【正文】 美國法規(guī)所規(guī)定的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求， TPMS 能夠準(zhǔn)確監(jiān)測汽車輪胎的壓力和溫度，當(dāng)輪胎狀況超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)則向駕駛員報(bào)警。 直接式。 當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力、溫度狀況出現(xiàn)異常時(shí)，顯示器模塊聲、光報(bào)警，并根據(jù)此時(shí)的輪胎壓力、溫度數(shù)值，通知駕駛員屬于哪種報(bào)警狀態(tài)。 kPa 溫度測量精度：177。所以需要對發(fā)射部分的天線裝置的設(shè)計(jì)多加注意，盡量減小由于輪胎轉(zhuǎn)動和屏蔽所帶來的負(fù)面影響。 可靠性，系統(tǒng)的抗干擾能力要好。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。采用運(yùn)動開關(guān)或加速度傳感器，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時(shí)，輪胎模塊停止運(yùn)行，取消發(fā)送以節(jié)省電量。 是否需要重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)？因?yàn)閷σ粋€(gè)完整的直接式 TPMS 系統(tǒng)而言， 4 個(gè)輪子中的輪胎模塊同時(shí)工作。在元件布局和布線設(shè)計(jì)中，電源線盡可能的粗些，地線進(jìn)行覆銅，按鍵盡量的遠(yuǎn)離微控制器，因?yàn)樗鼤a(chǎn)生較大的電磁干擾 [30]。 TPMS 系統(tǒng)方案的總體框圖如圖 1 所示。人機(jī)接口部分主要包括 LED 指示燈，按鍵等。前驅(qū)動前轉(zhuǎn)向車為了提高過彎中的穩(wěn)定性，多數(shù)后輪外傾角比前輪大很多，像外“八”字型（也有少數(shù)車做成內(nèi)“八”字型，這是懸掛設(shè)計(jì)決定的），所以后輪就容易內(nèi)外偏磨，此時(shí)輪胎截面成梯形。然而這四種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中都存在著明顯的不足。而且按鍵多，在本來就儀表眾多的車上，將會顯得十分突兀。當(dāng)需要接收某個(gè)輪胎胎壓遙測模塊的信息時(shí)，只閉合靠近該輪胎的接收天線的微波開關(guān)，而關(guān)閉其它微波開關(guān)。當(dāng)然為了避免接收到其他汽車上的無效信息，傳感器唯一的 ID 碼是必須發(fā)送的，接收模塊 微控制器需要存儲屬于本車系統(tǒng)的 4 個(gè)傳感器 ID。但是此時(shí)傳感器唯一 ID 顯然發(fā)生了變化，所以中央監(jiān)視器需要具有“學(xué)習(xí)”的功能。電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)化成電容量，通過檢測電容量來判斷壓力的大小，具有動態(tài)響應(yīng)時(shí)間小、靈敏度高和受環(huán)境影響 小等特點(diǎn)。 GENPX 系列傳感器： NPXI 集成了壓力傳感器、溫度傳感器、電壓檢測、一個(gè)8 位微處理器、 4K 字節(jié)的用戶可編程空間、 4K 字節(jié)的定制 ROM 以及一個(gè) LF 輸入，所有測量信號經(jīng) 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換后都以數(shù)字信號輸出。在封裝的上方留有一個(gè)壓力 /溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測量電橋；同時(shí)這個(gè)孔將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。它成有一個(gè)可變電容的壓力感應(yīng)元件、一個(gè)溫度感應(yīng)元件和一個(gè)有喚醒功能的內(nèi) 電路，并采用 SSOP 超小型封裝，同時(shí)還內(nèi)置一個(gè)媒介保護(hù)過濾器和用于低功耗系統(tǒng)（可以使其硅片免受環(huán)境影響）。 傳感器、微處理器以及無線射頻收發(fā)電路集成為復(fù)合芯片是 TPMS 的發(fā)展趨勢之一，復(fù)合芯片有助于提高系統(tǒng)可靠性、降低功耗、減小體積、降低成本、簡化設(shè)計(jì)、縮短開發(fā)時(shí)間。 