 研究开发生产厂商，并得到了国家 发改委的专项基金支持。目前正在研发新一代电子式t p m s 。 本论文主要描述了一种电子式汽车轮胎压力监测系统( t p m s ) 的研发工作。本 研究意欲为促进t p m s 在我国的应用与发展、保障人民的生命安全、实现一定的 社会和经济效益作出自己的一份贡献。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 1 5 主要工作及论文结构 本研究的主要工作有以下几方面： ( 1 ) 确定t p m s 总体研发方案； ( 2 ) 主要芯片的选型：分析系统组成，了解目前市场上各种芯片的性能：根 据实际市场供需状况综合考虑性能、价格等因素，选择满足实际开发需要的各种 芯片，主要包括：传感器芯片、射频( i 讧) 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 ( 印f 1 i j 线路 板) ，并初步探讨了射频电路设计中遇到的几个问题； ( 4 ) 系统软件设计：编写射频收、发及相关程序； ( 5 ) 调试与测试：系统软、硬件的调试与测试。 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t p m s 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t p m s 硬件的设计方案，比较详细的 介绍了传感器s p l 2 、射频发射芯片t h 7 2 0 1 1 、射频接收芯片t h 7 1 1 0 2 等芯片的 性能及工作原理，给出了系统电路原理图及p c b 实物图，并对射频电路设计的 几个问题进行了初步探讨；第四章论述了t p m s 软件的设计，介绍了系统的通信 协议，讲述了s p i 串口通信、数据接收、l c d 驱动、1 2 c 总线通信等模块的软件 编程方法，并给出了部分子程序流程图和部分子程序源代码；第五章给出了 t p m s 实物图，介绍了系统的调试、测试方法，并给出了相关结果；第六章对全 文进行了总结和展望。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 第2 章t p m s 总体方案 目前，t p m s 主要分为两种类型：一种是间接式t p m s ，它通过汽车里安装 的防抱死制动系统( a b s ) 中的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监 测轮胎压力的目的。其缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过 1 0 0 公里d , 时的情况进行判断。另一种是直接式t p m s ，它利用在每一个轮胎里 安装传感器来直接测量轮胎气压、温度等数据，并通过无线电频率调制发射到安 装在驾驶室的接收器上。接收器随时显示各轮胎的气压、温度，驾驶者可以直观 的了解个轮胎的气压、状况。当轮胎气压太低、漏气、太高或温度太高时，系统 就会自动报警。 直接式有源t p m s 是目前市场的主流方案。本文描述的正是基于直接式有源 t p m s 的设计与开发。 2 1 系统组成原理 2 1 1 系统原理 t p m s 属于一种短距离无线通信系统。图2 1 所示为典型通信系统的简化方 框图，该系统使信息可以在生成信息的信号源和请求该信息的目的地之间进行传 输。在t p m s 中，传输媒质为无线电。图2 1 表示的是单个信号源发射信号到单 个接收机的最简单的情况，这样的系统通常称作单工系统。当使用两条这样的链 路时，可以从接收机的位置向信号源发送另一个信息，即可双向传送信息，则该 系统称为双工系统。如果两台发射机不同时发射，则该系统称为半双工系统【9 j 。 图2 1 中，发送端信源的作用是把各种可能的消息转换成原始电信号。为了 使这个原始信号适合在信道中传输，需要对其进行相关的信号处理，然后由发射 机通过天线发射出去。在接收端，接收机与信息处理的功能与发送端的相反，它 能从接收信号中恢复出相应的原始信号，最后把恢复的原始信息传送给信宿。在 传输的过程中，无线电波可能会被衰减、反射、折射、散射，在传播的过程中随 着介质的变化还会引起衍射，这些都会导致系统性能的下降。