【正文】 當(dāng)負(fù)載為 50Ω時(shí)， 傳輸功率能夠達(dá)到 10dBm，此時(shí)的輸出功率是最大值。 1479 可以通過(guò) CLKOUT 引腳提供微控制器一個(gè)時(shí)鐘，用于串行輸入數(shù)據(jù)的同步脈沖。芯片封裝為 16 引腳薄型 圖 2 SP12 接口電路 Fig2 SP12 interface circuit QFN 封裝，只需要較少的外圍器件。 SP12 圖 2 所示的是傳感器 SP12 與微控制器的接口電路設(shè)計(jì)圖。 SP12SP12 傳感器通過(guò)微處理器（微控制器）對(duì)其寫(xiě)入命令字的方式進(jìn) 行控制。而在每一個(gè)時(shí)鐘的下降沿， SDI 將會(huì)接受新的指令數(shù)據(jù)（從低位到高位）。其中每一路輸出都可以在一定的時(shí)間間隔之后送出一個(gè)脈沖，喚醒和復(fù)位都是低電平效。某個(gè)時(shí)刻SP12 測(cè)到的數(shù)據(jù)是跟我們用氣壓計(jì)測(cè)量得到的汽車(chē)輪胎壓力對(duì)應(yīng)的，準(zhǔn)確的換算關(guān)系： （ 1） 式中， P 表示輪胎里的實(shí)際壓力值，表示 SP12 測(cè)得的補(bǔ)償后的值。表1 SP12 引腳 Table1 SP12 pins 編號(hào) 引腳 功能 說(shuō)明 1 WAKEUP 喚醒輸出信號(hào) 2 RESET 復(fù)位輸出信號(hào) 3 TEST/GND 測(cè)試時(shí)使用管腳 /應(yīng)用時(shí)接地 接地 4 VSS 接地 5 NC 6 DIG IN/GND 數(shù)字輸入 /應(yīng)用時(shí)接地 接地 7 VSS 接地 8 VSS 接地 9 VDD 電源電壓 10 VPP 編程電源 不接 11 SDI 串口輸入 12 SCLK 串口時(shí)鐘 13 SDO 串口輸出 14 NCS 使能 表 2 SP12 的工作環(huán)境 Table2 Work condition of SP12 指標(biāo) 最小值 最大值 單位 溫度范圍 40 125 ℃ 測(cè)量進(jìn)行所需電壓 V 測(cè)量未進(jìn)行時(shí)電壓 V 壓力輸入范圍 100 450 Pa 傳感器的工作環(huán)境如表 42。 根據(jù)直接式 TPMS 總體設(shè)計(jì)方案以及選型芯片進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括輪胎模塊以及接收模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)外圍電路、傳感器電路、無(wú)線(xiàn)通信電路的設(shè)計(jì)。 鋰亞電池優(yōu)秀的高低溫特性使其成為目前 TPMS 能源的選擇。大多低功耗微控制器都具有“即時(shí)啟動(dòng)”時(shí)鐘，可以在不到 510μ s 時(shí)間內(nèi)為 CPU準(zhǔn)備就緒。采用 32 引腳薄型 QFN 封裝，適用于 40176。晶振啟動(dòng)時(shí)間功耗。由于加速度傳感器可以利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)啟動(dòng)自動(dòng) 開(kāi)機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢，并且可根據(jù)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)自動(dòng)確定檢測(cè)周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，從而設(shè)計(jì)出具有縮短檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力的軟件程序，以達(dá)到省電的目的，而且不需要增加任何其它外圍設(shè)備。微控制器連接傳感器，定期向傳感器檢測(cè)氣壓和溫度等數(shù)據(jù)。 Infineon 最近推出的 SP30 傳感器模塊具有 SP12 的所有功能，并且在此基礎(chǔ)上集成了 Philips 公司的微控制器，大大的縮小了芯片的體積和模塊總體價(jià)格，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。該器件是基于 MEMS 技術(shù)的硅壓阻式壓力傳感器，采用高精度半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，它整合了壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個(gè)電池電壓監(jiān)測(cè)器，提供四合一傳感功能 [34]并配有一個(gè)能完成測(cè)量、信號(hào)補(bǔ)償與調(diào)整及 SPI 串行通信接口的 CMOS 集成電路。 檢測(cè)精度要高。 TPMS 傳感器是包括壓力傳感器、溫度傳感器、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘等組件的智能傳感器。此時(shí)中央監(jiān)視器就需要變換原來(lái)前左和后左的輪胎位置信息，從而實(shí)現(xiàn)換位更新。比如 00代表前左、 01 代表前右、 10 代表后左、 11 代表后右。 該定位方式的不足之處有三個(gè)胎壓遙測(cè)模塊需要四個(gè) LF 天線(xiàn)，增加了布線(xiàn)量 LF 信號(hào)可能會(huì)誤觸發(fā)相 鄰的發(fā)射檢測(cè)模塊 由于汽車(chē)上電磁環(huán)境復(fù)雜，存在各種千擾，會(huì)對(duì)低頻信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致身份識(shí)別失效。 