Motorola 公司的 MPXY 系列傳感器不具備加速度檢測功能，而 SP12 是一種具有內(nèi)置加速度檢測功能的傳感器，并可方便地與微控制器之間進(jìn)行通信，因此本設(shè)計(jì)最終選擇的是 Infineon 公司的傳感器 SP12。那么發(fā) 100 位要 10ms。 C 汽車級溫度范圍。因此，本系統(tǒng)輪胎模塊內(nèi)的微控制器采用微芯公司的 PIC16F636 芯片，控制 SP12傳感器芯片的數(shù)據(jù)讀取過程，并有效地控制數(shù)據(jù)幀的采集和發(fā)射，減小整個(gè)輪胎模塊的功耗。由于鋰亞電池要向模塊提供 5 年以上的工作能源，因此胎壓監(jiān)測模塊的整體電源管理十分重要。 輪胎模塊的所用的元器件主要是傳感器 SP12， PIC16F636，射頻發(fā)射芯片1479。在傳感器對汽車輪胎的壓力和溫度進(jìn)行測量時(shí)，它的測量范圍必須滿足輪胎壓力和溫度所可能達(dá)到的最大值和最小值。 SP12 測得的加速度是輪子轉(zhuǎn)動的離心加速度，輪子轉(zhuǎn)速大，離心力大，離心 加 速 度 也 大 ； 反 之 ， 離 心 加 速 度 小 ； 根 據(jù) 換 算 公 式 （ 4） 式中，是車輪轉(zhuǎn)動的角速度； r 是輪胎模塊相對于輪軸的距離，只要知道車輪轉(zhuǎn)動的角速度，就可求得加速度 a。 SP12 該功能的設(shè)計(jì)一方面是給 TPMS 系統(tǒng)提供每 6 秒檢測一次溫度和壓力數(shù)據(jù)的機(jī)會，另一方面也為 TPMS 系統(tǒng)在惡劣的汽車環(huán)境下能正 常運(yùn)作提供了保證，因?yàn)榧s每分鐘，系統(tǒng)將復(fù)位一次，排除了程序飛造成的系統(tǒng)死機(jī)。在第 8 個(gè)時(shí)鐘的下降沿以 后， NCS 的上升沿將會使保存在 SPI 移位寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到對應(yīng)的地址中去。每次當(dāng)控制字節(jié)“位移入”的同時(shí)，上一條控制字節(jié)的相應(yīng)會“位移出”。數(shù)字串行通信口分別與微控制器的四個(gè) I/O 口相連。芯片內(nèi)部集成的 PLL 模塊十分適合低成本發(fā)射器的設(shè)計(jì)， PLL 模塊由相位檢測器、線性濾波器、 VCO、 32 倍頻器和振蕩器組成。 CLK0 和 CLK1 兩個(gè)引腳接高電平。 圖 3 1479 接口電路 Fig3 1479 interface circuit PIC16F636 微控制器電路設(shè)計(jì) PIC16F636 輪胎模塊采用 PIC16F636 這款單片機(jī)作為微控制器。 DEV0、 DEV DEV2 這三個(gè)引腳接高電平。 微控制器通過 3 個(gè) I/O 來控制 ENABLE、 DIN 和 MODE，其中 ENABLE 為使能端，當(dāng) ENABLE 為低電平時(shí)， 1479 為休眠模式； DIN 是數(shù)據(jù)輸入引； MODE 是模式選擇引腳，當(dāng) MODE 接低電平時(shí)是 ASK 模式， 接高電平時(shí)是 FSK 模式，本系統(tǒng)采用抗干擾性較好的 FSK 調(diào)制。 1479 射頻發(fā)射電路設(shè)計(jì) in 公司的 1479 可發(fā)射 300MHz～ 450MHz 的 ASK 和 FSK 數(shù)據(jù)， 在 FSK 模式下采用曼徹斯特編碼可達(dá)到 20kbps 的數(shù)據(jù)速率。以測量壓力為例，具體的操作過程如下： 發(fā)送測量壓力指令（ 00ll0001B）給 SP12； 等待 6ms，使 SP12 有足夠的時(shí)間測量壓力； 發(fā)送讀補(bǔ)償壓力數(shù)據(jù)指令（ 010ll00B）； 在步驟 3 的下一個(gè)時(shí)鐘周期讀取 數(shù)據(jù)，即為補(bǔ)償壓力數(shù)據(jù)。且只有在返回值包含測量結(jié)果的時(shí)候， FSI 輸出才有效。SDO 將會被置成高阻狀態(tài)。這就是 SP12 特有的時(shí)鐘自動補(bǔ)償功能。 下面就這四個(gè)物理量的測量和處理及特點(diǎn)作逐一分析。 圖 1 SP12 的剖面圖 Fig1 The profile of SP12 圖 1 所示的是 SP12 傳感器的剖面圖。通過對 TPMS中的主要芯片性能的分析與對比，最終確定了 TPMS總體方案。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用 16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過 30 % ，而性能的損失卻很小。