轮胎压力监测系统毕业设计论文.doc

青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 摘要轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)是车辆安全行驶的重要保障之一，在汽车电子技术高速发展和对汽车安全性能要求更高的前提下，对TPMS系统的研究和设计具有广泛的应用前景，并能带来良好的经济效益和社会效益。论文深入分析了TPMS技术的研究现状和发展趋势，并对比了间接式TPMS和直接有源式TPMS的优缺点。选择直接有源式TPMS作为本文的研究目标，利用嵌入轮胎中的传感器检测轮胎的压力、温度以及供电电池的电压等参数，并通过无线射频方式发射到安装在驾驶室的监视器上。监视器实时显示各轮胎参数，在出现异常时及时发出相关告警信息。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。论文针对直接有源式TPMS技术实现的主要难点问题，包括系统预警的准确性和可靠性、检测传感器模块的低功耗性能等，开展了以下工作：聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1)对RF发射部分进行详细设计，包括发射天线的匹配网络、无线通信协议以及RF发射管理机制等；2)提出改进的基于多传感器融合技术的预警算法，有效提高系统预警的正确性，避免告警信号的漏报和误报；3）分析TPMS应用的电磁环境，在电磁兼容性设计层面上，阐述了系统的软硬件设计方案；4)在选择极低功耗检测传感器等器件的基础上，选择更适合应用环境的锂亚供电电池，并采取良好的电源管理机制；残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。5)充分考虑TPMS与其他车载设备之间的信息共享问题，进行基于CAN总线的联机通信设计。测试表明，所设计的直接有源式TPMS系统有效地提高了检测精度和预警的准确率，较好地达到了预期设计目的。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。关键词：TPMS，无线通信，电磁兼容，预警算法，CAN目 录摘 要I彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。目录II謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。第1章 绪论1厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.1 导言1茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.2 TPMS研究现状1鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。第2章 TPMS原理及方案设计3籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。2.1 TPMS工作原理3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2.2 系统整体方案设计3渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.2.1 系统设计要求3铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.2.2 系统方案论证与设计5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.3 本章小结7贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。第3章 轮胎参数检测与发射模块的硬件设计8坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。3.1 轮胎参数检测模块设计8蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。3.2 系统低功耗设计9買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3.3 无线发射单元设计10綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.3.1 天线匹配网络及设计11驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.3.2 无线通信协议设计16猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.4 TPMS检测发射模块的安装19锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.5 本章小结20構氽頑黉碩饨荠龈话骛。第4章 中央接收与处理模块的硬件设计21輒峄陽檉簖疖網儂號泶。4.1 中央接收与处理模块总体设计21尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。4.2 核心微控制器及RF接收单元设计21识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。4.3 差错检测技术设计25凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。4.4 人机接口硬件设计26恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。4.5 联机通信单元设计28鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。4.5.1 与ECU通信设计28硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。