无线轮胎压力监测系统的硬件设计.doc

目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题的目的和意义11.2国内外发展现状及发展趋势31.2.1 国内外发展现状31.2.2 发展趋势41.3TPMS的分类及结构51.4本文主要研究内容6第2章 影响轮胎性能的主要因素82.1轮胎的分类82.2爆胎的原因92.3温度对轮胎性能的影响102.4压力对轮胎性能的影响112.5本章小结12第3章 TPMS总体设计133.1设计要求133.2方案设计的主要问题153.2.1 TPMS的工作环境153.2.2 方案设计的主要问题153.3TPMS的方案的总体设计183.3.1 硬件的总体设计183.3.2 轮胎模块软件的总体设计193.4轮胎定位技术研究193.4.1 轮胎定位和重定位问题193.4.2 TPMS轮胎定位技术研究203.5TPMS方案主要芯片的选型223.5.1 传感器的比较与选择223.5.2 无线收发芯片的选择263.5.3 微控制器的选择273.5.4 电池的选择273.6本章小结28第4章 轮胎压力监测系统硬件设计294.1轮胎模块硬件设计294.1.1 传感器SP12电路设计294.1.2 MAX1479射频发射电路设计334.1.3 PIC16F636微控制器电路设计364.2轮胎压力接收模块硬件设计384.2.1 MAX1471射频接收电路设计384.2.2 显示报警和按键电路设计394.2.3 LPC2119微控制器电路的设计414.3天线的设计424.4本章小结46第5章 轮胎模块软件的设计475.1低功耗软件设计的考虑475.2轮胎模块软件的设计485.2.1 数据采集程序设计485.2.2 数据处理程序设计505.2.3 数据发射程序设计515.2.4 轮胎模块主程序设计575.3本章小结59结论60参考文献62攻读硕士学位期间所发表的学术论文65致谢66第1章 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- II -第1章 绪论1.1 课题的目的和意义随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的压力引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎压力进行关注。轮胎压力影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。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1。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80%。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监测系统（Tire Pressure Monitoring System，简称TPMS）毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎压力监测系统以便在轮胎压力低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎压力监测技术应运而生2。轮胎压力监测系统主要用于在汽车行驶时实时对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警；是驾驶员和乘客的生命财产安全保障预警系统3。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防的，是造成突发性交通事故发生的重要原因之一，由此产生了对TPMS系统应用研究。TPMS系统主要作用如下：1. 可有效预防轮胎爆胎事故。除特殊机械故障外，汽车行驶安全最重要的两大因素就是刹车装置和轮胎。因为轮胎气压形成轮胎强度，轮胎低压行驶时，变形下沉，将加大对轮胎胎肩的磨损。同时，各部件胶于帘布层，帘布层之间剪切力增大，生热加剧，使胶层与帘线的物理性能下降，轮胎使用寿命缩短。若胎压长期低于正常气压的80%，在高速行使时，轮胎会急剧升温而脱层，最后导致爆胎。轮胎超压行驶时，轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，轮胎胎面的中部磨损增加。室内试验证明：气压超出25%，轮胎寿命降低1520%；降低气压25%，寿命降低约30%。汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大，轮胎磨损增加。TPMS可于行驶时实时对轮胎气压、温度进行自动监测报警，可有效防止轮胎爆胎事故的发生4。2. 提供“事前主动”型安全保护。汽车防抱死制动系统（ABS）、安全气囊等均是“事后被动”型安全保护，即事故已经发生时保护人和汽车的安全，降低伤害程度。而TPMS是“事前主动”预警系统。连续的压力、温度监测系统保证车辆在正确的负载中行驶。避免因轮胎压力过低或过高，温度的异常，造成的爆胎；避免由于轮胎压力不平衡，造成的驾车容易跑偏的现象；能最大限度的减少因轮胎故障导致的半路抛锚及交通事故的可能性。