【正文】 在輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)及時(shí)報(bào)警，駕駛員可采取措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。 (2)延長(zhǎng)輪胎使用壽命 統(tǒng)計(jì)表明：輪胎氣壓不足行駛，車輪氣壓比正常值下降 10%，輪胎壽命減少 15%。TMPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)氣壓，當(dāng)輪胎氣壓出現(xiàn)異常時(shí)能及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，從而減少車胎的損毀，延長(zhǎng)輪胎使用壽命。 (3)減少燃油消耗，利于環(huán)保 實(shí)驗(yàn)顯示，輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值 30%，油耗將上升 10%。如果輪胎氣壓過高，抓地力就會(huì)下降，輪胎磨損加快。油耗上升不僅增加車輛運(yùn)行費(fèi)用，而且增加廢氣排放，對(duì)環(huán)境的污染加大。車輛安裝了 TPMS 系統(tǒng)，就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎氣壓異常，有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，不僅降低油耗，而且還可減輕對(duì)環(huán)境的污染。 (4)可避免車輛部件不正常的磨損若汽車在輪胎氣壓過高的狀態(tài)下行駛，日積月累對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤及懸掛系統(tǒng)將造成很大的傷害；如果輪胎氣壓不均勻，則會(huì)造成剎車跑偏，從而增加懸掛系統(tǒng)的磨損。安裝了TPMS 系統(tǒng)，便能有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。 本文研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu) 研究?jī)?nèi)容 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：將通過在輪胎內(nèi)部安裝的壓力和溫度傳感器，中央控制單元對(duì)輪胎內(nèi)部的溫度、壓力值進(jìn)行采集、處理后通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛室內(nèi)部的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器對(duì)輪胎的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)輪胎的狀態(tài)異常，則通過聲光報(bào)警提示駕駛員進(jìn)行處理。針對(duì)上述系統(tǒng)功能，本課題的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。 (2) 綜合分析國內(nèi)汽車各方面綜合因素，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案。 (3) 輪胎模塊硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 (4) 主機(jī)模塊硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章：介紹汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提出背景和研究意義，當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢(shì)，給出本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。 第二章：介紹系統(tǒng)主要工作原理。在對(duì)系統(tǒng)方案的論證基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)性能要求和實(shí)施方案，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 第三章：輪胎模塊硬件和軟件的設(shè)計(jì)。以 Freescale(前Motorola半導(dǎo)體部)的 MPXY8300系列傳感器、微處理器、發(fā)射芯片三件集成一體芯片為核心，構(gòu)建輪胎模塊；與主機(jī)模塊搭建實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)輪胎狀態(tài)信息的測(cè)量、無線傳輸、狀態(tài)監(jiān)控和異常報(bào)警。 第四章：主機(jī)模塊硬件和軟件的設(shè)計(jì)。主要介紹MPXY8300系列微控制器的基礎(chǔ)上，以接收芯片MC3359微控制器 STC12C5416AD芯片為核心，構(gòu)建主機(jī)模塊；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、無線射頻傳輸控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和顯示報(bào)警等功能。 第五章：總結(jié)與展望。對(duì)本設(shè)計(jì)的總結(jié)與展望。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)是一種采用無線傳輸技術(shù)，利用固定于汽車輪胎內(nèi)的微型無線傳感裝置采集輪胎壓力和溫度的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到駕駛室內(nèi)的接收機(jī)中，以數(shù)字化的形式實(shí)時(shí)顯示輪胎壓力和溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)進(jìn)行報(bào)警的汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)。主要功能是在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎快速漏氣、高低氣壓和高溫分級(jí)報(bào)警，從而達(dá)到預(yù)防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和經(jīng)濟(jì)行車。 針對(duì)在汽車惡劣的工作環(huán)境下，設(shè)計(jì)滿足國內(nèi)外TPMS 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)(中國的標(biāo)準(zhǔn)高于國外標(biāo)準(zhǔn))[7]，綜合目前市場(chǎng)存在的經(jīng)典方案，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)，本文設(shè)計(jì)一種具有高度集成性、高可靠性、低功耗性的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 TPMS 系統(tǒng)分類及其工作原理 目前TPMS主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：間接式TPMS系統(tǒng)和直接式TPMS系統(tǒng)。 間接式 TPMS 間接式 TPMS 系統(tǒng)是與車輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)一起使用的。