4.5.2 车轮行驶状态信息共享设计29阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.5.3 USB通信接口设计30氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4.6 看门狗与存储电路设计31釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。4.7 TPMS轮胎定位技术32怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。4.8 本章小结33谚辞調担鈧谄动禪泻類。第5章 系统软件设计34嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。5.1 轮胎参数检测与发送程序设计34熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。5.2 中央接收与处理模块程序设计36鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。5.3 联机通信单元程序设计38纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。5.3.1 CAN通信程序设计38颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。5.3.2 车轮状态检测程序设计40濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。5.3.3 USB通信程序设计41銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。5.4 HMI程序设计42挤貼綬电麥结鈺贖哓类。5.5 本章小结43赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。参考文献 44塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。49第1章 绪论1.1 导言未来数年内，安全性一直是推动轮胎压力监控系统(TPMS)发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎的缺陷有关，因此，TPMS有望成为发展最快的汽车电子应用。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。TPMS是汽车轮胎压力监视系统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，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。TPMS的由来及市场 TPMS 是汽车轮胎压力监视系统 “Tire Pressure Monitoring System”的英文缩写，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，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。1.2 TPMS研究现状在汽车的高速行驶过程中，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，在高速公路上发生的交通事故有70%-80%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。而TPMS汽车胎压监视系统毫无疑问将是理想的工具。凡世通（Firestone）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。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TPMS系统，以求减少轮胎事故的发生。因此，在2000年美国国会通过了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。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把这种系统作为标准配置。回应TREAD法案，美国公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007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，2004年占10%，2005年占35%， 2006年占65%，2007年 将达100%。美国每年的汽车销量约为1500万辆（轿车/卡车）。全球每年约5000万辆，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2600万辆，年销售汽车将突破600万辆，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可达50%。其中，仅TPMS技术产品2005年底的市场容量就将达20万套，近7亿元人民币；2006将达到50万套，近17亿元。根据20032010年汽车需求预测：汽车年增长16%20%；轿车年增长19.2%24%。综合以上分析，预计，20052010年，中国汽车保有量将以16% 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TPMS，因此，对TPMS的需要量与日俱增，美国的人工每小时起码7.5元美金，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，TPMS的生产正在转向中国。今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。 人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。