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 发送端 接收端 图2 1 通信链路简化方框图 t p m s 采用的是具有多个发射器到一个接收器的多点对点的单工无线通信 方式；并且每个发射器都使用相同的发射频率，因此需采用码分复用技术，对每 个发射器都应设定唯一的i d 。 2 1 2 系统组成 对本系统而言，信源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；发射机与接收机则由射频( i 讧) 发射、接收 芯片及天线组成；信宿为最终的显示设备。t p m s 的实现主要包括以下两个方面： ( 1 ) 硬件上，需要选择合适的信源( 即传感器芯片) 、微处理器；还需要选择 合适的数据传输方式，包括调制解调方式、发射接收频率等，通常都是使用无线 收、发芯片来完成物理层数据传输功能；最后需要选择合适的信宿即显示设备。 ( 2 ) 软件上，需要有相关的通信协议来支持无线收发双方的通信。通过通信 协议来约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及 控制字符定义等问题并做出统一规定，通信双方必须共同遵守。它属于o s i 七层 参考模型中的数据链路层【1 0 】。软件中还应包括能实现系统功能的收发程序。 下面将t p m s 分为发射器与接收器两大部分来讨论。 ( 1 ) 发射器 发射器组成框图如图2 2 所示。 由图所示，发射器包括五个基本组成部分：1 ) 具有压力、温度、加速度、 电压检测和信号处理单元( 如a d 转换) 组合的传感器；2 ) m c u ；3 ) r f 发射芯片； 4 ) 电池；5 ) 发射天线。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 发射器工作原理：传感器采集轮胎内部压力、温度等信息，并通过传感器内 部集成的a d 转换等信号处理单元的处理，输出数字信号到m c u ，经过m c u 控制与处理，即按照既定的通信协议对数据进行整合、打包等，由r f 发射芯片 通过天线发射出去。 厂、 传 i 微控制器 i 感t l 毛池l l 1r 器 r f 发射芯片 。1 7 n 图2 2 发射器组成框图 ( 2 ) 接收器 接收器组成框图如图2 3 所示。 厂、 1 d c 电源 r f 接收芯片- , q 微控制器( m c u ) 显示设备及报警设备 图2 3 接收器组成框图 从图中可以看到，、接收器基本组成部分包括：1 ) 接收天线；2 ) r f 接收芯片； 3 ) m c u ；4 ) l c d 等显示设备；5 ) 报警设备；6 ) d c 电源。 接收器还可根据需要加上按键等部件，完善系统功能。 接收器工作原理：接收器接收来自发射器发射的数据信息，m c u 首先进行 数据处理，即进行解包等处理，恢复出原始信息。然后判断轮胎压力、温度等有 无异常状况，并根据需要进行数据显示和声光报警，从而提醒驾驶者采取必要的 措施。 2 2 性能指标与功能要求 t p m s 作为一种汽车安全产品，人们对它的要求很高。首先传感器的测量精 度和准确度要高，因为如果误差过大，就很可能产生误报警或漏报警；其次t p m s 发射器工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，这就要 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 求发射器各元器件有良好的工作特性，因此发射器外壳须选用高强度塑胶件，所 有器件、材料都要满足4 0 。c + 1 2 5 。c 的使用温度范围。 2 2 1 性能指标 本研究针对的主要是轿车市场，一辆轿车需要4 个t p m s 发射器( 备用轮胎 还需1 个) 和一个接收器。根据收集到的相关资料，并参考同类产品的规格，对 本系统提出了以下的性能指标要求： 发射器： ( 1 ) 产品使用周期：5 年以上( 平均每天行驶5 小时) ( 2 ) 工作温度：一4 0 。c + 1 2 5 。