時(shí)鐘系統(tǒng)是微控制器功耗的關(guān)鍵，應(yīng)用可以每秒多次或者幾百次進(jìn)入與退出各種功耗模式。表 2 射頻芯片的性能比較 Table22 Performance parison of RF chip 芯片 1479 T5754 TDK5100F TDK5110 公司 in Atmel Infineon Infineon 傳輸電流 /FSK（ mA） 7 輸出功率（ dBm） 10 5 10 待機(jī)功耗（ nA） 小于10 晶振啟動時(shí)間（ ms） N/A 1 1 封裝尺寸（ mm） 3*3 3*3 3*3 * 相對應(yīng)射頻接收芯片采用 in 公司的 1471， 1471是一款低功耗射頻接收 器，用于接收幅移鍵控（ ASK）與頻移鍵控（ FSK）數(shù)據(jù)，而不需要重新配置器件，也不會像通常改變調(diào)制方案那樣引入延時(shí)。另外，由于 TPMS 輪胎模塊要求體積小，便于安裝在輪胎上，選擇小體積的收發(fā)芯片也是必須考慮的因素。 SP12將加速度檢測也集成在芯片中了，而 MPXY8020 的測量時(shí)間較短，但它沒有加速度檢測功能。它要求控制器至少提供 5 個(gè)引腳： 2 個(gè)用于控制其操模式， 2 個(gè)用于數(shù)據(jù)串行交換，另外 1 個(gè)用于接收數(shù)據(jù)。 低功耗方面：由于傳感器電池不能更換，為了保證 TPMS 發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下能盡可能長時(shí)間工作，系統(tǒng)低功耗節(jié)電是一個(gè)十分重要的課題，因此只有在大多數(shù)時(shí)間讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長電池壽命。 NPX 傳感器有如下特 性： 8 位 RISC（精簡指令）微處理器， 12 位 ADC， 4K 字節(jié)閃存（ EROM），4KROM 系統(tǒng)程序， 128 字節(jié) RAM， 128 字節(jié) EEPROM， LF（低頻） 接口電路， LF、定時(shí)、加速度傳感器、外部（運(yùn)動開關(guān)） 4 種喚醒方式，空閑、校準(zhǔn)、停機(jī)、熱保護(hù)停機(jī) 4 種工作狀態(tài)，壓力、溫度和電池電壓的測量、運(yùn)行補(bǔ)償和兼容輪胎壓力介質(zhì)， 450、 700 和 1400Kpa 絕對壓力范圍，傳感器斷線檢測，電池管理 最小化功耗，芯片內(nèi)置高溫停機(jī)功能，看門狗 /時(shí)間間隔定時(shí)器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堅(jiān)固，可承受 5 次 5000g 的跌落試驗(yàn)，采用的多晶硅主動防 護(hù)設(shè)計(jì)能極大的提高設(shè)備的電氣穩(wěn)定性，同時(shí)共晶結(jié)合封裝技術(shù)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力小 [33]。 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，選擇能夠檢測加速度的傳感器。 TPMS 從系統(tǒng)角度考慮，如果確定了系統(tǒng)所需使用的主要芯片，則系統(tǒng)總體方案也隨之確定，因?yàn)殡S 后的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。此時(shí)，需要記住換位前后 4個(gè)輪胎的位置，并在中央監(jiān)視器中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置修改。 所謂區(qū)分傳感器，即輪胎模塊在出廠時(shí)即設(shè)定好安裝位置。通過近距離對相應(yīng)輪胎發(fā)出 LF 信號，單獨(dú)觸發(fā)對應(yīng)輪胎的胎壓遙測模塊，然后被觸發(fā)的胎壓遙測模塊將身份識別碼通過RF 發(fā)射，接收模塊 RF 接收得到相應(yīng)輪胎模塊的身份識別碼，從而自動確定輪胎位置。不足之處是：使用中不能安裝錯(cuò)位，否則定位混亂，同時(shí)若一發(fā)射模塊損壞，用戶不能方便地從市場上購買到相同碼組的模塊更換，必須 到廠商購買與前一損壞模塊編碼一致的模塊。這就導(dǎo)致了原來存儲在接收模塊存儲器中的 ID 碼與各輪胎對應(yīng)關(guān)系表失效，如果不更新表項(xiàng)，顯示就會錯(cuò)位。 壓力無明 顯變化，固定間隔時(shí)間段上報(bào)一次壓力、溫度。設(shè)計(jì)框圖見圖 2。采用軟件抗干擾的前提是系統(tǒng)的抗干擾軟件不會因干擾而受到損壞。 