因此，目前我们国内已有数百家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。第2章 TPMS原理及方案设计TPMS主要用于在汽车行使时实时对轮胎压力、温度进行自动监测，对各种异常情况(如轮胎漏气、过低或过高气压、过高温度)进行预警以保障行车安全。一般包括轮胎检测部分、无线数据传输部分、数据处理以及显示警告部分。本章主要介绍TPMS的实现原理和进行具体方案的论证设计。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。2.1 TPMS工作原理TPMS主要包括两个部分：轮胎参数检测与发射模块和中央接收与处理模块。前者一般由检测传感器、MCU、RF射频发射、天线和锂电池组成，主要负责汽车轮胎的压力、温度、加速度、模块电源电压的检测以及检测数据的无线传输，所有材料和元器件都要求满足-40125的汽车级工作温度；而后者一般由主控制器、人机接口、RF接收、语音告警等组成，完成所接收数据的处理，具有良好的人机交互功能，能及时警轮胎的异常信息。TPMS原理框图如图2-1所示。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。2.2 系统整体方案设计2.2.1 系统设计要求直接式胎压、温度预警系统为了实时测得胎压和胎温，检测传感器须安装在汽车轮胎内部，工作在密闭的环境中。对有内胎的轮胎，传感器模块安装在内胎外面的垫胎上或嵌入垫胎中；对无内胎轮胎(目前大部分为此类)，传感器模块可固定在轮毂上。此外，签于轮胎的旋转状态，检测数据只能采取无线传输方式。图2-2是传感器模块的无线发射示意图，图中黑色的小方块表示传感器模块。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。图2-2 传感器模块发射示意图当传感器模块随着轮胎旋转到远离接收机位置(如图2-2的位置2)时，金属轮毂会对无线发射信号产生一定的屏蔽作用，主机模块接收到的信号将会有所削弱。此外，系统工作在室外环境，必须有较宽的工作温度范围。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。胎压、温度预警系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警，加强汽车高速行驶的行车安全。本课题研究设计的系统是新型的主动直接式轮胎压力监测产品。系统在汽车行驶状态下通过置于轮胎内部的传感器模块实时测量轮胎压力和温度，通过射频方式将测得的状态信息发送到安装在驾驶室内的系统主机，并通过主机的液晶显示器(LCD)显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，如果出现异常(包括轮胎漏气、异常升温、传感器模块电源不足等)则发出报警信号。此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，以及受拱型路面的影响，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。有的轮胎磨损重，有的磨损轻，甚至还会出现轮胎的单边磨损不均匀。为了延长轮胎的使用寿命，定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方法。轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。因此，研制的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能。根据美联邦机动车辆安全标准：当单个轮胎或平均每个轮胎压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低25或更低时，或者低于规定的最低气压标准(无论符合哪种情况)，一辆机动车辆上安装的TPMS必须警告驾车者；当任何一个单个轮胎的压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低30或更低时，或者低于规定的最低气压标准(无论符合哪种情况)，一辆机动车辆上安装的TPMS必须警告驾车者。综上，胎压、温度预警系统的主要功能要求归纳如下：峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。(1)实时监测各个轮胎的压力、温度、模块电源电压，数据无线传输；(2)可设定各轮胎报警的上下门限；(3)实时显示监测数据，及时准确报警异常情况；(4)系统当前时间的显示和更改；(5)可重新对各轮胎进行定位，便于轮胎保养换位及更换；(6)CAN通信接口，方便与车载ECU联机；(7)与PC通信能力，便于功能扩展以及数据的进一步分析处理；(8)可检查并判断检测传感器故障，并予以告警；(9)停车时系统的自动关闭。结合前文所述，给出系统主要技术指标要求：(1)体积小，重量轻，便于安装和保持轮胎的动平衡：(2)功耗低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作，最好寿命在5-10年；(3)RF(射频)信号接收灵敏度高，抗干扰、发射功率低并符合国际规范；(4)通信信道的可靠和稳定性，对轮胎压力和温度的异常不能漏报和误报；(5)较高的测量精度；(6)汽车级工作温度范围：-40125，且符合相关标准并经济适用。2.2.2 系统方案论证与设计TPMS根据其获取轮胎压力和温度的方法分类，可分为两大类：第一类是间接式，即通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。上海通用别克轿车安装的即是这种间接式TPMS，即当汽车行驶时，轮胎气压监测系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析，当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也发生相应变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预设的标准值比较，即可判断出轮胎气压过高或过低。