c ( 3 ) 压力测量范围：1 0 0 k p a 4 5 0 k p a ( 4 ) 发射频率：4 3 3 9 2 m h z ( 5 ) 调制方式：f s k ( 6 ) 发射功率：5d b m - 1 0 d b m ( 7 ) 压力测量精度：1 p s i ( 8 ) 温度测量精度：1 ( 9 ) 工作电压：3 6 v 接收器： ( 1 ) 电源：车载电源供电 ( 2 ) 工作温度：一2 0 。c + 8 0 。c ( 3 ) 接收频率：4 3 3 9 2 m h z ( 4 ) 调制方式：f s k ( 5 ) 接收灵敏度： = - 1 0 0 d b m ( 6 ) l c d 实时显示 ( 7 ) 声光报警 2 2 2 功能要求 同时，经过市场调查和研究讨论，设定本系统需要实现的功能包括： ( 1 ) 快速渗漏：3 0 s 内压力减少了设定标准值的1 0 时，系统发出报警信号。 1 0 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 系统发出“滴。滴。滴”报警声，该轮胎位置标志、压力报警标志闪烁： ( 2 ) 高压报警功能：当轮胎气压比设定标准值高2 5 时，系统发出报警信号。 系统发出“滴。滴。滴”报警声，该轮胎位置标志、压力报警标志闪烁： ( 3 ) 低压一级报警功能：当轮胎压力比设定标准值低1 5 时，系统发出报警 信号。系统发出“滴。滴。滴 报警声，该轮胎位置标志、压力报警标志闪烁； ( 4 ) 低压二级报警功能：当轮胎压力比设定标准值低2 5 时，系统发出报警 信号。系统发出“滴滴滴”报警声，该轮胎位置标志、压力报警标志闪烁： ( 5 ) 高温报警功能：当轮胎温度达到或高于8 5 。c 时，系统发出报警信号。系 统发出“滴。滴。滴”报警声，该轮胎位置标志、温度报警标志闪烁； ( 6 ) 报警记录查询功能：可以随时查询最近2 0 次的报警记录，包括轮胎位 置，报警时压力值、温度值、时间等信息； ( 7 ) 发射器故障报警功能：当接收器长时间接收不到发射器数据时( 半小时) ， 系统发出报警信号，表示该发射器失效。系统发出“滴。滴。滴”报警声，并 显示传感器无信号标志，同时该轮胎位置标志闪烁； ( 8 ) 轮胎换位发射器免拆卸功能：轮胎换位时，不用拆下安装在轮胎内部的 t p m s 发射器，只需对接收器进行重新设定，系统就可以正常工作； ( 9 ) 时间设定功能：实时显示时钟，可对时间进行设定； ( 1 0 ) 单位转换功能：可以进行压力、温度的单位转换，并显示： ( 1 1 ) 低电量报警功能：可以对发射器电池电量进行实时监控，当电量不足时 系统发出报警信号。系统发出“滴。滴。”报警声，显示电量不足标志，同时 该轮胎位置标志闪烁。 2 3 t p m s 方案主要芯片的选型 从系统角度考虑，如果确定了系统所需使用的主要芯片，则系统总体方案也 随之确定，因为随后的硬件设计和软件设计都是在此基础上进行的。因此，下面 将讲述本系统方案中主要芯片的选型，选型时综合考虑性能、价格、供货、市场 等因素。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 2 3 1 传感器的比较与选择 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，为了强化轮胎压力检测 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 m 、e e p r o m 及其它功能的数字信号处理单元。 这些功能芯片使得t 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o g w , 等功能【1 1 】。 t p m s 的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 8 0 0 0 、m p x y 8 0 2 0 a ：和硅压阻式压 力传感器，如g e 的n p x l 、n p x 2 和i n f i n e o n 的s p l 2 、s p 3 0 。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。 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。下面首先简要的介绍目前几种主要传感器的性能与特点，然后再对它们进 行比较并给出选择方案。 ( 1 ) g e 公司的n p x 系列传感器 从1 9 9 5 年开始，g en o v a s e n s o r 开始为t p m s 提供压力传感器( n p p 3 0 1 ) 。 2 0 0 4 年初开始，g e 的第二代t p m s 传感器n p x l 开始批量供货。 n p x l 集成了压力传感器、温度传感器、电压检测、一个8 位微处理器、4 k 字节的用户可编程空间、4 k 字节的定制r o m 以及一个2 d 的l f 输入级，所有 测量信号经1 2 位a d c 转换后都以数字信号输出。在4 k 字节的定制r o m 中， 固化了特有的压力、温度和电压测量、补偿和校准程序，以及其它实用子程序， 这都可以简化编程的难度。 2 0 0 5 年4 月，g e 推出新一代t p m s 传感器n p x 2 ，它比n p x l 多集成了一 个加速度传感器，使得模块。l i q 工4 - 台日匕b 更加完善；2 0 0 6 年，g e 将推出n p x 3 ，它除了 集成了n p x 2 的所有功能以外，同时将r f 发射控制电路集成到了同一个芯片中； 随后，g e 将计划推出无需电池自供电方式的t p m s 传感器n p x 4 。 n p x 传感器特点： 1 ) 8 位p d s c ( 精简指令) 微处理器； 2 ) 4 k 字节用户可编程e r o m 、4 k 字节系统定制r o m 、1 2 8 字节r a m 、 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 1 2 8 字节e e p r o m ； 3 ) 2 d 的l f 输入接口； 4 ) 运行、空闲、停机和热保护停机4 种状态，便于灵活的能源管理，更有 加速度传感器( n v x 2 ) 提供当前车辆的运行状态，给能源管理进一步带来了便捷； 5 ) 压力、加速度、温度和电池电压的测量、补偿和校准； 6 ) 传感器断线检测及过热保护； 7 ) 多种唤醒方式：内部时钟唤醒；低频信号唤醒；外部信号( 运动开关) 触发 唤醒；加速度阈值触发唤醒( n p x 2 ) ； 8 ) 兼容各种轮胎压力介质，监测4 5 0 k p a 、7 0 0 k p a 、9 0 0 k p a 和1 4 0 0 k p a 多种 压力范围，并可以定制量程； 9 ) 1 2 位低噪声a d c ，3 2 位内置产品序列号； 1 0 ) 芯片内置高温停机功能，看门狗时间间隔定时器； 1 1 ) 结构设计坚固，可承受5 次5 0 0 0 9 的跌落试验，采用的多晶硅主动防护 设计能极大的提高设备的电气稳定性，同时共晶结合封装技术产生机械应力小。 n p x l n p x 2 传感器功能框图如图2 4 所示。 功能模块示意图 图2 4n p x 传感器功能框图 ( 2 ) i n f m e o n 公司的s p 系列传感器 i n f i n e o nt e c h n o l o g i e s 面向汽车轮胎压力监视系统应用推出s p l 2 1 2 t 传感 器。该器件是基于m e m s 技术的硅压阻式压力传感器，采用高精度半导体电阻 应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，它整合了压力与加速度传感 器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供四合一传感功能。并配有一个能完 成测量、信号补偿与调整及s p i 串行通信接口的c m o s 集成电路。 皇量塞塑主整堕堡垄些型墨堕塑塑盐皇塑型 由图2 5 的压阻式传感器模块的剖面清晰可见，s p l 2 是由m e m s 压力传感 器和半导体s o c 电路，用集成电路工艺做在一个封装里的。在封装的上方留有 一个压力温度导入孔，将压力直接导入在压力传感器的应力薄膜上，周边固定 的圆形应力薄膜内壁由半导体应变片组成惠斯顿测量电桥；同时这个孔还将环境 温度直接导入半导体温度传感器上。为了便于t p m s 接收器的识别，每个压力传 感器都具有唯一的i d 。 图2 5s p l 2 模块剖面图 s p 系列传感器特点： 1 ) 压力测量范围：1 0 0 k p a 4 5 0 k p a ： 2 ) 加速度测量范围：1 2 9 + 1 1 5 9 ； 3 ) 正常工作温度范围：4 0 。