基于单片机的轮胎压力检测报警器的设计与实现

1、 目 录1 绪论11.1 课题的提出背景及研究意义11.1.1 课题的提出背景11.2 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势21.2.1 tpms 的应用现状21.2.2 当前国内外相关技术的发展趋势32 汽车轮胎气压实时监测系统工作原理52.1 系统工作原理52.1.1 轮胎爆胎机理52.1.2 轮胎气压实时监测算法72.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计82.2.1 系统方案论证82.2.2 系统设计要求92.2.3 系统方案设计113 汽车轮胎气压实时监测系统的硬件设计133.1 系统硬件设计133.2 轮胎模块设计133.2.1 核心微控制器 mc68hc908rf2143.2.2

2、 测量电路设计153.2.3 发射电路设计163.3 主机模块设计193.3.1 核心微控制器 mc68hc908kx8193.3.2 接收电路设计203.3.3 人机接口213.4 显示电路设计223.5 系统功耗设计243.6 系统硬件设计的抗干扰技术264 汽车轮胎气压实时监测系统的软件设计274.1 系统软件设计274.2 mc68hc908 系列微控制器的程序开发274.2.1 汇编程序框架结构284.2.2 汇编程序框架结构284.3 轮胎模块的软件设计294.3.1 轮胎模块的监控软件及其中断子程序304.3.2 传感器测量程序及算法314.4 数据无线收发模块的软件设计324.

3、4.1 数据无线收发的通信协议334.4.2 数据无线发射软件设计344.4.3 数据无线接收软件设计354.5 主机模块的监控软件设计364.6 汽车轮胎气压实时检测系统软件设计的特点375 结论395.1 本文工作总结395.2 今后待研究的问题39参 考 文 献41致 谢43第 i 页 共 ii页1 绪论汽车时代的到来，改变的不仅仅是人们的代步方式，更有人们的生活方式乃至整个社会文化。同样，一个时代的典型核心技术产品也带动着整个产业的技术发展趋势。随着家用汽车对现代家庭日常生活的冲击，汽车的安全与环保，已不仅仅是汽车产品性能的体现，更代表着未来汽车工程科学与相关学科的发展方向。智能化系统

4、无处不在地发挥着它们的效能，为人类社会文明进步、经济发展保驾护航，同样也被大量地应用到汽车产品上。把现代电子技术的发展成果应用到汽车产品上的汽车电子技术，必将有力地推动安全、环保的汽车时代的到来。1.1 课题的提出背景及研究意义 轮胎气压实时检测系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测装置，在汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动监测一种先进主动式安全装置，国际上通常又被叫做轮胎压力监测系统，英文通称 tire pressure monitoring system，简称 tpms1。轮胎压力监测技术是当前汽车工业领域汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车的智能安全及环保节能的发展方向，将成为未来汽车必备

5、的安全驾驶配备之一，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。1.1.1 课题的提出背景 轮胎是汽车行驶系统的重要部件之一，其性能的优劣，将直接影响汽车的行车安全和运行效率。保持合适的轮胎压力是每个汽车驾驶员都应时刻关注的问题，轮胎充气压力超过或低于标准压力值，轻则增加车辆油耗，缩短轮胎使用寿命，重则威胁行车安全。轮胎气压不足，容易导致轮胎内壁帘线的松散断裂；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。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 0.03mpa时，轮胎的正常使用寿

6、命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 15%20%；对于轿车，其轮胎压力每下降 0.05mpa，其承载力就减少 100n1。根据德国联邦统计局的车辆事故统计数据，约 80%的轮胎漏气是由于轮胎气压不足造成的。可见，标准的轮胎压力对汽车的正常行驶极其重要，这在汽车高速行驶时显得更为突出。 当汽车高速行驶时，如果轮胎压力低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同，会造成局部超载而加剧轮胎的磨损；由于气压不同的双轮胎并装，使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损或爆胎。

7、安全专家指出：时速超过 160 公里以上，爆胎而造成的死亡率几乎接近 100%。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，而在美国这一比例高达 80%，每年有 26 万起交通事故是由于轮胎压力偏低、偏高或渗漏引起的，造成巨大的经济损失和生命危害。 综上所述，本文的研究意义主要体现在以下几方面：首先，随着我国汽车工业的发展和人民生活水平的提高，汽车越来越多地进入普通家庭，汽车行驶的安全性也越来越为人们所重视。潜在的巨大市场需求和系统实现上的技术可行性条件成熟，使得研究轮胎压力和温度监测系统已刻不容缓。 最后，随着美国政府出台对汽车轮胎压力监测产品强制性安装的法规，欧洲和日本也处于