该类型系统的主要缺点是无法对速度超过100公里时的情况进行判断。同时，由间接式判断轮胎缺气的原理可知，当多于两个轮胎同时低压或高压时，系统将无法正常工作；詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。第二类是直接式，这是一种通过温度、压力传感器精确测定轮胎压力和温度的方式，所测定的数据需要通过无线方式发送到主机模块处理，但是需要增加额外设备和成本。由于直接主动式TPMS精度高，技术成熟，能很好地满足人们的需求，因此选用直接有源式TPMS。直接有源式的TPMS根据轮胎模块有无电池供电又可以分为主动式和被动式，主动式TPMS有电池供电，而被动式TPMS，则用一个中央收发器代替直接有源式TPMS中的中央接收器，安装在轮胎中的转发器(Transponder)代替发射器，接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器。被动式TPMS虽然不需要电池供电，但也涉及到模块的取能问题，在目前没有更好的解决方案，或者将来利用车轮机械能转换成电能利用也是一个办法，因此选择主动式。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。在本文的设计中，进一步加入了一些新的结构和功能，使之更加合理、安全、可靠和人性化。TPMS系统通过植入轮胎内部的传感器实时采集轮胎压力、温度、锂电池电压、加速度信号，所采集的数据经过微控制器的初步处理后，利用RF无线射频方式发送至安装在驾驶室的接收器上，并通过LCD实时显示，当出现异常情况，立即启动告警信号。另外，各TPMS器件生产厂商所提供的产品性能各有优点，考虑到产品的综合性能，选择Freescale最新推出的MPXY83XX系列胎压监测传感器作为核心器件。MPXY83XX采用Freescale的系统级封装工艺，集成有一个8位S08内核的微控制器(512BRAM，16KBFlash)；一个SmartMOS射频发射器(多种波特率选择，支持FSKASK调制模式)以及一个压力传感器和温度传感器；带有探测器和解码器的低频(LowFreqency，LF)输入；也可以包含一个可选的单轴(z)，或者双轴(Z加X)加速计，用来进行运动监测及轮胎位置识别；过温关断；供电电压检测：由LFO驱动的低功耗唤醒计时器和周期复位；工作温度范围为-40125，压力范围为1001500kPa。MPXY83XX系统封装解决方案旨在满足全球汽车的安全需求，实现精确、及时的胎压监控，系统高度集成、经济高效、其专有的低功耗技术使TPMS电池寿命能延长到10年。基于MPXY83XX设计的系统原理框图如图2-3所示。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图2-3 系统原理框图此外，该系统还设计有与车载ECU和外部PC通信的接口，有利于用户实现所需要的拓展功能。在本方案中，MPXY83XX完成对轮胎压力和温度的检测(包括系统电池电量和汽车加速度的检测)、检测数据的初步处理、ID发射，而处理监控单元主要完成RF接收、数据的最终处理和显示、CAN和USB通信、人机接口以及预警等。其中，处理监控单元选用Freescale推出的汽车电子级MCU即MC9S08DZ60、高灵敏度RF接收芯片MC33594，器件的具体参数和应用电路设计见第四章。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。2.3 本章小结本章主要介绍了TPMS系统原理，分析和提出了TPMS系统的性能参数要求，并在此基础上进行了系统方案的论证和设计，进行了器件的比较和选型，选择Freescale最新推出的具有高集成度的智能轮胎传感器模块，确保后面整个系统设计的低功耗、高集成度、模块化和更小型化。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。第3章 轮胎参数检测与发射模块的硬件设计轮胎参数检测与发射模块主要完成对轮胎压力、温度、模块电池电量甚至包括Z轴向和x轴向加速度的检测，检测数据经过初步处理后通过RF发射到安装在驾驶室的中央接收模块。其性能要求主要有检测精度高、无线通信可靠、低功耗等。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。3.1 轮胎参数检测模块设计根据前面的方案论证设计，轮胎检测模块以Freescale的MPXY83XX为核心，因为该芯片集MCU、压力传感器、温度传感器、电压检测、可选的单轴(Z)或双轴(Z和x)加速计于一体，具有两个键盘输入中断(KeyBoardInterrupt，KRI)，只需要极少量的外围器件就可以构成一个完整的检测发射系统。外围器件主要包括少许电容、电阻、发射天线、供电用锂亚电池等。因此，整个系统可以做得很精简，印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)板面积小，且性能较好，功耗低，安装方便。具体实现原理图如图3-1所示。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图3-1 轮胎检测发射模块原理图Vcap引脚处电容C14的作用是充当内部充电泵升电路的负载电容。当系统供电电池的电量不够时，为了保证通信的可靠性，则可以利用内部的充电泵升电路给天线发射提供更多能量，以保证无线通信的成功，如果不采用此功能时则Vcap脚必须悬空。PTA0PTA6引脚均可以作为通用IO使用，但是如果没有使用则必须都接地。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。为了节省电能(电池供电)，检测模块只在特定的时间间隔内，进行传感器数据采集、分析以及RF发射，而大部分时间里处于低功耗的休眠状态，当然，可以通过PWU时钟或者LF两种方式唤醒。这个特定的时间间隔取决于MPXY83XX内部的低频振荡器(LowFreqencyOscillation，LFO)和唤醒周期。