TPMS 的可靠性是由多種因素決定的，其中系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。 軟件設(shè)計(jì)中高效的算法可調(diào)節(jié)發(fā)射和測量頻率。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護(hù) [27]。汽車制造商要求直接 TPMS 的電池能維持至少 6 年以上。 直接式 TPMS 的輪胎模塊安裝在汽車輪胎內(nèi)部（氣門嘴或輪轂處），其物理尺寸在滿足電路功能的條件下應(yīng)盡可能小型化。工作時(shí)輪胎處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，因 而必須固定牢靠。 當(dāng)輪胎磨損需要換位保養(yǎng)時(shí)，可以通過人機(jī)界面方便快捷地重新定位各個(gè)輪胎。供應(yīng)后裝市場，輪胎模塊與接收模塊之間采用無線通信的方式。因此，該系統(tǒng)必須具備在汽車輪胎換位之后的傳感器模塊重新定位功能。氣壓過低，輪胎變形為外張內(nèi)縮，導(dǎo)致生熱增加，加速橡膠老化、疲勞，出現(xiàn)脫層現(xiàn)象等 。 外胎在輪惘上有時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動，易引起氣門嘴脫落，而且驅(qū)動輪上的輪胎易損壞。若用潑冷水的辦法降溫，則會因降溫過快導(dǎo)致輪胎胎面和胎側(cè)膠層收縮不均，產(chǎn)生裂紋，縮短輪胎的使用壽命。 輪胎的生熱和溫升不僅影響其使用性能，而且對汽車油耗也有很大的影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度由 0℃升到 100℃時(shí)，橡膠的強(qiáng)度及簾線的附著力大約降低 50%，不同材料的簾線，其強(qiáng)度也有不同程度的下降。 汽車高速行駛時(shí)，輪胎的流動阻力隨行駛速度的增加而增大，達(dá)到一定的程度輪胎便發(fā)生駐波現(xiàn)象，輪胎不再是圓形，而是呈波浪形，胎體內(nèi)部組織間的摩擦加劇，胎體溫度升高，胎體內(nèi)的簾線、鋼絲和橡膠性能下降，部件間的附著力降低，導(dǎo)致各部件之間的分離、脫落，直到爆裂。因此運(yùn)輸公司為了換用無內(nèi)胎輪胎存在著投資損耗和編制問題，從而使無內(nèi)胎輪胎在載重汽車上的普遍使用受到了限制。無內(nèi)胎輪胎胎圈底部斜度較大，胎圈直徑較輪轂直徑小，與輪轂邊緣相接觸的“密封膠”部位的曲率較輪輞邊緣曲率大，因此胎圈能與高精度的帶有金屬氣門嘴的輪輞之間形成可靠的密封。 確定 TPMS 的整體方案和應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能和性能。 直接式 TPMS 系統(tǒng)主要有二個(gè)部分組成：安裝在汽車輪胎里的輪胎壓力監(jiān)測模塊（以后簡稱輪胎模塊）和安裝在汽車駕駛臺上的中央接收模塊（以后簡稱接收模塊）。 單向通信系統(tǒng)只有一條通信鏈路，由輪胎模塊將檢測的輪胎數(shù)據(jù)發(fā)送給中央接收模塊，一般采用無線發(fā)射芯片和無線接收芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。對于 在 4 個(gè)輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統(tǒng)來說，此類軟件的升級可以用于監(jiān)測車速的變化，輪胎壓力變低也會導(dǎo)致車速發(fā)生變化。 [15]。尤其大型載貨汽車，安裝 TPMS 是非常必要的。美國每年的汽車銷量約為 1500 萬輛（包括轎車和卡車），全球每年約 5000 萬輛，平均每輛車需要 個(gè)輪胎（不包括備用胎） [10]。 TPMS 系統(tǒng)無疑將是理想的工具。而保持正常氣壓行駛可節(jié)省油費(fèi)開支。 提供“事前主動”型安全保護(hù)。除特殊機(jī)械故障外，汽車行駛安全最重要的兩大因素就是剎車裝置和輪胎。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一 個(gè)重要課題。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。有人曾經(jīng)用一句話來概括輪胎的重要性：當(dāng)一個(gè)人坐到汽車?yán)锩嬉院?，這個(gè)人實(shí)際上就交給了汽車；一旦汽車行駛起來，這個(gè)人實(shí)際上就全部交給了汽車。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警；是駕駛員和乘客的生命財(cái)產(chǎn)