8、建议安装阶段，使得这一技术的应用前景极为看好。良好的应用前景和巨大的市场规模将有力地推动该技术的推广，并取得巨大的经济效益和社会效益。1.2 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势轮胎压力监测系统（tpms）技术早在上世纪 80 年代就已提出，但由于当时缺乏有效的技术条件和成熟的市场环境，而仅停留在设想层面上。随着近几年来汽车工业和交通事业的发展，汽车的速度越来越高，拥有汽车的家庭越来越多，由轮胎爆胎引发的大量交通安全事故使这一课题成为研究热点。结合新的无线射频应用技术和集成电路工艺，研制 tpms 已经提到日程上来。1.2.1 tpms 的应用现状 在 tpms 及相关技术的研究发面，西方汽

9、车工业发达国家在近几年都取得了相应的进展，出现了一批新产品。早在 1996 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的 mark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。2002 年，约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统被国际汽车工程（ael）评为当年 20 个最有价值的汽车产品之首。这个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。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。此外，还有一

10、些同类相关产品问世，如西门子 vdo 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵（tire guard）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（tire shield）监测装置；法国米其林集团公司与威柏可（wabco）公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置；德国 beau 公司与美国 lear 公司联合推出的轮胎压力实时监测系统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案。从最近发布的世界新车资料中得知，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了 tpms。从以上这些目前国际市场上的汽车轮胎压力监测技术产品来看，

11、通过对轮胎压力的监测来实现预防轮胎行车故障进而提升汽车安全性能，已成为当前汽车安全技术的新发展方向，也揭示了一种新的行车安全防范理念。美国及欧洲一些技术先进国家开展轮胎压力监测装置技术的研究很早，而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。目前，国内轮胎压力监测装置的相关产品虽然推出较多，但据对相关市场的调查了解，都是技术性能不甚完善、可靠性较差的简易系统产品，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，要么工作可靠性较差，在这方面的技术成熟产品基本还是空白。性能可靠、功能完善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理，如来自日本的汽车轮胎压力监测装置“汽管严”，但价格高昂。因此，研

12、制性能可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要。1.2.2 当前国内外相关技术的发展趋势当今的汽车轮胎压力监测系统在实现方式上可以归类为直接轮胎压力监测装置和间接轮胎压力监测装置2。直接轮胎压力监测装置，要求在每个轮胎内使用压力传感器，并安装无线发射器，用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的主机系统。间接轮胎压力监测装置，要求使用车辆防抱死制动系统（abs）来确定轮胎压力变化。abs 是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

13、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轮胎压力判别，并触发警报系统来向司机发出警告。每个系统都有自己的优点。直接系统可以提供更高级的功能，使用中可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统相对便宜，使用间接系统，已经装备了 4 轮 abs（每个轮胎装备 1 个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。根据美国交通部门的统计，在2000年时，安装了abs系统的车辆已占总车辆数的67%。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

14、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。2 汽车轮胎气压实时监测系统工作原理轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性、通过性、平顺性、稳定性、安全性和舒适性等。在汽车高速行驶过程中，轮胎爆胎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。因此，汽车轮胎气压实时监测系统的研制在提高行车安全、延长轮胎寿命等方面都有着重大的现实意义。本章主要来介绍汽车轮胎气压实时监测系统的工作原理。2.1 系统工作原理2.1.1 轮胎爆胎机理目前，国内由轮胎故障引起的突发交通事故的直接原因主要是轮胎充气压力的不足或过高。同时，国内的轮胎爆裂突发交通事故中也

15、存在着其它人为因素影响。由于技术解决方案是有针对性地解决技术领域内的问题，所以，对汽车高速行驶状态下存在的轮胎结构选用不当、实际行驶速度高于轮胎规定速度、轮胎花纹过度磨耗、胎体意外损伤及违规超载等因素，这里不作讨论范围。（1）充气压力对轮胎爆胎的影响气压是轮胎的生命，掌握轮胎的标准充气压力，并按标准充气压力对轮胎充气是非常重要的。轮胎制造商在设计制造各种规格的轮胎时，已确定了它的最大负荷和相应的标准充气压力，充气压力过高和过低都会缩短轮胎的使用寿命。试验数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03mpa 时，轮胎的正常使用寿命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 1

16、5%20%。充气压力过低，轮胎胎体变形过大，会产生过度屈挠运动，使内层受到的压缩力与外层受到的伸张力远远超过允许屈挠极限，造成轮胎过度生热，从而导致橡胶老化加速和帘布层脱层，严重时甚至会致使帘线折断，轮胎瞬间爆破。同时充气压力过低，轮胎的接地面积增大，胎肩的磨损加剧。如果双胎并装中有一条轮胎气压不足，行驶中大部分负荷将集中到另一条轮胎上，常常会造成这条轮胎严重超载。就车辆来说，轮胎充气压力过低，会造成轮胎侧偏刚度下降，拖矩增大，车辆的制动性能变坏，在高速行驶的条件下遇到紧急情况会非常危险3。气压过高，轮胎帘线受到过度的伸张变形，胎体弹性降低，车辆高速行驶时受到的动载荷（震动、应力来不及分散）增