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。3.2 系统低功耗设计轮胎传感器检测模块装置安装在轮胎内部，一般是多年才更换一次，所以要求检测发射模块更稳定、更可靠和更低功耗。在本文设计中，从两个方面着手：一是低功耗器件的选择；二是低功耗管理机制。低功耗具体措施如下：謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。1)MPXY83XX本身的高集成度和很低的待机功耗(待机电流0.14A)；2)时钟频率、晶振的启动时间措施。同等条件下，系统功耗与时钟频率和晶振的启动时间均成正比，即时钟频率越高，功耗越大，晶振启动时间越长，功耗越高；呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。3)休眠与唤醒机制。此机制的实现在于采用高效的系统管理算法，由于MPXY83XX内嵌的是一个8bit的S08系列的MCU，其工作模式有正常行模式(RunMode)、后台运行模式(ActiveBackgroundMode)、等待模式(WaitMode)、停止模式(StopMode)，每种模式的功耗不同，后台运行模式主要是在进行代码开发时用；而在等待模式下，CPU关闭，系统时钟继续运行，系统电压调节部分保持工作；停止模式下，系统时钟停止，具体又包括4种状态(停止模式l，停止模式2，停止模式3，停止模式4)，列表这4种状态下MCU内部资源的运行情况如表3-1所示。根据本系统设计，选择停止模式l。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。表3-1 MCU停止模式比较表中的Optionally On是指在某些条件的具备或者使能的情况下，则可以启动该选项中的资源，Periodically On指周期性开启。需要注意的是在TPMS应用中，LFO，PWU和参数寄存器始终保持为上电开启状态。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。4)RF发射(包括发射功率、发射次数)。RF发射功率的合适选择(配合天线)，发射次数的抉择(当检测到压力或者温度等参数没有达到变化阈值，不启动RF发射，即只有当检测参数发生一定程度的变化，或者出现任意参数达到或超过预警阈值则启动RF发射)，因为在合理的情况下，减少RF发射次数能有效降低功耗；納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。5)电池的选择。传统的锂电池在-40低温时丧失电能，在100高温时会自动放电。而锂亚电池优秀的高低温特性使其成为目前TPMS能源的最佳选择，能很好地满足TPMS宽温度范围的要求，此外，为了使其能供电35年，则必须设计好电源管理方案。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。3.3 无线发射单元设计RF无线通信单元主要负责实现从轮胎检测模块到中央处理模块的数据通信，即给中央处理模块发送轮胎各参数，包括轮胎识别ID码、轮胎压力、轮胎温度、模块电池电量等，那么保证通信的可靠是系统设计的关键之一。而无线通信的可靠性与通信协议的选择、发射天线的设计以及发射的功率等因素有关。现分别从这些方面来进行轮胎检测模块无线发射单元的具体设计。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。3.3.1 天线匹配网络及设计天线的基本功能是将发射机(或传输线)过来的高频电流或导波能量转变为无线电波并传送到空间；在接收端，则是将空间传来的无线电波能量变为向接收机传送的高频电流或导波能量。天线在无线传输中起到传输纽带和中继的作用，其性能好坏直接影响到无线通信的效果。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。天线技术涉及天线的几何形状、材料和介质等诸多因素。TPMS发射器的天线靠近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。在TPMS系统中采用印刷电路板小环天线(Loop Antenna)，其结构简单，易于加工。环形天线的形状可以作成矩形、三角形、正方形或圆形等。若圆环的半径b很小，即环的周长C仅为工作波长()的一部分，当C=2b0.2时，称为小环天线，此时沿线电流的振幅和相位变化不大，按均匀分布。有时为了提高小环天线效率，可采用多匝环及磁加载的办法。总之，可以通过选择天线的结构形式、尺寸、电流分布等来满足使用者所要求的电特性，故其具有设计灵活的突出优点。此外，天线匹配网络至关重要，如果没有设计好，则会造成很大的能量损耗，直接影响到发射模块的有效传输距离，进而影响到无线通信的可靠性。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。1、 天线的主要性能指标描述天线转换电磁能量能力的大小、辐射性能的好坏主要取决于其应用环境和系统的总体要求。通常有如下一些指标：趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。(1)天线的输入阻抗。输入阻抗定义为：天线输入端电压与输入端电流的比值，即= (3-1)当输入电压和输入电流同相时，输入阻抗呈纯阻性。一般情况下输入阻抗包含有电阻及电抗两部分，即= +jX。天线的输入阻抗取决于天线的工作原理、结构尺寸、周围介质、工作环境及工作频率，输入电阻又包含辐射电阻和损耗电阻。接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载。因此，天线的输入阻抗与发射或接收机的输出阻抗的匹配程度直接决定了无线能量的传输效率。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。(2)天线的方向性系数和增益。