該定位技術(shù)是將每個(gè)胎壓遙測(cè)模塊的識(shí)別 ID 碼打印在外包裝或產(chǎn)品上，但當(dāng)輪胎換位或發(fā)射模塊損壞后，就將識(shí)別 ID 碼按鍵輸入到接收端，進(jìn)行重新定位。這樣在輪胎換位或調(diào)換輪胎時(shí)就存在一個(gè)輪胎重新識(shí)別的問(wèn)題。 不同級(jí)別報(bào)警同時(shí)出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級(jí)別的優(yōu)先級(jí)報(bào)。由發(fā)射出來(lái)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 。 干擾引起的程序運(yùn)行失常，以至于系統(tǒng)的失效 ，是一種比較嚴(yán)重的干擾后果，一般會(huì)造成程序跑飛或者陷入死循環(huán)，對(duì)這種干擾后果的軟件對(duì)策主要是發(fā)現(xiàn)失常時(shí)，能夠及時(shí)引導(dǎo)程序恢復(fù)原始狀態(tài)?？垢蓴_設(shè)計(jì)主要包括硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)在高頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)的收發(fā)，還應(yīng)該特別關(guān)注了高頻線(xiàn)路印刷電路板的設(shè)計(jì) [28]。 如何判斷汽車(chē)是否處于行駛狀態(tài)？在汽車(chē)停止行駛的時(shí)候使整個(gè)系統(tǒng)處于睡眠模式，這樣可以大幅度節(jié)省電量。減少功耗可以從硬件和軟件上兩方面考慮。由于這些限制，電池往往選擇的是鈕扣式電池而不是大號(hào)電池。 綜合起來(lái)，該產(chǎn)品的主要技術(shù)要求如下： 體積小，尤其是輪胎模塊的體積要盡可能的小。 此外，輪胎模塊是固定在輪胎里的。 本研究針對(duì)的主要是轎車(chē)市場(chǎng)，一輛轎車(chē)需要 4 個(gè)輪胎模塊和一個(gè)接收模塊。接收模塊顯示各個(gè)輪胎的壓力和溫度參數(shù)，當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力過(guò)高或過(guò)低和溫度過(guò)高時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲。從經(jīng)濟(jì)方面著想，只需要購(gòu)買(mǎi)和更換該被損壞的傳感器模塊，所以系統(tǒng)必須具備更換新的傳感器模塊之后的重新學(xué)習(xí)功能。 本章小結(jié) 本章介紹了輪胎的分類(lèi)以及發(fā)展趨勢(shì)，著重闡述了無(wú)內(nèi)胎輪胎的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用前景，指出了無(wú)內(nèi)胎輪胎的廣泛應(yīng) 用是必然趨勢(shì)。 在壞路面上高速行駛，造成胎冠損傷有小洞眼、花紋掉塊。輪胎氣壓對(duì)輪胎的承載性能、 高速性能、制動(dòng)性能、防浮滑性能、耐久性能、抗刺穿和耐爆破性能都有著重要影響，可以說(shuō)，氣壓是輪胎的生命。 由上可見(jiàn)，輪胎的溫升對(duì)其安全性能和使用壽命的影響很大。輪胎變形使簾布層之間產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)簾布與橡膠之間的附著力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)簾布松散或局部簾布脫層。另一方面，因胎肩變形量大，容易引起簾線(xiàn)、鋼絲和橡膠等材料扯斷、拆裂，導(dǎo)致胎體強(qiáng)度下降，溫度上升或強(qiáng)度下降到一定程度就發(fā)生爆胎。 本文正是基于無(wú)內(nèi)胎輪胎設(shè)計(jì)的一款輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 氣密性能好，輪胎受小的損傷時(shí)能自動(dòng)封閉。按照這些要求，來(lái)進(jìn)行輪胎模塊和接收模塊的硬件設(shè)計(jì)。一個(gè) TPMS 系統(tǒng)有 4 個(gè)或 5 個(gè)（包括備用胎）輪胎模塊。單向通信成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于系統(tǒng)是輪胎模塊單向地與接收模塊通信，接收模塊不能控制輪胎模塊的工作，只能被動(dòng)地接收輪胎數(shù)據(jù)，其重點(diǎn)要解決的問(wèn)題是輪胎模塊的定位設(shè)計(jì)和信號(hào)免碰撞功能設(shè)計(jì) [20]。經(jīng)過(guò)正確計(jì)算，這種車(chē)速變化可用于觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)來(lái)向司機(jī)發(fā)出警告 [18]。以 RFID 技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國(guó)固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。全國(guó)開(kāi)展 TPMS 研究的廠(chǎng)家接近 200 家，專(zhuān)業(yè)的 TPMS 廠(chǎng)家大約為 30 家 [13]。