将事故消灭在萌芽状态，确保汽车行驶中始终处于安全状态5。3. 具有经济效益和绿色环保作用。轮胎气压和温度过高，胎冠会加速磨损；轮胎压力过低，汽油损耗量增加。而保持正常气压行驶可节省油费开支。除此以外还能避免由于爆胎引起的车辆损坏的修理费、新胎或轮轴的购置费用，以及因为轮胎原因发生故障所造成的有形或无形的损失6。轮胎气压过低对轮胎的影响如表1-1所示。另外，低压行驶将增加行驶阻力、燃料消耗和废气排放。过快磨损的橡胶粉尘也将增加环境污染。4. 保障整车的性能与寿命。正确的轮胎压力有助于优化车辆整体性能，如：转性能，刹车性能，对方向操纵的响应，显示车辆负载能力等；延长发动机及底盘、挂、轮胎的寿命，提高整车寿命与舒适性7。表1-1压力对轮胎的影响Table1-1 The effects of pressure on the tires轮胎压力低于标准值单位汽油行程数的下降轮胎使用寿命下降30%6.25%37%20%4.50%28%15%3%20%10%2%15%1.2 国内外发展现状及发展趋势1.2.1 国内外发展现状据有关专家的分析，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。TPMS系统无疑将是理想的工具。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8。因此，在2000年美国国会通过了TREAD（Transportation Recall Enhancement Accountability and Documentation Act）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年达到100%9。美国每年的汽车销量约为1500万辆（包括轿车和卡车），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）10。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TPMS方案，如Motorola、GE等都已经研制出适用于TPMS的MEMS传感器及相应的TPMS技术方案。国外的TPMS产品已经相当成熟，能够经受57万公里的使用测试 11。在2003年11月24日颁布的中华人民共和国国家标准机动车运行安全技术条件（征求意见稿）中，对安装轮胎压力检测装置做出了说明：“车长大于6米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1.2吨的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施”。由于目前国家没有强制性规定必须安装TPMS装置，而载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装TPMS装置费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用12。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，TPMS都处于尴尬的地位。但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性TPMS安装规定。尤其大型载货汽车，安装TPMS是非常必要的。因此市场前景广阔，目前大部分厂家都处在研究开发阶段，出货量不高。全国开展TPMS研究的厂家接近200家，专业的TPMS厂家大约为30家13。TPMS的研究在中国刚刚起步。目前各厂家的重点并非是如何开拓市场，而是如何提高产品性能和质量。目前国内的TPMS系统问题不少：车内需配备专用的主机、显示屏；需要在车内固定和接线，安装繁琐、影响美观、整车厂难以配装；不能设定标准胎压、无法保障轮胎合理使用；不具备抗干扰的清晰语音提示报警功能，会造成驾驶员视线转移：因射频效率、编码纠错性能差、在恶劣环境下漏报严重。直接式TPMS产品无线信号传输的稳定性可靠性不足，电池寿命问题，传感器寿命和耐久性问题。此外，TPMS零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品14。1.2.2 发展趋势目前国外带电池的TPMS系统相对己经比较成熟，主要在进行无源TPMS系统的研究，如利用SAW这类无源器件频率的变化来监测轮胎压力变化15。米其林集团公司、固特异轮胎橡胶公司己经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被埋入轮胎胎壁内，它在轮胎的整个寿命期间(一般为17年)发挥作用；作为信号接收装置做成如手机的手握式解码读出器，可方便驾驶者出车时插装在车上，下车后随身携带。以RFID技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是其中的一员。该公司和西门子VDO汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带RFID卡传感器。