天线的方向性系数表示天线将能量集中辐射的程度，定义为在辐射功率相等的条件下，天线在某个方向的辐射功率密度s与理想点源(理想点源向四周均匀地辐射，也称为无方向性天线或各向同性天线。作为一种参考天线，理想点源在天线分析中起着重要作用)的辐射功率密度之比，即视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。式3-2中，是所讨论天线的辐射功率；是理想点源的辐射功率。而增益(G)是指在相同的输入功率下，某天线产生于某点的电场强度的平方与无耗理想点源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值，通常以天线在最大辐射方向的方向性系数作为天线的方向性系数，同理，增益也是。天线增益G与方向性系数D的关系为偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。其中，为天线效率，表示天线在能量变换上的效用。且有是天线的接收功率，是天线的输入反射功率。和为天线的辐射阻抗和损耗阻抗。对于电小天线，馈线和匹配网络中的损耗非常严重，由于天线为电小的，故输入容抗很高，输入电阻很小，需要串入一个大电感来消除容抗以满足谐振条件。因此，在考虑电小天线的效率时，还应考虑匹配电路损耗功率。则天线的辐射效率。可以表示为緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 (3)反射系数和驻波比。反射系数定义为沿着传输线的某个固定空间位置的发射电压波与入射电压波之比。它描述了特性线阻抗和天线输入阻抗之间的阻抗失配度，即騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。 则电压驻波比可表示为当天线的输入阻抗与传输线阻抗Zo不匹配时，就在传输线上形成驻波。驻波比表明天线的阻抗与传输线阻抗的失配程度。当VSWR=1时，系统完全匹配；当VSWRI5时，系统匹配优良；当VSWR2时，系统匹配良好；当VSWR3时，系统匹配程度尚可适用；当VSWR35时，系统匹配差。描述VSWR，反射系数和发射功率之间的关系如表3-2所示。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。表3-2VSWR、反射系数和反射功率的关系(4)天线的极化和带宽。天线极化是描述天线辐射电磁场矢量空间指向的参数。由于电场和磁场有恒定的对应关系，故一般都以电场矢量空间的指向作为天线辐射电磁波的极化方向。根据天线在其最大辐射方向上电场的极化形式来定义天线的极化，可以分为线极化、圆极化和椭圆极化。在同一系统中，收、发天线的极化必须相同。若接收天线的极化与入射平面波的极化一致，则称极化匹配，极化效率为1，否则，则称极化不匹配，接收功率损失。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。天线的各种参数，包括天线方向图、输入阻抗、增益等都和频率有关，天线的频带宽度是指其主要电气指标如驻波系数、增益、主瓣宽度、副瓣电平、极化特性、相位分布等均满足设计要求时的频率范围。若同时对几项指标都作具体要求时，则应以其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。总之，天线的带宽是一项综合性的技术指标，为了系统使用的需要，在设计时有时候得采取折中的办法。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。2、天线的结构对于一很小的环来说，如果环的周长远小于/4，则其方向图和环的实际形状无关，即环可以是矩形、三角形或其它形状的。TPMS系统的发射模块一般设计成矩形，据此，一般也将TPMS系统发射天线设计成矩形。这种环天线可以用细导线、薄金属板、印刷电路线或其它材料组成，在TPMS系统的应用中，为制作简单，降低成本和确保结构牢固，采用印刷电路线组成。其结构如图3-2所示。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。图3-2矩形环天线示意图小环天线的阻抗可以等效地用电路参数表示，如图3-3所示，表示辐射电阻，表示损耗电阻，L表示环结构自感，则环天线的输入阻抗为嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。图3-3小环天线的等效电路面积为A的印刷电路板小环天线在波长在时，辐射电阻为环形天线的损耗电阻(忽略介质损耗)用环形天线周长P、线宽W、磁导率、电导率、频率f表示为环形天线的电感L用周长P、面积A、线宽W、磁导率表示为而天线的效率则可以表示为利用和失配系数以及增益G，可以把天线系统的增益表示成3、天线匹配网络一般信号源阻抗和负载阻抗不会正好共轭匹配，即，在射频电路设计中，为了实现信号源到负载无相移最大功率的传输，在信号源和负载之间以及各模块之间插入一个无源网络，通常这种无源网络被称为匹配网络，如图3-4所示。实际的匹配网络不仅仅可以减小功率损耗，它们还具有减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等功能。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。图3-4匹配网络示意图图3-4中输出匹配网络的负载是天线，而输入匹配网络的负载是下一级输入回路。匹配网络可以分为L型网络、T型网络和型网络，而L型网络一旦确定了源阻抗和负载阻抗后，则其品质因素劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。为固定值，那么就达不到控制的要求，所以设计时从后两种匹配网络模型着手。针对MPXY83XX设计输出匹配网络，具体实现如图3-5所示。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。图3-5匹配网络设计目前，用于TPMS系统的发送器IC一般工作在260470MHz的ISM公共频段，最典型的为315MHz和434MHz。在这里，针对MPXY83XX设计出适当的匹配网络，并给出工作于这两个频段的小环天线匹配网络的具体参数值。