17、大，如再受到冲击，轮胎会产生内裂或爆破。气压过高，轮胎的接地面积还会相对减小，以致胎冠中部在加快磨损的同时温度急剧上升，使胎冠容易爆破。气压过高还会致使轮胎减震性能变劣，导致车辆底盘部件损坏，使轮胎接地附着力下降，车辆的制动效果降低，成为高速行车的安全隐患。在汽车高速行驶过程中，轮胎气压低于标准值时，将加大胎侧的弯曲变形，轮胎会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度及承载能力，导致轮胎内壁帘线的松散断裂，最后导致轮胎的漏气或爆胎；轮胎气压高于标准值时，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，使轮胎磨损加剧，形成花纹底部开裂。又由于此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面

18、间的动载荷，使汽车的平顺性变差，导致汽车操纵性能降低4。另外，如果汽车前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果汽车后轮左右轮胎的气压不同，会使气压高的轮胎负载过重而出现磨损或爆胎。保持适合的轮胎气压不但可以保证轮胎的工作寿命，减少不必要的燃油消耗，更对汽车的安全行驶起着关键作用。（2）温度对轮胎爆胎的影响 轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。轮胎温度的升高除会使橡胶强度降低外，还会导致帘线强力降低。当轮胎温度从 0升高到100时，对尼龙轮胎来说，帘线强力会降低 20%左右，橡胶强度则下降 50%左右；轮胎温度高于临界温度（100以内是正常温度，100121是临界

19、温度，121以上是危险温度）时，橡胶强度和帘线强力降低更多，因此轮胎的温升对其使用寿命的影响很大。汽车在行驶过程中，特别是在高速公路上高速行驶时，驾驶员即使没有操作失误，轮胎也会突然爆破。究其原因，主要是与轮胎温升的影响有关，即轮胎会由于超过正常温度而爆破，而在轮胎爆破以前，其受热破坏的情况通常不易控制和掌握。当胎内温度超过 120时，轮胎结构层的强度将明显下降；当轮胎温度超过硫化点（140）时，轮胎的各组成部分将被破坏，失去承载能力5。由此可见，轮胎温升对轮胎使用寿命长短以及高速行驶状态下的爆胎发生率的影响很大。（3）其它因素对轮胎爆胎的影响一般来说，行驶速度越高，轮胎在单位时间内与地面的接

20、触次数越多，摩擦越频繁，变形频率越大；同时由于胎体的振动，周向和侧向产生的扭曲变形增大。当轮胎的转速达到临界转速时，胎冠表面的振动呈波浪形，即形成所谓的“驻波”，也叫静止波。静止波的滞后损失（轮胎的弹性变形来不及恢复造成）使轮胎压力与温度急剧上升，有可能在几分钟内就导致轮胎爆破6。显然，速度越高，振动频率越大，变形恢复越少（大部分变形转变为热能），轮胎温升越高，再加之内压增大，其后果必然是帘布胶的老化加速和帘布的耐疲劳性能降低，轮胎出现早期脱层或爆破现象。因此，轮胎的使用寿命与行驶速度成反比关系，即行驶速度越高，轮胎的生热越大，温升越高，受到的冲击力也就越大。在这种高速高温情况下，轮胎的胎面磨

21、损加快，早期肩空、冠空甚至爆破的情况会随时发生。车辆装载时，必须按轮胎的额定负荷装载客货。这是因为各类轮胎的额定负荷是根据轮胎的结构、帘布层数、强度以及标准气压和行车速度等设计的。如果轮胎在超负荷下运行，就会使其变形，特别是胎侧的弯曲变形增大，使胎肩部位的磨损加重。同时，胎体材料的分子摩擦及部件的机械摩擦也会导致轮胎内部温度升高和胎体帘布层脱层，从而加速轮胎的损坏7。总之，车辆超载越多，胎体的屈挠伸张越大，轮胎的升温速度越快，在高速公路上高速行驶时爆破的可能性就越大。此外，还有轮胎质量以及轮辋尺寸等影响轮胎气压实时监测的因素。从以上轮胎爆胎的主要原因分析来看，要想在汽车行驶过程中防范气压监测重