该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体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，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记录16。上海交通大学也开始基于声表面波技术的TPMS开发研究，这种能同时测量轮胎内压力、温度和发射数据的SAW传感器，不仅可实现智能轮胎信息的无源测量和无线发送，并且将拥有中国人自主的知识产权17。1.3 TPMS的分类及结构根据工作原理的本质区别可以将轮胎压力监测系统分为间接式TPMS和直接式TPMS。间接式TPMS，这种系统通过车辆安装的防抱死制动系统（ABS）来确定轮胎压力的变化。ABS通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱死系统。对于在4个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，轮胎压力变低也会导致车速发生变化。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于触发警报系统来向司机发出警告18。该类型系统的主要缺点是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。间接系统相对便宜，只需对ABS软件进行升级就可以实现。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的2个轮胎气压都低，或者是行车速度超过100公里/小时的情况19。目前，直接式TPMS方案主要有单向通信和双向通信两种。单向通信系统只有一条通信链路，由轮胎模块将检测的轮胎数据发送给中央接收模块，一般采用无线发射芯片和无线接收芯片实现数据的发射和接收。无线射频通信是一种高频通信方式，TPMS所占用的频段在不同的地区有不同的标准，北美为315MHz，欧洲433.92MHz，韩国448MHz，目前我国还没有制定TPMS占用的频段标准，很多厂商参照欧洲标准即433.92MHz实现高频通信。单向通信成本低，结构简单，但是由于系统是轮胎模块单向地与接收模块通信，接收模块不能控制轮胎模块的工作，只能被动地接收轮胎数据，其重点要解决的问题是轮胎模块的定位设计和信号免碰撞功能设计20。双向通信主要有两种，双向高频通信和高频/低频通信。双向高频通信为系统增加了另一条高频通信链路，通过向系统增加额外的发射芯片和接收芯片或者集收发于一体的无线收发芯片实现，该系统要解决的主要问题是系统能耗问题。而高频低频通信为系统增加了一条低频通信链路，通过向接收模块加入了4个低频触发器、向轮胎模块分别加入了一个低频接收器实现，接收模块可以通过低频触发器发射低频信号来控制轮胎模块的工作状态，该系统可以很好地实现轮胎模块的自动定位以及信号的免碰撞功能，但是该系统成本较高，而且需要将4个低频触发器安装在轮胎附近，安装复杂21。直接式TPMS工作原理的本质在于是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接测量轮胎的压力和温度，并对各轮胎气压进行显示及监控。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向无线接收模块报警，有效防止爆胎；可以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求；缺点在于无线电波容易受到干扰，轮胎压力监测模块需要的电池存在使用寿命的问题22。直接式TPMS系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的轮胎压力监测模块（以后简称轮胎模块）和安装在汽车驾驶台上的中央接收模块（以后简称接收模块）。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的轮胎模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波发射出去。一个TPMS系统有4个或5个（包括备用胎）轮胎模块。接收模块接收轮胎模块发射的信号，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，提醒驾驶者采取必要的措施23。1.4 本文主要研究内容由上面有关内容可知，直接式TPMS系统可以直接显示出每个轮胎内部压力和温度的实时数据，使驾驶者直观了解轮胎的使用状况，从而能更好地预防轮胎爆胎，因此，决定针对直接式TPMS进行相关的研究。其工作原理为：首先是放置在轮胎内部的发射系统对轮胎内部的压力和温度进行在线的测量，然后把测量到的数据进行相应处理后，通过无线传输的方式发送到位于驾驶室中的接收系统，接收系统对接收到的数据进行相应的处理，然后在显示面板进行数据的显示，如果轮胎压力和温度出现异常情况的话，进行相应的声光报警。由于现有方案及产品大部分在功耗管理，无线数据通信可靠性以及产品价格等方面还有待改进，所以本课题的研究内容主要集中在以下述几个方面：1. 分析比较当前国内外TPMS系统的现状和优缺点，为TPMS整体方案的设计提出参考。2. 确定TPMS的整体方案和应该实现的功能和性能。3. 