ABS 采用車輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)一個(gè)輪胎的氣壓減小時(shí)，滾動(dòng)半徑就減小，而車輪的旋轉(zhuǎn)速度就相應(yīng)地加快。間接式 TPMS 的檢測(cè)原理如圖 所示。 直接式 TPMS 直接式TPMS系統(tǒng)主要由安裝在輪胎上的輪胎監(jiān)測(cè)模塊和安裝在汽車駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器兩個(gè)部分組成。輪胎監(jiān)測(cè)模塊由壓力/溫度傳感器、微控制器(MCU)、射頻(RF)發(fā)射器組成，中央監(jiān)視器由 RF 接收器、MCU 以及 LCD、按鍵、報(bào)警模塊等組成。一般情況下，一輛轎車或面包車的 TPMS 系統(tǒng)有4或5個(gè)(包括備用胎)監(jiān)測(cè)模塊，一輛卡車有8～36個(gè)監(jiān)測(cè)模塊，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要面向四輪輕型汽車的輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)， 所示，固定在每個(gè)車輪中的壓力、溫度傳感器直接測(cè)量每個(gè)輪胎的氣壓和溫度，然后通過RF發(fā)射器將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器接收到輪胎監(jiān)測(cè)模塊發(fā)射的信號(hào)后進(jìn)行分析，并將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果胎壓或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛者采取必要的措施。 間接式和直接式TPMS的比較與選擇 間接式TPMS的優(yōu)點(diǎn)是只要具備ABS系統(tǒng)，就可以增加TPMS的功能，另外所需的只是軟件，因此成本比較低。但是間接式 TPMS 有以下幾個(gè)主要缺點(diǎn)：無法同時(shí)監(jiān)測(cè)到同軸兩輪胎、同側(cè)兩輪胎以及四個(gè)輪胎全部漏氣的情況；不能對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量；受速度影響較大，一般不能超過100km/h；輪胎重新安裝或者TPMS 復(fù)位后，TPMS傳感器標(biāo)定比較麻煩。 相比于間接式TPMS，直接式TPMS具有很多優(yōu)點(diǎn)，如能在任意瞬時(shí)監(jiān)測(cè)4個(gè)輪胎內(nèi)的壓力和溫度大小，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度均高于間接式TPMS且不受行駛速度的限制等。但是它也存在一些弊端，比如，直接有源式TPMS的監(jiān)測(cè)模塊質(zhì)量較大，安裝在輪胎內(nèi)會(huì)打破原先的動(dòng)平衡，而且成本比較高；在惡劣潮濕的環(huán)境下，電池會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，使得系統(tǒng)使用年限縮短。而基于SAW的直接無源式 TPMS主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器部分不需要電池供電，而且質(zhì)量較小，目前已經(jīng)開發(fā)出的實(shí)驗(yàn)傳感器只有5g左右，同時(shí)可在高低溫等惡劣環(huán)境下工作，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器(Transponder)整合至輪胎中，這需要各輪胎制造商建立共同的標(biāo)準(zhǔn)才有可能實(shí)現(xiàn)[8]，因此，無源式TPMS短期內(nèi)還難以流行。 直接式 TPMS 總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 本課題所要實(shí)現(xiàn)的TPMS為直接式電池供電的TPMS。TPMS主要由兩個(gè)模塊(見圖 )組成：安裝在汽車每個(gè)輪胎內(nèi)部的輪胎模塊和安裝在汽車駕駛室中的主機(jī)模塊。輪胎模塊一般由傳感器、微控制器和射頻發(fā)射芯片組成，負(fù)責(zé)壓力和溫度數(shù)據(jù)采樣、處理和射頻發(fā)送。主機(jī)模塊一般由射頻接收芯片、微控制器、數(shù)據(jù)顯示屏和按鍵組成。負(fù)責(zé)壓力和溫度數(shù)據(jù)接收、顯示、報(bào)警和系統(tǒng)設(shè)置。輪胎模塊和主機(jī)模塊之間采用射頻無線通信。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 由于現(xiàn)在汽車輪胎大多是沒有內(nèi)胎的子午胎，因此，將TPMS的輪胎監(jiān)測(cè)模塊安裝在輪轂上是十分方便和容易的。但是汽車在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按汽車級(jí)的要求來選用元器件。而對(duì)于中央監(jiān)視器，由于其安裝在汽車車廂內(nèi)，環(huán)境溫度變化不大，電源可以使用汽車的12V～24V電源，因此器件的選用只要是工業(yè)級(jí)即可，省電的要求也不高。輪胎監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)的具體要求為：低功耗、介質(zhì)兼容性以及無線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴? (1)低功耗 在TPMS實(shí)際使用過程中，不可能頻繁地拆卸輪胎來為監(jiān)測(cè)模塊更換電池，故需要做到輪胎監(jiān)測(cè)模塊與輪胎同壽命。本設(shè)計(jì)采用降低功耗的方法是利用擁有內(nèi)置加速度計(jì)的傳感器來檢測(cè)輪胎是靜止的還是運(yùn)行的，只有當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)才進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和傳輸，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時(shí)，TPMS可以休眠或以很低的頻率運(yùn)行以節(jié)省電量。一般的車輛在公路上行駛的平均時(shí)間大約占總使用時(shí)間的15%，即車輛處于停車狀態(tài)的時(shí)間比真正行駛的時(shí)間要長(zhǎng)得多[9]，因此這種方法可以大幅度降低TPMS的功耗。 (2)介質(zhì)兼容性 組件除了要盡可能的低功耗外，傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對(duì)TPMS而言至關(guān)重要，如果沒有這些關(guān)鍵特性，整個(gè)系統(tǒng)的精確性和可靠性將成問題。所謂傳感器介質(zhì)兼容性，主要指的與不同種類的介質(zhì)，如水楊酸、污水、磷酸鈉等接觸時(shí)所表現(xiàn)出來的不受干擾性。因?yàn)檩喬ツK是置于輪胎內(nèi)部的，所以電子組件面對(duì)的將是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境，包括－40℃～+125℃的寬工作溫度范圍以及潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵襲[10]。