环形天线到发送器IC阻抗匹配的完整模式必须包括偏置电感、PA(Power Amplifiers)的输出电容、引线、封装、寄生参量等，为了达到更好的设计效果，使天线的效率达到更高，在最后的调试中可以适当对匹配元件进行少许修改。具体匹配网络参数如表3-3所示。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。表3-3匹配网络参数设计列表表中所列匹配网络Ll、L2和C3的值在采用小环天线是可行的，如果采用外部天线(External Antenna)，即图3-5中与电阻R1相连接的天线，则匹配网络必须相应的修改。并且，根据MPXY83XX的数据手册，设定此天线为一个50的负载。如果不是，则可以一边测试，一边适当修改图3-5中的C4、C5和R2参数值，从而最终获得期望的输出功率。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。3.3.2 无线通信协议设计实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须采用基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而相应改变，即所谓的载波调制。本文设计采用无线数字调制。与模拟通信方式相比，数字通信抗干扰能力强，无噪声积累，便于加密处理，便于存储、处理和加密，并且数字通信设备便于集成化、微型化，便于构成综合数字网和综合业务数字网。当然，数字通信信道频带较宽，但是随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用以及数字信号处理技术的发展，带宽已经不是主要问题了。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波，这是因为正弦信号形式简单，便于产生和接收。数字调制也有调幅、调频、调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。因为无线信道条件的恶劣，目前大多数无线接收解调芯片对频移键控(FSK)和幅移键控（ASK)都利用本地稳定的相干载波信号，采用相干调制方式(即同步检测法)。另外，MPXY83XX也只提供两种调制方式：ASK和FSK。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。l、调制方式选择决定误码比特率大小的主要因素是功率信噪比SN，由于信号功率是整个已调波序列的信号平均功率，在同样载波幅度A时，大一倍。也就是说在相同的误码率情况下，FSK较ASK可节省2倍信噪比，即在同样信噪比下，FSK比ASK有更佳的性能(即更低的误码率)。在数字通信中，人们所关注的是尽可能降低误码率，所以针对本文设计选择FSK调制方式比较合适，且其实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。2、编码方式选择通信协议是通信的关键技术之一，是关系到通信性能的因素之一。一般情况下，通信内容按照一定的编码方式由一系列连续码型实现，因此，通过获得通信码型序列，并根据其分析出通信的起始标志、通信编码的方式、编码规则以及信息码传递的内容是获得通信协议的关键。本系统设计采用曼彻斯特编码(Manchester)形式(MPXY83XX提供曼彻斯特编码和二相编码两种方式)，曼彻斯特编码是一种超越传统数字传输极限的编码解码方法，其第一个优点是它的同步性，解决了常规方法里没有时钟的缺点。曼彻斯特编码是将普通NRZ(非归零)二进制数据与其位率时钟相异或相同，见图3-9。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。图3-9 曼彻斯特编码由图可以看出，若传送信息为“1”，曼彻斯特编码由高电平跳变到低电平；若传送的信息为“0，则编码由低电平跳变至高电平；如果有连续的“l或“0信息出现，则曼彻斯特编码保持“1或“0时跳变，即经过编码后，信息“0与时钟一致，信息“1与时钟相反，也就是说曼彻斯特编码是一种相位调制。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。当NRZ数据始终未为“0或“1时，由图可看出曼彻斯特编码信号的频率与位率时钟相同，为。当NRZ数据总是“0”和“1交替变化时，曼彻斯特编码信号的频率是位率时钟的一半L2时，且与NRZ数据频率相同，相位提前90。曼彻斯特编码的最大传输频率是时钟频率f，最小频率是时钟频率的一半f/2。因此，曼彻斯特编码不仅使传输信号的信息内容增加，而且也将NRZ信号的频带上移，见图3-10所示，同时去除了NRZ数据中零频率成份。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。图3-10 曼彻斯特编码将频带上移综上所述，曼彻斯特编码是将基带的NRZ信号，经过时钟调制后，变为频带传输信号。它不仅去除了NRZ信号中接近零频率的分量，更时候远距离传输，而且增加时钟信息，具有良好的抗干扰能力和自同步能力。但由于每一个码元都别调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的12。同时由于是用方波中心的跳变沿来传递信息，所以存在极性反转而引起译码错误的可能。比如一串“111111”序列，只要误判脉冲有半比特时间的误差，将被译成“000000”。而需要帧同步来避免这种情况的发生。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。3、通信协议数据帧格式在无线通信中，数据帧通常是由一些具有特定含义的字节组合在一起构成的。它主要包括指示通信打包类型的包类型字节；表明包长度的字节；表明通信的发起者、接收者和目的地的地址字节；表明数据包内容的载荷字节及对内容进行校验的校验字节。此外，通信协议的一个最重要的事就是能够识别噪声和有效数据，噪声是以随机字节出现的，并没有明显的结合方式，噪声源可能产生任意字节的组合，在无线通信的过程中最好能通过一种协议能有效的抑制噪声、发现有效的数据。