根据系统的应用环境和功能要求，需要系统具有体积小、抗干扰能力强、低功耗的特点，因为轮胎模块是放置在轮胎内部，还需要具有耐高压、耐高温、耐腐蚀等特点。按照这些要求，来进行轮胎模块和接收模块的硬件设计。比如元器件选择上需要选用体积小、集成程度高、可靠性高的芯片；并采取相应的硬件可靠性措施，设计抗干扰能力强的功能电路；选用容量大的专用TPMS锂亚电池以提高轮胎模块的电池使用寿命等。4. 研究TPMS系统中，测量、处理数据和传输的高效率算法及其软件实现，延长轮胎模块电池的使用寿命和提高系统可靠性。第2章 影响轮胎性能的主要因素轮胎是汽车的主要部件，价值昂贵，在机械成本和运营费中约占20% 30%；另一方面，轮胎又是易损件，耐磨性能和耐切割性能较差，使用寿命较短，使用条件相对苛刻。要想采取有效措施保证行车安全，就必须分析对轮胎性能有影响的因素。2.1 轮胎的分类汽车轮胎按用途可分为:轿车轮胎、重载车轮胎和特种车辆及工程机械用轮胎等。按轮胎结构特点可分为：斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎。按轮胎花纹可分为：普通花纹轮胎(横沟花纹轮胎与纵沟花纹轮胎)，混合花纹轮胎(横沟与纵沟兼有花纹轮胎)和越野花纹轮胎(砌块花纹轮胎)。按轮胎内空气压力大小可分为：高压轮胎(气压为490686kPa)、低压轮胎(气压为196490kPa)和超低气压轮胎(气压为196kPa以下)。此外，还可按轮胎帘线类型分为:钢丝轮胎、尼龙轮胎、人造丝轮胎和聚酷帘线轮胎等。以上各类轮胎又可分为有内胎与无内胎的两种基本形式。无内胎轮胎的结构如图2-1所示，由气密层、密封胶和特殊结构的胎圈等部分构成24。1橡胶密封层 2自粘层 3槽纹 4轮辋 5气门嘴 图2-1 无内胎轮胎结构示意图Fig.2-1 Schematic diagram of tubeless tires气密层是贴于胎里表面并延伸至胎圈底部的一层厚约0.53mm的胶层，其作用是防止压缩空气渗入胎体引起脱层。由于它与胎体形成一体，并不像内胎那样受到拉应力，所以受伤后并不会迅速扩大裂口，使气压下降。无内胎轮胎胎圈底部斜度较大，胎圈直径较轮毂直径小，与轮毂边缘相接触的“密封胶”部位的曲率较轮辋边缘曲率大，因此胎圈能与高精度的带有金属气门嘴的轮辋之间形成可靠的密封。由无内胎轮胎结构可知，无内胎轮胎具有以下优点：1. 在汽车批量生产中，轮胎安装更简单，更快捷。2. 气密性能好，轮胎受小的损伤时能自动封闭。3. 减少汽车因轮胎故障在路上停留时间(不必更换内胎，修理时轮胎不必从轮上卸下来，修理简单)。4. 没有内胎和衬垫，结构简单，且没有内胎与帘布层的摩擦，提高轮胎寿命。目前，轿车已广泛使用无内胎轮胎，一些新型载重汽车己开始使用无内胎轮胎，但目前的应用尚不十分普遍。这主要有两个原因:一是很多司机局限于以往的经验和眼前需要，不愿更换;另一是无内胎轮胎需要安装在深式轮辋上，而这种深式轮辋与目前所用的轮辋不能互相替换。因此运输公司为了换用无内胎轮胎存在着投资损耗和编制问题，从而使无内胎轮胎在载重汽车上的普遍使用受到了限制。但是无内胎轮胎在诸多方面的优势使它成为轮胎的发展趋势，相信在不久无内胎轮胎将会在各种车辆上得到广泛得应用。本文正是基于无内胎轮胎设计的一款轮胎压力监测系统。无内胎轮胎的良好应用前景也为本系统的应用提供了保障25。2.2 爆胎的原因汽车爆胎是指因轮胎某一局部机械强度被严重削弱，胎压失去平衡而突然爆破的故障.爆胎一旦发生，轻则汽车将发生剧烈的侧滑、甩尾，重则汽车将连续翻滚.这样，不仅危及爆胎汽车自身安全，而且也会引起与附近车辆和行人发生连续碰撞，造成重大交通事故。汽车发生爆胎事故的原因是多方面的。归纳起来，主要有以下几个方面：1. 汽车高速行驶时，因轮胎胎体变形而发热，相应的轮胎内压升高;同时轮胎在负荷作用下弯曲变形，帘线、钢丝和橡胶产生疲劳，胎体整体强度下降，因此，当轮胎碰到障碍物时，胎体受到过大的单位面积冲击力，轮胎就发生爆裂。2. 汽车高速行驶时，轮胎的流动阻力随行驶速度的增加而增大，达到一定的程度轮胎便发生驻波现象，轮胎不再是圆形，而是呈波浪形，胎体内部组织间的摩擦加剧，胎体温度升高，胎体内的帘线、钢丝和橡胶性能下降，部件间的附着力降低，导致各部件之间的分离、脱落，直到爆裂。3. 轮胎气压不足时，胎面接触地面面积增大，胎面与地面摩擦阻力加大，同时胎体各部件的变形量变大，轮胎内部组织间的摩擦也进一步加剧，这些因素都进一步加剧胎体升温。另一方面，因胎肩变形量大，容易引起帘线、钢丝和橡胶等材料扯断、拆裂，导致胎体强度下降，温度上升或强度下降到一定程度就发生爆胎。4. 车辆超载时，轮胎负荷过大。每条轮胎都标有该轮胎的负荷指数，如果轮胎超负荷运行，胎内气压增大，则轮胎变形增大，使胎冠剥离，帘布破裂，胎体温度迅速升高，更容易爆胎。5. 车辆超速行驶时，由于轮胎与路面的摩擦加剧，轮胎屈挠频率升高，使轮胎温度与内压上升，加速了帘布胶质老化和帘线疲劳，造成早期脱层和爆裂，出现行车事故。由上可见，爆胎现象与轮胎压力和温度的异常有着密切的关系，只要能及时发现轮胎压力和温度的骤变，就能避免爆胎事故的发生。