【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 7 接收、數(shù)據(jù)的最終處理和顯示、 CAN和 USB通信、人機(jī)接口以及預(yù)警等。其中，處理監(jiān)控單元選用 Freescale 推出的汽車電子級(jí) MCU即 MC9S08DZ60、高靈敏度 RF 接收芯片 MC33594，器件的具體參數(shù)和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)見第四章。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 TPMS系統(tǒng)原理，分析和提出了 TPMS系統(tǒng)的性能參數(shù)要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)方案的論證和設(shè)計(jì)，進(jìn)行了器件的比較和選型，選擇 Freescale 最新推出的具有高集成度的智能輪胎傳感器模塊，確保后面整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低功耗、高集成度、模塊化和更小型化。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 第 3 章 輪胎參數(shù)檢測(cè)與發(fā)射模塊的硬件設(shè)計(jì) 輪胎參數(shù)檢測(cè)與發(fā)射模塊主要完成對(duì)輪胎壓力、溫度、模塊電池電量甚至包括 Z軸向和 x軸向加速度的檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理后通過 RF發(fā)射到安裝在駕駛室的中央接收模塊。其性能要求主要有檢測(cè)精度高、無線通信可靠、低功耗等。 輪胎參數(shù)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)前面的方案論證設(shè)計(jì)，輪胎檢測(cè)模塊以 Freescale 的 MPXY83XX為核心，因?yàn)樵撔酒?MCU、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓檢測(cè)、可選的單軸 (Z)或雙軸 (Z 和 x)加速計(jì)于一體，具有兩個(gè)鍵盤輸入中斷 (KeyBoardInterrupt， KRI)，只需要極少量的外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的檢測(cè)發(fā)射系統(tǒng)。外圍器件主要包括少許電容、電阻、發(fā)射天線、供電用鋰亞電池等。因此，整個(gè)系統(tǒng)可以做得很精簡(jiǎn)，印刷電路板(PrintedCircuitBoard， PCB)板面積小，且性能較好，功耗低，安 裝方便。具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖 31所示。 圖 31 輪胎檢測(cè)發(fā)射模塊原理圖 Vcap 引腳處電容 C14 的作用是充當(dāng)內(nèi)部充電泵升電路的負(fù)載電容。當(dāng)系統(tǒng)供電電池的電量不夠時(shí)，為了保證通信的可靠性，則可以利用內(nèi)部的充電泵升電路給天線發(fā)射提供更多能量，以保證無線通信的成功，如果不采用此功能時(shí)則 Vcap 腳必須懸空。PTA0～ PTA6引腳均可以作為通用 I／ O使用，但是如果沒有使用則必須都接地。 為了節(jié)省電能 (電池供電 )，檢測(cè)模塊只在特定的時(shí)間間隔內(nèi)，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集、青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 分析以及 RF 發(fā)射，而大部分時(shí)間里處于低功耗的休眠狀 態(tài)，當(dāng)然，可以通過 PWU 時(shí)鐘或者 LF 兩種方式喚醒。這個(gè)特定的時(shí)間間隔取決于 MPXY83XX 內(nèi)部的低頻振蕩器(LowFreqencyOscillation， LFO)和喚醒周期。 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì) 輪胎傳感器檢測(cè)模塊裝置安裝在輪胎內(nèi)部，一般是多年才更換一次，所以要求檢測(cè)發(fā)射模塊更穩(wěn)定、更可靠和更低功耗。在本文設(shè)計(jì)中，從兩個(gè)方面著手：一是低功耗器件的選擇；二是低功耗管理機(jī)制。低功耗具體措施如下： 1)MPXY83XX本身的高集成度和很低的待機(jī)功耗 (待機(jī)電流 A)； 2)時(shí)鐘頻率、晶振的啟動(dòng)時(shí)間措施。 同等條件下，系統(tǒng)功耗與時(shí)鐘頻率和晶振的啟動(dòng)時(shí)間均成正比，即時(shí)鐘頻率越高，功耗越大，晶振啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，功耗越高； 3)休 眠 與喚醒機(jī)制。