因此在无线通信中必须在数据包之前加上前导字节，其主要的作用在于：使接收机稳定、便于带串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的异步接收机准确发现起始位。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。当轮胎模块中的MCU决定要发送数据(由传感器采集到的温度、压力等数据)时，通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块，随后发送数据帧，其数据帧格式如下表3-4所示。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。表3-4 数据帧格式其中状态位反映了轮胎检测模块的电池电压、快速或者慢速无线发射等信息。在实际的通信过程中，定义不同的状态位对应的含义如表3-5所示。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。表3-5 状态位定义3.4 TPMS检测发射模块的安装一般的TPMS包括4个以上发射模块(一个轮胎里面安装一个)和1个TPMS接收模块(安装在驾驶室)。为了提高系统的接收和抗干扰能力，系统安装时可以在汽车底盘安装接收天线。在车身上的具体安装图如图3-11所示。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。图3-11 TPMS安装示意图涉及到发射模块的具体安装位置和形式可以分为两种：一种是通过改装气门嘴，将传感器模块安装在气门嘴位置上。如图3-12，这种方式由于要替代原厂的气门嘴，整个模块必须经过轮胎部件的相关设计和生产认证，手续比较繁杂，这是其一缺点，此外，这种安装方式还要求能通过汽车行驶速度为200kmh时的离心力测试。另外一种则是利用钢带将模块紧箍在轮毂上，此方法实现容易，安装简便，为大多数厂家或用户采用。钢带跟模块之间的绑定可以设计一个具有限位导槽的塑胶外壳，PCB板可以固定在此导槽内，这种方式的缺点就是轮胎内热有可能引起钢带的膨胀，导致检测模块的松动和移位。当然，无论采取那种方式，安装完发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。图3-12 传感嚣模块气门嘴内置安装方式3.5 本章小结本章主要进行轮胎检测模块的硬件设计，包括轮胎状态的检测、数据的初步处理和RF发射，涉及到系统低功耗的处理措施和为了保证无线通信的可靠性，进行了无线通信协议(编码方式、调制方式等)、发射天线(天线结构和匹配网络)的详细设计。此外，介绍了轮胎检测模块在汽车轮胎上的安装方式。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。第4章 中央接收与处理模块的硬件设计中央接收与处理模块的功能主要包括RT接收、数据处理、LCD显示、外置编码存储器数据读入、通信以及智能识别轮胎系统是否安全，并提供不同等级的报警信号等。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。4.1 中央接收与处理模块总体设计中央接收与处理模块原理图如图4-1所示。由专门的RF接收芯片进行RF的接收、信号解调和初步处理，然后通过同步串行接口SPI发送给控制处理微控制器。微控制器进行进一步的信息融合和数据处理，完成结果显示并根据一定的预警算法判断何时给出何种报警信号。为了适应汽车电子发展的需要，本系统还设计有CAN通信功能，便于与车载ECU通信，实现对汽车更优化、人性化的控制。此外，为了调试的方便和满足用户更多的需求，设计了系统和PC之间的通信接口。按键设置主要完成功能选择和预警阈值的设定。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。控制器图4-1 中央接收与处理模块设计图4.2 核心微控制器及RF接收单元设计S08系列是Freescale迄今推出的集成度最高、扩展性最好的8位微控制器，具有更高性能，更低开发成本和能够节省更多的开发时间，同时也降低了主板空间，在汽车电子应用中具有更高可靠性，也能满足汽车级电子产品工作温度范围。根据系统设计性能的要求以及产品性价比，兼顾整个系统开发层面的因素，综合考虑选择Freescale的8位汽车级微控制器MC9S08DZ60。RF接收芯片选择由Freescale推出的单片集成PLL调谐UHF数据接收器MC33594。 Freescale还提供经过优化的HC(S)08微控制器专用CodeWarrior集成开发环境5.0版。MC9S08DZ60主要性能特点如下：譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。1)片内60KBFlash，4KBRAM，多达2KB的EEPROM；2)内置1个CAN，2个SCI，1个SPI，1个12C总线接口；3)系统CPU工作频率达到40MHz；4)工作电压范围27V55V；5)2个定时器脉宽调制器(Timer Pulse Width Modulater，TPM)；6)多功能时钟生成器(Multifunctional Clock Generator，MCG)；7)实时计数器(RealTime Counter，RTC)等。微控制器最小系统单元具体设计原理图如图4-2所示。图4-2 最小系统单元原理图图4-2中，PTF4、PTF5、PTE0、PTEl作为外置编码存储器接口电路(用于轮胎ID定位，在后面有具体介绍)；PTA0-PTA7、PTB0-PTB7作为LCD(液晶)操作接口；PTD2-PTD6作为按键输入，PTD7作为按键输入中断信号，设计中只要有任意按键按下，则给微控制器产生一个外部中断，此引脚为了抗干扰的需要，引入了一级RC低通滤波；微控制器利用SPI口(工作在从机状态)与外部RF接收芯片MC33594进行通信，获取轮胎参数数据。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。