國(guó)外的 TPMS 產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠經(jīng)受 5~7 萬(wàn)公里的使用測(cè)試 [11]。據(jù)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)的調(diào)查，美國(guó)每年有 26 萬(wàn)交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的，另外，每年 75%的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。輪胎氣壓過(guò)低對(duì) 輪胎的影響如表 11 所示。而 TPMS 是“事前主動(dòng)”預(yù)警系統(tǒng)。同時(shí)，各部件膠于簾布層，簾布層之間剪切力增大，生熱加劇，使膠層與簾線(xiàn)的物理性能下降，輪胎使用壽命縮短。而汽車(chē)輪胎壓力系統(tǒng)（ Tire Pressure Monitoring ystem，簡(jiǎn)稱(chēng) TPMS）毫無(wú)疑問(wèn)將是理想的工具。輪胎影響著汽車(chē)的 使用性能和輪胎的壽命。當(dāng)前，輪胎爆胎，疲勞駕駛，超速行駛已經(jīng)成為高速公路事故的三大殺手。在客車(chē)和輕型卡車(chē)上必須安裝輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以便在輪胎低于規(guī)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。若胎壓長(zhǎng)期低于正常氣壓的 80%，在高速行使時(shí)，輪胎會(huì)急劇升溫而脫層，最后導(dǎo)致爆胎。連續(xù)的壓力、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證車(chē) 輛在正確的負(fù)載中行駛。另外，低壓行駛將增加行駛阻力、燃料消耗和廢氣排放。由于每年造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，美國(guó)政府要求 汽車(chē)制造商加速發(fā)展 TPMS 系統(tǒng)，以求減少輪胎事故的發(fā)生 [8]。在 2021 年 11 月 24 日頒布的中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)――《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件（征求意見(jiàn)稿）》中，對(duì)安裝輪胎壓力檢測(cè)裝置做出了說(shuō)明：車(chē)長(zhǎng)大于 6米的長(zhǎng)途客車(chē)和旅游客車(chē)、最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于 噸的載貨汽車(chē)和載貨牽引車(chē)應(yīng)安裝輪胎壓力報(bào)警裝置，有關(guān)部分機(jī)動(dòng)車(chē)應(yīng)安裝輪胎壓力報(bào)警裝置的要求，自本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起第 25 個(gè)月開(kāi)始對(duì)新注冊(cè)車(chē)實(shí)施。 TPMS 的研究在中國(guó)剛剛起步。該公司和西門(mén)子 VDO 汽車(chē)配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶 RFID 卡傳感器。該類(lèi)型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò) 100 公里 /小時(shí)的情況進(jìn)行判斷。 雙向通信主要有兩種，雙向高頻通信和高頻 /低頻通信。接收輪胎模塊發(fā)射的信號(hào)，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。比如元 器件選擇上需要選用體積小、集成程度高、可靠性高的芯片；并采取相應(yīng)的硬件可靠性措施，設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的功能電路；選用容量大的專(zhuān)用 TPMS 鋰亞電池以提高輪胎模塊的電池使用壽命等。 減少汽車(chē)因輪胎故障在路上停留時(shí)間 不必更換內(nèi)胎，修理時(shí)輪胎不必從輪上卸下來(lái)，修理簡(jiǎn)單 。無(wú)內(nèi)胎輪胎的良好應(yīng)用前景也為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了保障 [25]。 車(chē)輛超載時(shí)，輪胎負(fù)荷過(guò)大。溫度超過(guò) 125℃時(shí)，輪胎就會(huì)脫空分層發(fā)生爆破。因此，對(duì)輪胎的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)對(duì)司機(jī)提出報(bào)警，提示司機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，可以有效地降低爆胎事故的可能性并提高輪胎的壽命。具體影響有一下幾點(diǎn)： 氣壓過(guò)低對(duì)輪胎性能的影響：氣壓過(guò)低，輪胎接地面積增大，胎側(cè)屈撓點(diǎn)改變，外層伸張，內(nèi)層壓縮，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，隨著胎溫升高，易使膠料的物理性能受到破壞，從而導(dǎo)致以下影響： 輪胎在負(fù)荷下變形加大，胎肩與地面接觸部分的磨耗增大，胎面磨耗不均，輪胎生熱快，造成脫層。 