此機(jī)制的實(shí)現(xiàn)在于采用高效的系統(tǒng)管理算法，由于 MPXY83XX內(nèi)嵌的是一個(gè) 8bit 的 S08 系列的 MCU，其工作模式有正常 行模式 (RunMode)、后臺(tái)運(yùn)行模式 (ActiveBackgroundMode)、等待模式 (WaitMode)、停止模式 (StopMode)，每種模式的功耗不同，后臺(tái)運(yùn)行模式主要是在進(jìn)行代碼開發(fā)時(shí)用；而在等待模式下， CPU關(guān)閉，系統(tǒng)時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)部 分保持工作；停止模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘停止，具體又包括 4 種狀態(tài) (停止模式 l，停止模式 2，停止模式 3，停止模式 4)，列表這 4 種狀態(tài)下MCU內(nèi)部資源的運(yùn)行情況如表 31所示。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇停止模式 l。 表 31 MCU停止模式比較 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 表中的 Optionally On是指在某些條件的具備或者使能的情況下，則可以啟動(dòng)該選項(xiàng)中的資源， Periodically On指周期性開啟。需要注意的是在 TPMS應(yīng)用中， LFO， PWU和參數(shù)寄存器始終保持為上電開啟狀態(tài)。 4)RF發(fā)射 (包括發(fā)射功率、發(fā)射次數(shù) )。 RF 發(fā)射功率的 合適選擇 (配合天線 )，發(fā)射次數(shù)的抉擇 (當(dāng)檢測(cè)到壓力或者溫度等參數(shù)沒有達(dá)到變化閾值，不啟動(dòng) RF 發(fā)射，即只有當(dāng)檢測(cè)參數(shù)發(fā)生一定程度的變化，或者出現(xiàn)任意參數(shù)達(dá)到或超過預(yù)警閾值則啟動(dòng) RF 發(fā)射 )，因?yàn)樵诤侠淼那闆r下，減少 RF發(fā)射次數(shù)能有效降低功耗； 5)電池的選擇。傳統(tǒng)的鋰電池在 40℃低溫時(shí)喪失電能，在 100℃高溫時(shí)會(huì)自動(dòng)放電。而鋰亞電池優(yōu)秀的高低溫特性使其成為目前 TPMS 能源的最佳選擇，能很好地滿足TPMS寬溫度范圍的要求，此外，為了使其能供電 3~5年，則必須設(shè)計(jì)好電源管理方案。 無線發(fā)射單元設(shè)計(jì) RF 無 線通信單元主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)從輪胎檢測(cè)模塊到中央處理模塊的數(shù)據(jù)通信，即給中央處理模塊發(fā)送輪胎各參數(shù)，包括輪胎識(shí)別 ID 碼、輪胎壓力、輪胎溫度、模塊電池電量等，那么保證通信的可靠是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。而無線通信的可靠性與通信協(xié)議的選擇、發(fā)射天線的設(shè)計(jì)以及發(fā)射的功率等因素有關(guān)?，F(xiàn)分別從這些方面來進(jìn)行輪胎檢青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 測(cè)模塊無線發(fā)射單元的具體設(shè)計(jì)。 天線匹配網(wǎng)絡(luò)及設(shè)計(jì) 天線的基本功能是將發(fā)射機(jī) (或傳輸線 )過來的高頻電流或?qū)Р芰哭D(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波并傳送到空間；在接收端，則是將空間傳來的無線電波能量變?yōu)橄蚪邮諜C(jī)傳送的高頻電流或 導(dǎo)波能量。天線在無線傳輸中起到傳輸紐帶和中繼的作用，其性能好壞直接影響到無線通信的效果。 天線技術(shù)涉及天線的幾何形狀、材料和介質(zhì)等諸多因素。 TPMS發(fā)射器的天線靠近氣門嘴，位于輪轂內(nèi)，因而在設(shè)計(jì)天線時(shí)必須考慮金屬輪轂和輪胎金屬絲網(wǎng)的屏蔽，以及車輪高速行駛時(shí)天線不斷變換方向、角度的影響。在 TPMS系統(tǒng)中采用印刷電路板小環(huán)天線 (Loop Antenna)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。環(huán)形天線的形狀可以作成矩形、三角形、正方形或圓形等。若圓環(huán)的半徑 b很小，即環(huán)的周長(zhǎng) C僅為工作波長(zhǎng) (λ )的一部分，當(dāng) C=2π b≤ ，稱為小環(huán)天線，此時(shí)沿線電流的振幅和相位變化不大，按均勻分布。