2.3 温度对轮胎性能的影响汽车行驶中，轮胎连续不断的发生伸缩变形，橡胶与帘线，帘线与帘线，外胎与内胎及胎面与地面等均会发生摩擦，产生大量的热量；此外轮胎的构成材料并不具有良好的弹性，这些材料在轮胎的行驶过程中也吸收能量，并将其转化为热量，具有较大的“滞后损失”；而轮胎本身不易散发热量，于是胎体温度逐渐上升，导致橡胶及帘线的强度下降。试验表明，当温度由0升到100时，橡胶的强度及帘线的附着力大约降低50%，不同材料的帘线，其强度也有不同程度的下降。温度升高引起材料疲劳，强度降低，当应力超过帘线的强度时，帘线就会折断。轮胎变形使帘布层之间产生剪应力，当剪应力超过帘布与橡胶之间的附着力时，就会出现帘布松散或局部帘布脱层。温度超过125时，轮胎就会脱空分层发生爆破。另外，轮胎温度升高还将造成轮胎气压随之升高，使帘线所受的应力加大轮胎的正常工作温度应为105左右，当大气温度为25时，则允许轮胎温升为80。在标准气压下，气温每升高5，轮胎气压增加510kPa。此外，轮胎比正常工作温度每升高1，磨损强度增加2%。一般在同一路面、同一车速下行驶，气温升高5，轮胎使用寿命缩短45%。轮胎的生热和温升不仅影响其使用性能，而且对汽车油耗也有很大的影响。据报道，轮胎的能量损失占轿车总能量损失的5%，占载重汽车总能量损失的10%。由上可见，轮胎的温升对其安全性能和使用寿命的影响很大。因此，对轮胎的温度进行实时监测，当温度升高到一定数值时对司机提出报警，提示司机进行相应处理，可以有效地降低爆胎事故的可能性并提高轮胎的寿命。需要注意的是，当行驶中发现轮胎温度过高时，不应通过放气或泼冷水的方式进行处理，而应降低车速，将车停在阴凉通风处降温。原因是当轮胎的温度升高到吸热量与散热量平衡时，其温度和压力就不再升高。若采用放气的办法来降温降压，结果会适得其反，轮胎的温度不仅不会降低，反而会由于气压降低，变形增大而继续升高，致使气压也随之升高，直到轮胎的散热量与吸热量达到新的平衡为止。如果这时再次放气，则轮胎的温度会上升得更高，从而给轮胎带来严重损害，大大降低轮胎的使用寿命。若用泼冷水的办法降温，则会因降温过快导致轮胎胎面和胎侧胶层收缩不均，产生裂纹，缩短轮胎的使用寿命。2.4 压力对轮胎性能的影响在影响轮胎性能的诸多因素中，充气压力是极其重要的一个。轮胎气压对轮胎的承载性能、高速性能、制动性能、防浮滑性能、耐久性能、抗刺穿和耐爆破性能都有着重要影响，可以说，气压是轮胎的生命。具体影响有一下几点：1. 气压过低对轮胎性能的影响：气压过低，轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产生压缩应力，随着胎温升高，易使胶料的物理性能受到破坏，从而导致以下影响：a. 轮胎在负荷下变形加大，胎肩与地面接触部分的磨耗增大，胎面磨耗不均，轮胎生热快，造成脱层。b. 轮胎碰到障碍物时，由于冲击力大，胎体帘线易断裂，致使轮胎爆破。c. 轮胎生热高，加速内胎损坏。d. 并装双胎气压过低，相邻的两胎胎侧互相挤压、摩擦而损坏。如一胎气压过低，则加大另一胎的负荷而促使轮胎早期损坏。e. 外胎在轮惘上有时发生转动，易引起气门嘴脱落，而且驱动轮上的轮胎易损坏。f. 轮胎滚动阻力增大，燃料消耗增加，转向性能差。g. 在坏路面上高速行驶，造成胎冠损伤有小洞眼、花纹掉块。h. 在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎体脱离、胎里和胎体碾伤。i. 轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增加或移位导致过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散。2. 气压过高对轮胎性能的影响：气压过高，轮胎帘线过度伸张，胎体弹性降低，刚性增大，单位压力增大，胎冠部接地面积减小，同时磨耗增加，胎面花纹易裂口，行驶中一旦受到障碍物冲击，便会产生内裂或爆破。汽车在同样使用条件下行驶，轮胎缓冲性能差，冲击震动大，操纵性能差，特别是在坏路面上行驶时，轮胎易产生机械损伤，影响行车安全。3. 气压与行驶里程的关系：气压过低或过高都会缩短轮胎行驶里程。气压过低，轮胎变形为外张内缩，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，磨耗量增大。2.5 本章小结本章介绍了轮胎的分类以及发展趋势，着重阐述了无内胎轮胎的优点以及应用前景，指出了无内胎轮胎的广泛应用是必然趋势。同时，本章分析了爆胎的主要因素：胎压过高、胎压过低及胎温过高。第3章 TPMS总体设计3.1 设计要求根据美国法规所规定的轮胎压力监测系统的功能要求，TPMS能够准确监测汽车轮胎的压力和温度，当轮胎状况超出正常范围时，系统则向驾驶员报警。由于安装在一辆汽车上的系统有四个轮胎模块，且装有相同产品的其他汽车上也有轮胎模块，都工作在同一频率上，所以系统应该避免同频率信号之间的干扰现象，保证无线信号的正确传输。汽车在使用过程中，由于轮胎的速度和受力不均，会造成不同轮胎的不同程度的磨损。根据汽车轮胎保养手册，必须定期对汽车轮胎进行换位，这样能有效地延长轮胎的使用寿命，并且保证行车安全。因此，该系统必须具备在汽车轮胎换位之后的传感器模块重新定位功能。在安装该系统之后，有可能因为使用不当，或者轮胎拆装过程中不留意，从而造成轮胎内的传感器模块不工作或者硬件损坏。