22、大误差的发生，除了加强交通运输规章管理、轮胎选型合理等人为措施以外，最直接有效的办法就是对轮胎的压力和温度状态进行实时监控。2.1.2 轮胎气压实时监测算法行车的安全以及高效率的运行要依赖于优良的轮胎性能，而对轮胎性能的实时掌握，必须要对轮胎的工作状态进行监控，根据轮胎状态参数的变化情况及时做出科学准确的判断，以预防危及行车安全的轮胎故障发生。在汽车由于轮胎而引发的事故的诱发因素中，分为不可避免因素和可避免因素两大类情况。其中，行车环境中变化的气温以及粗糙的路况等因素属于不可避免因素；适合的轮胎气压以及良好的驾驶习惯等因素属于可避免因素。对于不可避免因素，只能提高重视、加强警惕，将不可预测的偶

23、然性因素造成的损失降到最小。而本文所讨论的技术问题，只有针对可避免因素中那些采取技术措施可以预防的环节，通过监测可控因素来达到对轮胎爆胎的预警，才是合理有效的技术解决途径。综合上一小节本文对轮胎爆胎机理及影响因素的分析， 轮胎充气过度会导致抓地力下降，影响到汽车的舒适性、保护功能和轮胎寿命；同时轮胎会对冲击或碰撞较敏感，刹车性能降低。充气不足可能会导致油耗增大、轮胎过热、车辆操控不良，安全性能下降；引起胎体疲劳导致轮胎工作不佳或者无法修复及翻新，形成爆胎的隐患。如发现轮胎压力低于标准气压 20% ，即使临时补气，也只是紧急情况下不得已的缓冲之计，无法从根本上解决问题8。必须尽快到就近的轮胎店将

24、轮胎拆下来，由专业人员进行检查，否则可能会导致严重伤亡事故。若认为轮腔内的气压过高或过低都不会直接导致轮胎爆胎，只有胎体强度的下降才是导致爆胎的真正原因，通过监控胎体的结构变化来预防爆胎，不但实现起来比较困难，而且只能在轮胎出现事故前很短时间内监测到异常，虽然报警准确率会很高，但留给驾驶员处理故障的反应时间太短。因此，当前轮胎气压实时监测系统的预警算法主要集中在对工作状态下的轮胎压力和温度进行监控，这是当前比较容易实现同时也是比较有效的技术途径。以传感器技术和现代电子技术来实现上述监测功能，可以将轮胎实时监测系统算法细分为以下几种情况。（1）充气压力不足或过高：也就是根据事先确定好的标准轮胎压

25、力为门限阈值，对实测轮胎压力值进行判别，超出最大压力值或低于最小压力值就视为轮胎状态异常。（2）漏气导致压力持续下降：在轮胎温度比较稳定情况下，一定时间间隔内，轮胎压力连续下降且幅度较大，即使未达到（1）中异常条件，也视为轮胎状态异常。（3）轮胎温度急剧升高：在一定时间间隔内，轮胎温度上升幅度较大，即使未达到（1）中异常条件，也视为轮胎状态异常。对以上监测算法的具体实现，如标准轮胎压力值的确定、一定时间间隔的长短、压力和温度较大幅度变化的幅值等，都需要针对具体车型和轮胎型号进行具体分析与试验，才能最终得到准确可靠的气压监测算法。2.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计2.2.1 系统方案论证

26、就目前情况看，轮胎压力监测技术的种类繁多。按适用对象分类，可分为轿车专用、商用车专用、汽车/大型工程机械专用；按监测技术分类，可分为主动式和被动式；按功能分类，分为只监测充气压力的单一型，集监测充气压力、温度、受力于一身的综合型；按传感器的安装方式分类，可分为悬挂式和植入式。下面着重介绍几种方案： （1）磁敏法检测轮胎压力通过霍尔装置采用磁敏检测法检测轮胎的充气压力。其中轮胎气压传感器安装在车轮轮辋上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化，从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实

27、现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递9。车体的控制单元对经过调理的霍尔装置输出信号进行采样，并将数据送入存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎压力值及其状态。该方案优点是抗干扰能力和可靠性较好，但系统测量精度难以保证。（2）数字集成压力传感器及无线射频数据传输 随着集成电路制造技术的发展，出现了新型制造工艺表面微机械加工（mems），应用该技术制造出的集成多种功能的传感器芯片，克服了早期压力传感器体积较大、只能模拟量输出等不易应用于汽车轮胎压力实时监测的条件限制，为 tpms 技术的发展和普及提供了坚实的基础。 目前的轮胎压力监测系统主要以无线传输/电子测量为主要的工作方式，并逐步以此进入

28、产业化阶段。然而不同车辆不同地区对这个系统的要求是各不相同的，这些问题将随着轮胎压力监测系统的不断发展和完善而得到解决10。本文研制的轮胎气压实时检测系统采用当今比较流行的数字集成传感器加无线射频数据传输的系统模式。2.2.2 系统设计要求 （1）系统工作环境 轮胎气压实时监测系统是用来实时监控汽车轮胎的工作状态的。为实时测得轮胎的压力数据，其具有数据测量功能的轮胎模块需要安装在汽车轮胎内部，工作在轮胎封闭的环境中。对有内胎轮胎，轮胎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，轮胎模块可固定安装在轮辋上。由于在汽车行驶过程中，轮胎始终处于高速旋转状态，因而在数据的传输方式上不能采用有