有時(shí)為了提高小環(huán)天線效率，可采用多匝環(huán)及磁加載的辦法。總之，可以通過選擇天線的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、電流分布等來滿足使用者所要求的電特性，故其具有設(shè)計(jì)靈活的突出優(yōu)點(diǎn)。此外，天線匹配網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，如果沒有設(shè)計(jì)好，則會(huì)造成很大的能量損耗，直接影響到發(fā)射模塊的有效傳輸距離，進(jìn)而影響到無線通信的可靠性。 天線的主要性能指標(biāo) 描述天線轉(zhuǎn)換電磁能量能力的大小、輻射性能的好壞主要取決于其應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)的總體要求。通常有如下一些指標(biāo)： (1)天線的輸入阻抗。輸入阻抗定 義為：天線輸入端電壓與輸入端電流的比值，即 iZ = iiUI (31) 當(dāng)輸入電壓和輸入電流同相時(shí)，輸入阻抗呈純阻性。一般情況下輸入阻抗包含有電阻及電抗兩部分，即 iZ = iR +jX。天線的輸入阻抗取決于天線的工作原理、結(jié)構(gòu)尺寸、周圍介質(zhì)、工作環(huán)境及工作頻率， 輸入電阻又包含輻射電阻 和損耗電阻。接到發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的天線，其輸入阻抗等效為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的負(fù)載。因此，天線的輸入阻抗與發(fā)射或接收機(jī)的輸出阻抗的匹配程度直接決定了無線能量的傳輸效率。 (2)天線的方向性系數(shù)和增益。天線的方向性系數(shù)表示天線將能量集中輻射的程度，定義為在輻射功率相等的條件下，天線在某個(gè)方向的輻射功率密度 s與理想點(diǎn)源 (理想點(diǎn)青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 12 源向四周均勻地輻射，也稱為無方向性天線或各向同性天線。作為一種參考天線，理想點(diǎn)源在天線分析中起著重要作用 )的輻射功率密度之比，即 式 32中， 是所討論天線的輻射功率； 是理想點(diǎn)源的輻射功率。而增益 (G)是指在相同的輸入功率下，某天線產(chǎn)生于某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方與無耗理想點(diǎn)源天線產(chǎn)生在同一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方的比值，通常以天線在最大輻射方向的方向性系數(shù)作為天線的方向性系數(shù)，同理，增益也是。天線增益 G與方向性系數(shù) D的關(guān)系為 其中， η 為天線效率，表示天線在能量變換上的效用。且有 是 天線的接收功率， 是天線的輸入反射功率。 和 為天線的輻射阻抗和損耗阻抗。對(duì)于電小天線，饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗非常嚴(yán)重，由于天線為電小的，故輸入容抗很高，輸入電阻很小，需要串入一個(gè)大電感來消除容 抗以滿足諧振條件。因此，在考慮電小天線的效率時(shí)，還應(yīng)考慮匹配電路損耗功率。則天線的輻射效率％。可以表示為 (3)反射系數(shù)和駐波比。反射系數(shù)定義為沿著傳輸線的某個(gè)固定空間位置的發(fā)射電壓波與入射電壓波之比。它描述了特性線阻抗和天線輸入阻抗之間的阻抗失配度，即 則電壓駐波比可表示為 當(dāng)天線的輸入阻抗與傳輸線阻抗 Zo 不匹配時(shí)，就在傳輸線上形成駐波。駐波比表明天線的阻抗與傳輸線阻抗的失配程度。當(dāng) VSWR=1時(shí)，系統(tǒng)完全匹配；當(dāng) VSWR≤ I． 5青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 13 時(shí)，系統(tǒng)匹配優(yōu)良；當(dāng) VSWR≤ 2時(shí)，系統(tǒng)匹配良好；當(dāng) VSWR≤ 3時(shí)，系統(tǒng)匹配程度尚可適用；當(dāng) VSWR≥ 3． 5 時(shí)，系統(tǒng)匹配差。描述 VSWR，反射系數(shù)和發(fā)射功率之間的關(guān)系如表 32所示。 表 32VSWR、反射系數(shù)和反射功率的關(guān)系 (4)天線的極化和帶寬。天線極化是描述天線輻射電磁場(chǎng)矢量空間指向的參數(shù)。由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)有恒定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故一般都以電場(chǎng)矢量空間的指向作為天線輻射電磁波的極化方向。