在氣壓過(guò)低的情況下繼續(xù)行駛，造成胎側(cè)內(nèi)壁簾布損壞、胎肩和胎體脫離、胎里和胎體碾傷。同時(shí)，本章分析了爆胎的主要因素：胎壓過(guò)高、胎壓過(guò)低及胎溫過(guò)高。 本文設(shè)計(jì)的 TPMS 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求如下： 以四輪小型汽車(chē)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的壓力和溫度狀況。根據(jù)收集到的相關(guān)資料，并參考同類(lèi)，本系統(tǒng)提出了以下的性能指標(biāo)要求： 輪胎模塊： 產(chǎn)品使用： 6 年以上（平均每天行駛 5 小時(shí)） 工作溫度： 40℃到 125℃ 壓力測(cè)量范圍： 100kPa 到 450kPa 發(fā)射頻率： 調(diào)制方式： FSK 發(fā)射功率： 5dBm 到 10dBm 壓力測(cè)量精度：177。當(dāng)發(fā)射部分隨著輪胎轉(zhuǎn)到背向主機(jī)時(shí)，由于金屬輪轂對(duì)信號(hào)有屏蔽作用，接收靈敏度將有所下降。 功耗低，尤其是輪胎模塊的功耗要盡可能的低。 組件除了要盡可能的低功耗外，壓力傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對(duì) TPMS而言至關(guān)要。 硬件低功耗設(shè)計(jì)就是選擇低功耗組件、使用具有 集成功能的組件來(lái)減少組件數(shù)量。 數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率是多少？延長(zhǎng)發(fā)射間隔顯然可以降低功耗，但需要在此與數(shù)據(jù)可靠性和用戶(hù)獲取信息的及時(shí)性之間進(jìn)行權(quán)衡。 在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，為了消除高頻信號(hào)對(duì)數(shù)字電路的干擾 ，在微控制器，傳感器等數(shù)字芯片的電源供應(yīng)端，并聯(lián)電解電容，消除高頻信號(hào)的干擾 [29]。 對(duì)于干擾引起無(wú)線(xiàn)通訊信號(hào)變化的抗干擾設(shè)計(jì)，考慮采用哪種調(diào)制方式，以提高了通訊的抗干擾能力，再者通訊數(shù)據(jù)中采用哪種校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)率。微處理器再進(jìn)行譯碼，從數(shù)據(jù)幀中提取各輪胎的位置和壓力值和溫度值等；然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力和溫度等值，聲光報(bào)警等。 汽車(chē)因?yàn)榍昂笞笥臆?chē)輪負(fù)荷不均、前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向、前后軸懸掛角度不同等原因，通常各輪胎磨損的位置和程度也不同。 TPMS 目前為了解決 TPMS 輪胎更換和輪胎換位時(shí)的定位以及重定位問(wèn)題，主要采用了定編碼形式，界 面輸入，低頻喚醒，天線(xiàn)接受近發(fā)射場(chǎng)等四種定位技術(shù)。不足之處是：識(shí)別 ID 碼一般都很長(zhǎng)，所以輸入就非常不方便，用戶(hù)也容易出現(xiàn)碼組輸入錯(cuò)誤的問(wèn)題。 該定位技術(shù)是接收顯示模塊有四個(gè)接收天線(xiàn)，分別延伸到每個(gè)輪 20～ 30c的近場(chǎng)內(nèi)，接收天線(xiàn)由數(shù)控微波開(kāi)關(guān)控制。這兩個(gè) bit 將被作為發(fā)送幀的一部分送至中央監(jiān)視器，由微控制器譯碼后決定接收數(shù)據(jù)的歸屬。 輪胎更換因?yàn)橥?lèi)產(chǎn)品在出廠(chǎng)時(shí)就已經(jīng)設(shè)定好位置，所以 只需購(gòu)買(mǎi)與欲替換輪胎相同位置的胎壓遙測(cè)模塊即可。目前主要有硅集成電容式壓力傳感器，如 Freescale 的MPXY80 MPXY8040，和硅壓阻式壓力傳感器，如 GE 的 NPXI、 NPXII 和 Infineon的 SP1 SP30。 下面首先簡(jiǎn)要的介紹目前幾種主要傳感器的性能與特點(diǎn)，然后再對(duì)它們進(jìn)行比較并給出選擇方案。 SP12 是由 MEMS 壓力傳感器和半導(dǎo)體 SOC 電路，用 集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的。 MotorolaMPXY8020 傳感器： Motorola 公司的 MPXY8020 傳感器是一個(gè) 8 引腳的硅集成電容式壓力傳感器。由于該系列傳感器沒(méi)有加速度傳感，因此最好能外接一個(gè)加速度檢測(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)判斷汽車(chē)是否開(kāi)動(dòng)，在停車(chē)時(shí)少或不發(fā)送數(shù)據(jù)，以節(jié)省電能。因此本系統(tǒng)決定采用有內(nèi)置加速度檢測(cè)功能的傳感器。假定一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀是 10