29、线方式。结合汽车行驶中的复杂环境，能够让驾驶员及时可靠地得到预警报警信息，通过无线射频通信方式来传输轮胎数据信息是最佳选择。图2.1是安置在轮胎内部的轮胎模块的无线发射示意图。 由于轮胎在汽车行驶过程中的高速旋转和震动，安置于轮胎内部的轮胎模块必须固定牢靠。当发射电路随着轮胎旋转到远离主机位置（如图 2-1 的位置 2）时，由于金属轮辋对信号的屏蔽作用，主机模块接收灵敏度将会有所下降。但在轮胎高速旋转状态下不会对系统的可靠性产生影响。系统工作在室外现场环境，须有较宽的工作温度范围。图2.1 轮胎模块无线发射示意图（2）系统功能要求轮胎气压实时监测系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压

30、力异常或漏气给予实时数据读取并显示，加强汽车高速行驶的行车安全性。本课题研究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轮胎模块实时测量轮胎压力，通过射频发射模式将测得的轮胎状态信息发送到驾驶室内的系统主机，定时通过主机显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解轮胎的实时状态信息。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，必须定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方

31、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。汽车轮胎气压实时监测系统的系统功能要求归纳如下： 实时监测各个轮胎的压力状态情况；并显示该轮胎当前的具体压力状况；轮胎保养换位后可重新对各轮胎进行定位。（3）系统技术要求结合前文所述，给出系统主要技术指标要求：体积小，重量轻，便于保持轮胎的动平衡；功耗低，轮胎模块的功耗尽可能要低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作；适当的有效发射接收范围，使驾驶室内的主机及时可靠地接收到发送来的信息；较高的压力测量精度，要求达到0.01mpa 以上；考虑到技术推广和产品化，要保持合理的全套系统成

32、本。2.2.3 系统方案设计本文采用主动直接式轮胎压力监测技术，针对轮胎气压实时监测系统的实际应用情况，确定轮胎气压实时监测系统由轮胎模块和主机模块两部分构成的系统研制方案。系统设计方案框图如图2.2所示。图2.2汽车轮胎气压实时监测系统组成轮胎模块以 mems 压力温度集成传感器和 mc68hc908 系列微控制器为核心，实现轮胎压力的检测，以及测量数据的初步处理，微控制器通过超高频（uhf）发射器将采集的数据进行无线传输。主机模块由 uhf 接收器和 mc68hc908 系列微控制器构成，完成信号的接收、解调、处理、和显示。所以可以连续监测轮胎气压，并读取出实时数据。主机模块微控制器对报警

33、信息进行确认，由于系统的轮胎模块和主机模块间是通过无线射频方式进行数据通信，因此，必须确定符合系统应用要求的无线通信模式。通信方案是以数据9600bps 的速率发送，采用 fsk 调制的曼彻斯特编码。移频键控（fsk）是数字通信中经常使用的一种调制方式。fsk 方法简单，易于实现，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。因此，fsk 主要应用于低、中速数据传输。曼彻斯特（manchester）编码是常用的数字信号编码之一。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分 1 和 0。因此，这种编码也称为相位编码。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便

34、地利用它作为位同步时钟。本文研制的系统需要传送的数据量很少，仅是必要的轮胎 id 识别码、压力数据及一些状态信息，加之需要保证数据传输的可靠性和到达率，因此，选用上述无线射频通信模式是比较合适的。系统核心器件采用的是 motorola 微控制器。motorola 一直是世界上最大的单片机厂商之一，其单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合应用于工控领域及恶劣的工作环境，且价格合理。考虑轮胎模块微控制器 mc68hc908rf2 内置的 uhf 发射器，则主机模块接收器选择与其对应的uhf接收器mc33594。轮胎模块传感器

35、采用mems传感器 mpxy8020a，该器件不但功耗低，带有数字接口，还同时集成了压力传感模块，十分适合本文所研制系统的技术要求。对于进一步的系统方案设计情况，本文将在今后两章中，按硬件设计和软件设计加以详细介绍。第 43 页 共 43 页中北大学2009届毕业设计说明书3 汽车轮胎气压实时监测系统的硬件设计本文所研制的汽车轮胎气压实时监测系统主要由系统硬件和监控软件两部分组成。本章将详细介绍系统的硬件设计工作，并兼顾在硬件设计过程中需要注意的一些问题。3.1 系统硬件设计汽车轮胎气压实时监测系统的硬件电路按系统功能划分，可分为轮胎模块和主机模块两大部分。其中，轮胎模块整体安装在轮胎内，主要