从经济方面着想，只需要购买和更换该被损坏的传感器模块，所以系统必须具备更换新的传感器模块之后的重新学习功能。本文设计的TPMS系统，设计要求如下：1. 以四轮小型汽车为设计目标。2. 直接式。轮胎模块定位于轮胎气门嘴。整套系统由四个轮胎模块和一个接收模块构成。3. 后装式。供应后装市场，轮胎模块与接收模块之间采用无线通信的方式。4. 系统为有源TPMS，轮胎压力检测模块由电池供电。接收模块显示各个轮胎的压力和温度参数，当某个轮胎的压力过高或过低和温度过高时，发出报警声。5. 实时监测每个轮胎的压力和温度状况。6. 当某个轮胎的压力、温度状况出现异常时，显示器模块声、光报警，并根据此时的轮胎压力、温度数值，通知驾驶员属于哪种报警状态。7. 系统能很好地区分同一辆汽车上各个轮胎模块之间、不同汽车上轮胎模块之间和轮胎模块与其它电子产品之间的无线信号。8. 系统出厂时，己经在数据显示端对四个轮胎做好了定位处理，无需用户在系统安装时学习轮胎信号。9. 系统出厂即已经设定好科学合理的压力标准值和温度阀值。10. 当轮胎磨损需要换位保养时，可以通过人机界面方便快捷地重新定位各个轮胎。11. 当某个轮胎内的数据采集模块损坏需要重新更换时，系统提供用户操作简便的重新定位功能。本研究针对的主要是轿车市场，一辆轿车需要4个轮胎模块和一个接收模块。根据收集到的相关资料，并参考同类，本系统提出了以下的性能指标要求：轮胎模块：1. 产品使用寿命：6年以上（平均每天行驶5小时）2. 工作温度：-40到1253. 压力测量范围：100kPa到450kPa4. 发射频率：433.92MHz5. 调制方式：FSK6. 发射功率：5dBm到10dBm7. 压力测量精度：1.5 kPa8. 温度测量精度：19. 工作电压：3.6V接收模块：1. 电源：车载电源2. 工作温度：-20到803. 接收频率：433.92MHz4. 调制方式：FSK5. 接收灵敏度： -100dBm6. LCD实时显示7. 声光报警3.2 方案设计的主要问题3.2.1 TPMS的工作环境轮胎压力监视系统是用于测量轮胎压力。它的轮胎模块被埋置于轮胎内部，工作在轮胎封闭的环境中。故而轮胎的压力信息传递必须通过无线通信来解决。工作时轮胎处于高速旋转的状态，因而必须固定牢靠。在真空胎中可很容易地解决这一问题。此外，轮胎模块是固定在轮胎里的。当发射部分随着轮胎转到背向主机时，由于金属轮毂对信号有屏蔽作用，接收灵敏度将有所下降。所以需要对发射部分的天线装置的设计多加注意，尽量减小由于轮胎转动和屏蔽所带来的负面影响。3.2.2 方案设计的主要问题我国，南方的最高气温高于40，而北方的最低气温低至零下40，并且汽车在高速行驶的过程中，汽车在高速行驶的过程中，轮胎与地面产生很大的摩擦热量致使轮胎内部气温远高于环境温度，因此对安装其上的电子设备有宽温度范围的要求。轮胎模块为电池供电系统，有限的电池容量需要极为严格功耗控制才能确保系统的持续使用期限。频繁的更换电池会给使用者带来不便，所以，系统设计时需严格控制功耗26。直接式TPMS的轮胎模块安装在汽车轮胎内部（气门嘴或轮毂处），其物理尺寸在满足电路功能的条件下应尽可能小型化。数据采集及传送模块质量的大小，决定了安装载体轮胎动平衡调整的难易程度。综合起来，该产品的主要技术要求如下：1. 体积小，尤其是轮胎模块的体积要尽可能的小。2. 功耗低，尤其是轮胎模块的功耗要尽可能的低。3. 可靠性，系统的抗干扰能力要好。因为，模块间采用的是信号的无线传输，在传输的过程受到各种各样的干扰。因此，对于直接式TPMS系统，在方案设计的时候要考虑这几个问题。3.2.2.1 器件的选择 TPMS的轮胎模块包含的组件有传感器、微控器、RF电路、天线和电池。汽车制造商要求直接TPMS的电池能维持至少6年以上。电池必须重量轻，体积小，电量大，且工作温度必须为40到125，。由于这些限制，电池往往选择的是钮扣式电池而不是大号电池。组件除了要尽可能的低功耗外，压力传感器的介质兼容性和可靠性对TPMS而言至关要。如果没有这些关键特性，整个系统的精确性和可靠性将成问题。所谓传感器介质兼容性，主要指的与不同种类的介质，如水杨酸、污水、磷酸钠等接触时所表现出来的不受干扰性。因为轮胎模块是内置于轮胎内部的，所以电子组件面对的是轮胎内部的恶劣环境，除了40到125的宽工作温度范围外，还将面对潮湿、灰尘和刹车油等其他介质的侵袭。TPMS传感器特别容易被腐蚀，因为它的压力进口必须与空气接触才能监测周围的压力。介质兼容性确保传感器能得到全面保护27。3.2.2.2 功耗 轮胎模块装置在轮胎内部，更换电池不便，所以轮胎模块的功耗管理显得尤为重要。减少功耗可以从硬件和软件上两方面考虑。硬件低功耗设计就是选择低功耗组件、使用具有集成功能的组件来减少组件数量。采用运动开关或加速度传感器，当车辆处于停车状态时，轮胎模块停止运行，取消发送以节省电量。多数情况下，车辆处于停车状态的时间比真正行驶时间要长得多。因此这种方法可以大幅度节省电量。另外在电路设计的时候，要避免与微控制器管脚直接相连的电阻在休眠状态下消耗电能；对高阻输入的I/O引脚，应该在外部上拉到高电平或者下拉低电平，以免悬空状态下的杂散信号侵入引起开关电流。软件设计中高效的算法可调节发射和测量频率。在软件设计的时候，可能要考虑以下这些问题：1. 数据测量的频率是多少？