c + 1 2 5 ： 4 ) 供电电压范围：1 8 v 3 6 v ； 5 ) 测量精度：o 0 1 f s o 0 3 f s ； 6 ) 设有补偿功能，可以对压力、加速度、温度、供电电压等信号进行检测 和补偿； 7 ) 掩膜可编程性。 i n f m e o n 最近推出的s p 3 0 传感器模块具有s p l 2 的所有功能，并且在此基础 上集成了p h i l i p s 公司的m c u ，大大的缩小了芯片的体积和模块总体价格，使得 发射器的开发设计更加简便，提高了产品的竞争力。 s p 3 0 的功能框图如图2 6 所示。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 图2 6s p 3 0 功能框图 ( 3 ) m o t o r o l a 公司的m p x y 8 0 0 0 8 0 2 0 a 传感器 m o t o r o l a 的m p x y 8 0 0 0 8 0 2 0 a 是一个8 引脚的硅集成电容式压力传感器。它 集成有一个可变电容的压力感应元件、一个温度感应元件和一个有唤醒功能的内 部电路，并采用s s o p 超小型封装，同时还内置一个媒介保护过滤器和用于低功 耗的耐压监控系统( 可以使其硅片免受环境影响) 。它可以和m o t o r o l a 的远程无键 登陆( r k e ) 系统结合成一个低成本高度综合的系统。 该传感器有4 操作模式：待机模式( 耗电6 0 0 n a ) 、测定气压模式、测定温度 模式和输出数据读取模式。它要求控制器至少提供5 个引脚：2 个用于控制其操 作模式，2 个用于数据串行交换，另外1 个用于接收数据。8 0 2 0 a 还具有复位针， 该复位针作为一个输出端子，此端子大约每小时向控制器发送一复位信号。单片 机连接传感器，定期向传感器检索气压和温度等数据。由于该系列传感器没有加 速度传感，因此最好能外接一个加速度检测开关来判断汽车是否开动，在停车时 减少或不发送数据，以节省电能。 m p x y 8 0 0 0 8 0 2 0 a 特点： 1 ) 正常工作温度范围：4 0 + 1 2 5 ； 2 ) 供电电压范围：2 1 v 3 6 v ； 3 ) 可测量高压力值，可达6 3 7 5k p a ； 4 ) 8 位温度、压力数据输出； 5 ) 低功耗设计。 m p x y 8 0 2 0 a 内部结构图如图2 7 所示。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 图2 7m p x y 8 0 2 0 a 内部结构图 在介绍了几种主要传感器性能、特点之后，下面对它们的性能进行比较，用 以作为确定本系统传感器选择的依据。 表2 1 ：s p l 2 和m p x y 8 0 2 0 a 的性能比较【5 】： 表2 1s p l 2 和m p x y 8 0 2 0 a 的性能比较 s p l 2n 口x y 8 0 2 0 a 测量范围 1 0 0 k p a 4 5 0 k p a2 5 0 k p a 4 5 0 k p a 压力 测量时间 5 m s0 5 m s 测量精度 1 3 7 k p an a 测量范围- 4 0 + 1 2 5 4 0 + 1 2 5 温度 测量精度 1 0 8 b i t 测量时间 1 5 m s 0 2 m s 测量范围 一1 2 9 。1 l g 加速度 测量精度 0 5 9 n a 测量时间 b m s 测量范围 1 8 v 3 6 v2 1 v 3 6 v 电压 测量精度 o 0 1 8 4 v n a 测量时间 1 7 m s 功耗 待机电流 0 4 at y p 0 6 j at y p 表2 2 为s p l 2 与n p x l n p x 2 的功能及功耗比较【12 1 ；表2 3 给出了s p l 2 与 n p x l n p x 2 的测量性能比较12 1 。 电子式汽车轮胎压力监测系统的设计与研制 表2 2s p l 2 与n p x l n p x 2 的功能及功耗比较 功能比较 条件 n p x l n p x 2s p l 2 s p l 2 t m c uy e sn o 加速度传感 y e sf o r n p