TPMS傳感器特別容易被腐蝕，因?yàn)樗膲毫M(jìn)氣口必須與空氣接觸才能監(jiān)測(cè)周圍的壓力，而好的介質(zhì)兼容性可以確保傳感器能得到全面保護(hù)。 (3)無線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃? TPMS需要著力解決的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，特別是高速行駛時(shí)的信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于高速行駛及工作環(huán)境比較惡劣，而且汽車內(nèi)電子產(chǎn)品豐富，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)漂移及時(shí)有時(shí)無的情況；另外在使用手機(jī)、汽車音響等產(chǎn)品時(shí)，信號(hào)相互會(huì)有干擾，信號(hào)的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，因此，屏蔽和抗干擾等問題就顯得尤為重要。RF發(fā)射/接收IC選用時(shí)一般需要較高的接收靈敏度，以提高TPMS的工作效率并降低整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。第一代TPMS的發(fā)射器芯片設(shè)計(jì)運(yùn)用的是ASK調(diào)制技術(shù)，通過SAW共振器產(chǎn)生合適的發(fā)射頻率，這樣的ASK系統(tǒng)非常便宜，但是載有發(fā)射器的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)發(fā)生變化，為此，目前的TPMS在晶體振蕩器和PLL合成器的基礎(chǔ)上運(yùn)用FSK調(diào)制方式來產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應(yīng)用中，F(xiàn)SK即使在輪子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都能提供可靠的RF通信。 直接式TPMS系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有： (1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的壓力、溫度、電壓情況； (2) 可設(shè)定每個(gè)輪胎的壓力報(bào)警上下限； (3) 當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力過高、過低時(shí)，顯示該輪胎的ID，溫度和壓力，并發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)某個(gè)輪胎內(nèi)部壓力急速下降，并發(fā)出快速漏氣報(bào)警； (4) 輪胎保養(yǎng)換位后，各輪胎ID可重設(shè)； (5) 可手動(dòng)讀取各輪胎當(dāng)前壓力值。 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)是通過先進(jìn)的傳感技術(shù)，在汽車行駛過程中，利用傳感器來直接測(cè)量輪胎的氣壓和溫度，并通過無線調(diào)制發(fā)射到駕駛室的控制臺(tái)上，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓和溫度狀況，并對(duì)輪胎漏氣、低氣壓和高溫進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，以保障行車安全。還可以延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，有效降低油耗，能保持最佳車輛性能。通過對(duì)TPMS方案設(shè)計(jì)分析，確定本文系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下文所述。 輪胎模塊的總體設(shè)計(jì) 輪胎模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：信號(hào)采集處理和信號(hào)發(fā)射。從壓力傳感器出來的信號(hào)，由微處理器完成采樣。然后由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，再進(jìn)行軟件編碼，將數(shù)據(jù)流送給射頻發(fā)射電路；信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、編碼后發(fā)射給接收系統(tǒng)。 主機(jī)模塊的硬件總體設(shè)計(jì) 主機(jī)模塊包括解調(diào)電路、接收數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警及人機(jī)接口四部分。解調(diào)電路由輪胎發(fā)射出來的射頻信號(hào)放大解調(diào)后，將數(shù)字信號(hào)送給微處理器串行接口。微處理器再進(jìn)行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的位置和壓力值；然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力值，聲光報(bào)警等。人機(jī)接口部分要包括LED指示，按鈕等。LED主要起指示輪胎位置和顯示當(dāng)前安全狀況。按鈕則可以進(jìn)行系統(tǒng)的功能讀取當(dāng)前輪胎壓力大小。 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)就是為了在硬件電路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用智能化，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)技術(shù)性能的好壞。在汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，必須要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況和具體技術(shù)性能要求，才能設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。 汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)硬件模塊劃分，也分為輪胎模塊軟件設(shè)計(jì)和主機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)兩大部分，為了開發(fā)的便利，其中雙方涉及到數(shù)據(jù)無線收發(fā)功能的部分又可以合為無線收發(fā)模塊。 從圖中可以看出，輪胎模塊的軟件需要具有 3 種主要功能：測(cè)量、處理數(shù)據(jù)和發(fā)射。輪胎模塊是由一塊鋰電池供電，鋰電池的電池容量通常為750mAh因此需要綜合考慮效率與時(shí)間，以得到高效率的算法，才能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期有效地可靠運(yùn)行。主機(jī)模塊雖然沒有嚴(yán)格的耗能標(biāo)準(zhǔn)，但接收效率和監(jiān)控算法仍很重要，因?yàn)楹玫乃惴梢允怪鳈C(jī)模塊電池使用壽命更長(zhǎng)[11]。 軟件總體分為4個(gè)運(yùn)行模式：調(diào)試模式(工廠