如果测量频率高，加大电量的消耗；如果频率低，容易漏报，不能实时的监测轮胎的状态。2. 如何判断汽车是否处于行驶状态？在汽车停止行驶的时候使整个系统处于睡眠模式，这样可以大幅度节省电量。3. 数据发送的频率是多少？延长发射间隔显然可以降低功耗，但需要在此与数据可靠性和用户获取信息的及时性之间进行权衡。4. 是否需要重复发送数据？因为对一个完整的直接式TPMS系统而言，4个轮子中的轮胎模块同时工作。而这4个模块都是相互独立的，无法互相交流，所以在和唯一的中央监测器通信时，必然存在一定的冲突概率。并且轮胎模块工作环境十分恶劣，干扰强，存在一定接收不到的概率。5. 每个数据帧的长度设为多少？发射芯片发射数据时要比轮胎模块上其他任何部分消耗更多的电池能量，因此传输较短的数据帧能显著延长电池寿命。3.2.2.3 可靠性 TPMS的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要指标。因此在轮胎监测系统的设计中，特别是涉及到了高频无线信号，必须考虑与设计系统的抗干扰能力。抗干扰设计主要包括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计，由于系统在高频无线信号的收发，还应该特别关注了高频线路印刷电路板的设计28。在系统的硬件设计中，为了消除高频信号对数字电路的干扰，在微控制器，传感器等数字芯片的电源供应端，并联电解电容，消除高频信号的干扰29。在元件布局和布线设计中，电源线尽可能的粗些，地线进行覆铜，按键尽量的远离微控制器，因为它会产生较大的电磁干扰30。对一些信号线，尽可能粗和短，拐角时走135度斜线或者弧线，避免90度拐角；进行“包地”等屏蔽，数字线与模拟线分开走线，若无法避免，则两者应垂直走线，大电流快变信号线尽量靠近地线，必要时，采取电容滤波；PCB外接信号线尽量缩短。系统中时钟信号关系到微控制器的运行和信号的无线收发，为避免干扰，采取以下措施：晶振与芯片引脚的连线尽可能的粗和短，用地线包围振荡电路，大电流快变信号远离晶振连线31。硬件系统采用的抗干扰措施，只能抑制高频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统，因此，除了采用硬件抗干扰方法外，还必须采用软件抗干扰措施。采用软件抗干扰的前提是系统的抗干扰软件不会因干扰而受到损坏。由于程序及一些重要的数据放在ROM区，这就为软件抗干扰设计创造了良好的前提，并且在系统中所有RAM区的数据在破坏后，系统复位的情况下，完全能够重新建立，这些都为软件的抗干扰设计提供了条件。干扰引起的程序运行失常，以至于系统的失效，是一种比较严重的干扰后果，一般会造成程序跑飞或者陷入死循环，对这种干扰后果的软件对策主要是发现失常时，能够及时引导程序恢复原始状态。 对于干扰引起无线通讯信号变化的抗干扰设计，考虑采用哪种调制方式，以提高了通讯的抗干扰能力，再者通讯数据中采用哪种校验，提高数据的检错率。3.3 TPMS的方案的总体设计3.3.1 硬件的总体设计系统方案的总体框图如图3-1所示。这个轮胎压力监测系统需要四个轮胎模块和一个接收模块，四个轮胎模块和接收模块进行无线传输。图3-1系统总体框图Fig.3-1 Block diagram of System general3.3.1.1 胎模块的硬件总体设计 轮胎模块的功能主要有两种：信号采集处理和信号发射。从传感器采集的信号，由微处理器完成采样，然后由微处理器进行数据分析处理，再进行软件编码，将数据帧送给射频发射电路；信号经调制后发射给接收模块。设计框图见图3-2。图3-2 轮胎模块框图Fig.3-2 Block diagram of tire module3.3.1.2 收模块的硬件总体设计 接收模块的功能主要有信号接收、信号处理、显示数据和报警，包括射频接收电路、信号处理、显示报警及人机接口四部分；如图3-3所示。由轮胎模块发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给微处理器。微处理器再进行译码，从数据帧中提取各轮胎的位置和压力值和温度值等；然后作出相应的处理，如更新当前压力和温度等值，声光报警等。人机接口部分主要包括LED指示灯，按键等。图3-3接收模块框图Fig.3-3 Block diagram of recive module3.3.2 轮胎模块软件的总体设计软件总体分为睡眠模式和工作模式2种运行模式。睡眠模式是以最低的功耗运行，响应系统的运行要求。工作模式主要完成以下功能：1. 定时测量轮胎压力、温度等状态量；2. 压力在不同级别区域内有报警时，同一个级别只上报一定次数。3. 压力无明显变化，固定间隔时间段上报一次压力、温度。4. 保证系统可靠性，系统每隔一定时间复位一次。5. 不同级别报警同时出现，则以高温、高压、低压级别的优先级报。3.4 轮胎定位技术研究3.4.1 轮胎定位和重定位问题汽车因为前后左右车轮负荷不均、前轮负责转向、前后轴悬挂角度不同等原因，通常各轮胎磨损的位置和程度也不同。前驱动前转向车为了提高过弯中的稳定性，多数后轮外倾角比前轮大很多，像外“八”字型（也有少数车做成内“八”字型，这是悬挂设计决定的），所以后轮就容易内外偏磨，此时轮胎截面成梯形。