36、完成轮胎压力和温度数据的采集、数据的初步处理以及信息的无线传输功能。主机模块安置于汽车驾驶室内，主要完成信息的无线接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。系统硬件功能框图如图3.1所示。 图3.1 系统硬件功能模块框图 在系统的工作运行中，轮胎模块始终处于封闭环境中，驾驶室内的系统主机必须依靠无线方式来完成数据信息的传输，才能将轮胎的状态信息实时地提供给驾驶员。因此，轮胎模块与主机模块之间的无线通信是实现系统功能的关键，同时，这也是系统硬件设计工作的重点之一。3.2 轮胎模块设计在不断高速旋转的轮胎内部这样的封闭工作环境中，要求轮胎模块体积尽量小、重量尽量轻。为此，在设计中

37、尽量减少芯片外围器件的数量，以设计出 pcb 面积较小的轮胎模块电路。图 3.2 是系统的轮胎模块功能原理框图由轮胎模块实现的系统功能，可分为核心微控制器、测量电路和发射电路 3 个部分加以详述。其中微控制器 mc68hc908rf2 为轮胎模块的控制和数据处理核心单元，与集成传感器一起完成轮胎的压力测量，微控制器mc68hc908rf2 内部自带的射频发射器与其匹配的外围器件一起构成发射电路。图3.2 轮胎模块功能原理框图3.2.1 核心微控制器 mc68hc908rf2微控制器 mc68hc908rf2 是由 freescale 公司（前 motorola 公司半导体部）设计生产的 m68

38、hc08 系列 8 位微控制器单元（mcu），其突出特点就是低功耗、高性能。mc68hc08 系列微控制器基于不同的用户群需求，采取专用集成的设计理念，提供了适合特殊应用需求的、具有多种外围功能模块搭配的微控制器。该系列所有的微控制器均使用了增强的 mc68hc08 中央处理器单元（cpu08）。为了实现低功耗及 32 引脚的超小外形封装（lqfp），mc68hc908rf2还进行了优化设计，特别是其内部自带的射频发射器，非常适合应用于本系统的设计，其具有如下特性：高性能的 mc68hc08 结构；工作电压在 3.3v 时，内部总线频率最大可达 4mhz；在 1.8v 电压时，内部总线频率最大

39、可达 2mhz；无需任何外围器件的内部振荡器，软件选择内部振荡器频率，可校正精确到2%，也可选择使用外部时钟源或晶体/陶瓷谐振器；可加密的 2k 字节 flash 程序存储器；128 字节的 ram；16 位、双通道定时器接口模式（tim）；12 个通用输入/输出（i/o）端口，其中 6 个带有键盘唤醒功能，2 个与定时器模块共用；低电压禁止（lvi）模式，检测到芯片电源电压降到 1.85v 时，置mcu 复位，检测到 2.0v 时，置指示器标志位；具有唤醒特征的 6 位键盘中断；芯片内部集成有超高频（uhf）发射器；具有多重系统保护特征：计算机正常工作（cop）复位，低压检测复位，非法操作代

40、码检测复位，非法地址检测复位；带有停止和等待模式的低功耗设计11。mc68hc908rf2 是轮胎模块的核心器件，既作为测量监控的微控制器，同时还内置有 uhf 发射器。其标准工作电压为 3v，最低可工作在 1.8v 电压下，芯片工作温度范围4080，能够承受恶劣的室外环境。mc68hc908rf2 微控制器部分的工作并不需要外部晶振，因为带有一个内部时钟发生器（icg），通过软件设定可以得到一个满足其可靠工作要求的时钟频率12，13。3.2.2 测量电路设计mpxy8020a 是 freescale 公司的 8 引脚集成传感器，它在一个芯片上集成了可变电容的压力传感单元、温度传感单元和数字接

41、口电路（具有唤醒特性），能够同时对轮胎的压力和温度数据进行测量，并实现测量结果的数字化输出。该传感器具有 2.1v3.6v 的宽范围工作电压，工作温度为40125，功耗低，能够在封闭的轮胎内部可靠工作。该传感器的压力传感单元是采用表面微机械加工（mems）而成的电容性传感器，温度传感单元则由集成扩散电阻构成。压力信号的状态首先是由开关电容放大器把电容转换成电压，由电压比较器与串行输入的 8 位可编程门限电平比较，通过调整门限电平和检测引脚 out 的状态，外部设备就可以获知门限电平是否被打破，或执行 8 位 a/d 转换。一个双通道的多路选择器可以把压力信号送到采样电容器，得到数字化压力数据的

42、输出过程。如表3.1，传感器的几种工作模式是通过引脚 s1 和 s2 上的输入电压来选择的。测量结果模拟到数字的转换是通过 8 级门限电平比较，采用连续逼近算法来实现的。以电压方式存储测量结果的采样电容器，其电压能保持到足够完成一次 8 位的 a/d 转换。 表3.1 mpxy8020a的工作模式s1 s0工作模式 工作电路压力测 温度测 a/d输 lfo 量系统 量系统 出比较 晶振动串行数据计算器0 01 0 1 0空闲/复位压力测量温度测量off off off onon off off onoff on off on工作复位复位 1 1数据输出 off off on on 工作根据图3

43、.2 所示传感器与微控制器之间的控制关系，如图3.3 所示，是具体的轮胎模块测量电路图。mc68hc908rf2 通过控制引脚 s1 和 s2 的电平来选择不同的工作模式。在数据输出模式下，通过引脚 data 将表示比较电平的 8位数据伴随引脚 clk 上的同步脉冲输入传感器，比较电平与存储测量结果的采样电容图3.3 轮胎模块测量电路图器间的比较结果可以从引脚 out 上读出，以此得到数字化的 8位测量数据。在传感器内部低频振荡器控制下，引脚rst 大约每 52 分钟发出一个复位脉冲，可以起到对其它器件的复位或者唤醒功能。3.2.3 发射电路设计发射电路是实现轮胎模块与主机模块之间通信的硬件连

44、接，主要由超高频（uhf）发射器、外围电路、匹配网络和印刷天线构成。mc68hc908rf2 微控制器内部集成的射频发射模块，实际上就是 uhf发射器 mc33493，它是与主机模块的 uhf 接收器 mc33594 相对应的射频发射芯片。其主要特性如下：具有多个发射频段：315mhz，434mhz 和 868mhz；开关键控（ook）和频移键控（fsk）的调制模式；可调输出功率范围；全集成的压控振荡器（vco）；极低的待机电流：；低于电源电压停工；面向微控制器的数据时钟输出；较少的外围器件数量14。该发射器是一个锁相环（pll）调谐的低功率超高频发射器。由微控制器通过几个数字输入引脚来控制不

45、同的工作模式。1.9v3.7v 的电源电压只由一块锂电池供电就可工作。内部振荡器 vco 完全集成了相位频率检测器和环形滤波器。外接的晶体振荡器为发射器的锁相环提供参考频率，通过 vco 后得到数据发射所需的输出频率。准确的发射输出频率可由式（3.1）得出： 分频比 （3.1）发射器通过引脚 band 来选择数据的发射频段。按表3.2 给出的发射器频段选择及相应的匹配晶体振荡器频率，可以根据应用需要来选择外接的晶体振荡器的频率。表3.2 频带选择及附加分频器比率 band引角 频段 输入电平 （mhz） 锁相环（pll） 晶体振荡器频率 分频比 （mhz） 315 高电平 434 低电平 86

46、8 9.84 32 13.56 64 微控制器通过 4 个数字输入引脚（enable，data，band 和 mode）来控制这个发射电路，用于 uhf 发射器的控制和数据输入。发射机提供一个数字输出引脚（dataclk）给微控制器，用于给串行输入数据提供参考同步脉冲。如表 3.3 所示，发射器为输入数据提供的同步脉冲频率为外接晶体振荡器频率除以 64。表3.3 相对晶体振荡器频率的 dataclk 频率 晶体振荡器频率 dataclk频率 （mhz） （khz） 9.86 154 13.56 212一个完整的发射/接收电路不仅仅只是uhf发射/接收器及其外围器件的简单连接，还要有适合数据发射

47、/接收的匹配网络（matching network）和天线（antenna）。图3.4是射频发射/接收电路基本结构框图。图3.4 射频发射/接收电路基本结构框图在射频电路设计中，为实现最大功率传输，在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。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。天线是无线射频通信系统中不可或缺的组成部分。无线通信是靠空间的电磁波来传递信息，而电磁波的产生和接收都必须由天线来完成。图 3-5 是具体的轮胎模块发射电路图，给出了超高频（uhf）发射器的外围电路和匹配网络的具体连接。

48、表3.4是图3.5发射电路中发射器的外围器件说明。该发射电路图的发射频段为 433.92mhz，采用 fsk 数据调制模式。微控制器与定时器模块共用的引脚连接发射器的引脚 dataclk 和 data，以在向发射器输入数据时依靠准确定时与数据速率同步。图中标值为 n/c 的电阻和电容是可选器件，根据发射数据的调制方式和发射电路的发射功率来决定是否连接。根据系统采用的射频通信方案为fsk 数据调制模式，发射频段433.92mhz，轮胎模块到主机模块的发射距离短，5 米以内即可，发射功率小。所以，图 3.5 中的 r3 和 c8 处空出不接，并根据表 3.5，c5 选择 10pf。轮胎模块总电路可