后轮驱动也会出现相应的轮胎偏磨现象。为了延长轮胎的使用寿命，达到四个轮胎同步均匀磨损的效果，就需要定期进行轮胎换位。在轮胎换位的过程中，相应的胎压遥测模块也会换位。这就导致了原来存储在接收模块存储器中的ID码与各轮胎对应关系表失效，如果不更新表项，显示就会错位。同样，如果调换新的轮胎，或者某一轮胎的胎压遥测模块损坏，用户需要更换该模块时，新模块的DI码与已损坏的胎胎模块不同，且不在现存对应关系表中，导致更换模块的信息不可识别而被丢弃。这样在轮胎换位或调换轮胎时就存在一个轮胎重新识别的问题。3.4.2 TPMS轮胎定位技术研究目前为了解决TPMS轮胎更换和轮胎换位时的定位以及重定位问题，主要采用了定编码形式，界面输入，低频唤醒，天线接受近发射场等四种定位技术。然而这四种技术在实际应用中都存在着明显的不足。作者在对一个直接式TPMS系统的设计和研究过程中，研究开发了区分传感器和界面输入混合使用的轮胎定位技术，使得轮胎定位更简单有效32。1. 定编码形式：接收显示模块中微控制器的存储器中的码与轮胎对应定位关系信息在出厂时固化。在TPMS胎压遥测模块的外壳上有标记，安装时按照标记将胎压遥测模块安装在对应的轮胎内。不足之处是：使用中不能安装错位，否则定位混乱，同时若一发射模块损坏，用户不能方便地从市场上购买到相同码组的模块更换，必须到厂商购买与前一损坏模块编码一致的模块。轮胎换位时，胎压遥测模块不能跟随轮胎的变动而变动，而必须按照其标记位置重新拆卸和安装，非常麻烦。2. 界面输入式：该定位技术是将每个胎压遥测模块的识别ID码打印在外包装或产品上，但当轮胎换位或发射模块损坏后，就将识别ID码按键输入到接收端，进行重新定位。不足之处是：识别ID码一般都很长，所以输入就非常不方便，用户也容易出现码组输入错误的问题。而且按键多，在本来就仪表众多的车上，将会显得十分突兀。3. 低频唤醒式：这是目前各大开发公司用的比较普遍的一种技术。该定位技术是利用LF（低频）信号（125kHz）的近场效应。在该方案中，TPMS系统可以结合遥控车锁技术或在中央监视器上集成LF发送模块。通过近距离对相应轮胎发出LF信号，单独触发对应轮胎的胎压遥测模块，然后被触发的胎压遥测模块将身份识别码通过RF发射，接收模块RF接收得到相应轮胎模块的身份识别码，从而自动确定轮胎位置。TPMS系统通过单独触发各个胎压遥测模块，可以依次收集各个轮胎的数据，避免了定时随机方式可能发生的数据发送：“撞车”事件，提高了数据发送成功率。该定位方式的不足之处有三个：a. 胎压遥测模块需要四个LF天线，增加了布线量。b. LF信号可能会误触发相邻的发射检测模块。c. 由于汽车上电磁环境复杂，存在各种千扰，会对低频信号造成干扰，导致身份识别失效。4. 天线接收近发射场式：该定位技术是接收显示模块有四个接收天线，分别延伸到每个轮2030cm的近场内，接收天线由数控微波开关控制。当需要接收某个轮胎胎压遥测模块的信息时，只闭合靠近该轮胎的接收天线的微波开关，而关闭其它微波开关。该定位技术的不足之处在于：a. 天线布线复杂，微波开关成本高，而且目前技术水平下RF开关隔离度不够，有串码（即接收到了别的轮胎的信息）的可能。b. 由于汽车上电磁环境复杂，存在各种干扰，也存在定位失效的可能。c. 射频开关的导通时序是按一定规则的，而4个轮胎发射检测模块的发射是随机的，故存在某个轮胎附近的射频开关导通时，该轮胎的发射检测模块正好没有发射信号的可能，导致漏帧。5. 区分传感器和界面输入式：所谓区分传感器，即轮胎模块在出厂时即设定好安装位置。需要占用单片机两个通用I/O口，通过短接高/低电平实现一个非常简单的二元编码。比如00代表前左、01代表前右、10代表后左、11代表后右。这两个bit将被作为发送帧的一部分送至中央监视器，由微控制器译码后决定接收数据的归属。当然为了避免接收到其他汽车上的无效信息，传感器唯一的ID码是必须发送的，接收模块微控制器需要存储属于本车系统的4个传感器ID。 实现流程如下： a. 轮胎换位：需要按键修改中央模块的轮胎位置设置。在默认的情况下，如前所述，00代表前左、01代表前右、10代表后左、11代表后右。但由于行驶中后轮容易磨损，而可能需要将前后轮换位，继续行驶。此时，需要记住换位前后4个轮胎的位置，并在中央监视器中进行相应的设置修改。比如前左和后左轮胎换位时，10就代表前左、而00则代表后左。此时中央监视器就需要变换原来前左和后左的轮胎位置信息，从而实现换位更新。b. 轮胎更换：因为同类产品在出厂时就已经设定好位置，所以只需购买与欲替换轮胎相同位置的胎压遥测模块即可。但是此时传感器唯一ID显然发生了变化，所以中央监视器需要具有“学习”的功能。这可以通过设定接收到同一旧次数超过某预设值后即认为这个ID属于本系统。也就是说，新的传感器在安装后的短时间内，可能会由于系统的自我保护性，而不被原系统认可。但考虑到新安装轮胎出现问题的概率非常小，而且从安装完成到起车本来就可能有一段比较长的时间，所以这段时间的漏帧并不会对系统造成任何不利的影响。3.5 TPMS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、供货等因素。3.5.1 传感器的比较与选择TPMS传感器是包括压力传感器、温度传感器、电池电压检测、内部时钟等组件的智能传感