49、参看附录a。图3.5 轮胎模块发射电路图表3.4发射电路外围器件说明器件功能取值y1震荡器315mhz 频段，参看表 3-2mhz434mhz 频段，参看表 3-2mhz868mhz 频段，参看表 3-2mhzr1rf 输出电平设置电阻（rext）12kc2电源去耦电容100pfc322nfc4震荡负载电容ook 调制模式：18pffsk 调制模式：27pfc5仅用于 fsk 模式的振荡器牵引电容请看表 3-5pf表3.5 相对载波频率总体偏差的晶体振荡器牵引电容取值载波频率（mhz）载波频率总偏移（khz）电容取值（pf）434401870101006886880181401020068轮胎

50、模块 uhf 发射电路的发射匹配网络由电感 l1、电容 c6 和 c7 组成。3.3 主机模块设计位于驾驶室内的主机模块，主要完成信息的无线接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。根据主机模块的实现功能，将其细分为核心微控制器、接收电路、人机接口和显示及报警电路四个部分详述。其中，实现信息显示的系统外围显示及报警电路将在下节介绍。主机模块总体电路参看附录b。3.3.1 核心微控制器 mc68hc908kx8mc68hc908kx8 和轮胎模块的核心微控制器一样，同属于 freescale 公司的 mc68hc908 系列微控制器，具有相同的中央处理器，只是在被集成的具体外围

51、功能模块上略有不同。其具有如下特性：工作电压为 5v 时，内部总线频率最大可达 8mhz；为 3v 时，内部总线频率最大可达 4mhz；无需任何外围器件的内部振荡器，软件选择内部振荡器频率，可校正精确到2%，也可选择使用外部时钟源或晶体/陶瓷谐振器；可加密的 8k 字节 flash 程序存储器；192 字节的 ram；串行通信接口（sci）模块；时基模块（tbm）：提供分频比可选的周期性实时中断；13 个通用输入/输出（i/o）端口，其中 5 个带有键盘唤醒功能，2 个与 sci 模块共用；可编程的低于电源电压停工，2.6v 或 4.3v 可选。mc68hc908kx8 是主机模块的核心器件之

52、一，作为主机模块的微控制器，实时接收并处理射频接收器收到的轮胎测量数据，并控制显示及报警电路 的 工作， 同时留有一个可与pc机通信的 rs-232 接 口 。尽管mc68hc908kx8 也有内部时钟发生器，但其串行通讯接口（sci）要求非常精确的定时，所以，还是需要一个外部晶体振荡器。mc68hc908kx8 的工作电压有 2 个，3v 或 5v 均可，工作温度范围40125。但为了统一主机模块电路的工作电压，方便电路的设计，mc68hc908kx8 采用 5v 的工作电压。mc68hc908kx 的 i/o 口资源较少，但因为其具有可靠的性能、较低的价格和符合设计要求的芯片内部资源，还是

53、本系统芯片选型的合适对象。3.3.2 接收电路设计mc33594是与mc33493相对应的单片集成pll调谐uhf数据接收器。该芯片内含660khz的中频带通滤波器、完整的压控振荡器（vco）、可消除镜像的混频器、曼彻斯特编码时钟再生电路以及完整的spi接口，可用于设计315mhz/ 434mhz的ook/fsk接收电路。mc33594芯片内部结构可分为射频部分和控制部分。射频部分由能消除镜像干扰的混频器、660khz的中频带通滤波器、自动增益控制级和ook/fsk解调器组成；控制部分则包含有数据管理器、配置寄存器、串行接口、状态控制器等。mc33594的串行接口采用motorola公司开发的

54、三线制spi（serial peripheral interface）串行外部接口总线协议。通过spi接口可对uhf接收器的数据解调类型、数据率、uhf频段、id控制字等进行初始化编程，接收到的数据也可以在数据管理器工作时从spi端口输出。mc33594与微控制器之间的通信一般通过spi进行，其spi接口通过以下三个输入/输出引脚来实现操作：串行时钟sclk；主控输出受控输入mosi；主控输入受控输出miso15。微控制器可通过引脚strobe选通mc33594，也可让mc33594内部工作在等待-休眠循环模式下来降低功耗，在引脚strobe上加高电平就能将处于休眠状态的mc33594激活。当接收电路工作在315mhz频段时，应选择9.864375mhz晶振；工作在434mhz时，选13. 580625mhz的晶振。图3-6是主机模块mc33594的接收电路图。表3.6是该接收电路图的器件功能说明。与发射电路相对应的是，接收电路同样工作在 图3.6 mc33594接收电路图433.92mhz频段，mc33594的50匹配网络由电感 l1、电容c5和c7构成，其中电感取值 68nh2%，电容 c51.5pf10% ，c7=100pf10%。 当 mc33594 工作在 fsk 模式下，按表 3.7所示，选择最