根據(jù)天線在其最大輻射方向上電場(chǎng)的極化形式來定義天線的極化，可以分為線極化、圓極化和橢圓極化。在同一系統(tǒng)中，收、發(fā)天線的極化必須相同。若接收天線的極化與入射平面波的極化一致，則稱極 化匹配，極化效率為 1，否則，則稱極化不匹配，接收功率損失。 天線的各種參數(shù)，包括天線方向圖、輸入阻抗、增益等都和頻率有關(guān)，天線的頻帶寬度是指其主要電氣指標(biāo)如駐波系數(shù)、增益、主瓣寬度、副瓣電平、極化特性、相位分布等均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)的頻率范圍。若同時(shí)對(duì)幾項(xiàng)指標(biāo)都作具體要求時(shí)，則應(yīng)以其中最嚴(yán)格的要求作為確定天線帶寬的依據(jù)。總之，天線的帶寬是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)指標(biāo)，為了系統(tǒng)使用的需要，在設(shè)計(jì)時(shí)有時(shí)候得采取折中的辦法。 天線的結(jié)構(gòu) 對(duì)于一很小的環(huán)來說，如果環(huán)的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于 λ /4，則其方向圖和環(huán)的實(shí)際形狀無關(guān)，即環(huán)可以 是矩形、三角形或其它形狀的。 TPMS系統(tǒng)的發(fā)射模塊一般設(shè)計(jì)成矩形，據(jù)此，一般也將 TPMS系統(tǒng)發(fā)射天線設(shè)計(jì)成矩形。這種環(huán)天線可以用細(xì)導(dǎo)線、薄金屬板、印刷電路線或其它材料組成，在 TPMS系統(tǒng)的應(yīng)用中，為制作簡(jiǎn)單，降低成本和確保結(jié)構(gòu)牢固，采用印刷電路線組成。其結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 14 圖 32矩形環(huán)天線示意圖 小環(huán)天線的阻抗可以等效地用電路參數(shù)表示，如圖 33所示， 表示輻射電阻，表示損耗電阻， L表示環(huán)結(jié)構(gòu)自感，則環(huán)天線的輸入阻抗為 圖 33小環(huán)天線的等效電路 面積為 A的印刷電路板小環(huán)天線在波長(zhǎng)在 λ 時(shí)， 輻射電阻為 環(huán)形天線的 損耗電阻 (忽略介質(zhì)損耗 )用環(huán)形天線周長(zhǎng) P、線寬 W、磁導(dǎo)率 μ、電導(dǎo)率 σ、頻率 f 表示為 環(huán)形天線的電感 L用周長(zhǎng) P、面積 A、線寬 W、磁導(dǎo)率 μ表 示為 而天線的效率 η則可以表示為 利用 η和失配系數(shù) γ以及增益 G，可以把天線系統(tǒng)的增益表示成 天線匹配網(wǎng)絡(luò) 一 般信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗不會(huì)正好共軛匹配，即 ，在射頻電路設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)源到負(fù)載無相移最大功率的傳輸，在信號(hào)源和負(fù)載之間以及各模塊之間插入青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 15 一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，通常這種無源網(wǎng)絡(luò)被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖 34所示。實(shí)際的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅僅可以減小功率損耗，它們還具有減小噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等功能。 圖 34匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖 圖 34中輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載是天線，而輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載是下一級(jí)輸入回路。匹配網(wǎng)絡(luò)可以分為 L型網(wǎng)絡(luò)、 T型網(wǎng)絡(luò)和 π 型網(wǎng)絡(luò)，而 L型網(wǎng)絡(luò)一旦確定了源阻抗和負(fù)載阻抗后，則其品質(zhì)因素 為固定值，那么就達(dá)不到控制的要求，所以設(shè)計(jì)時(shí)從后兩種匹配網(wǎng)絡(luò)模型著手。針對(duì) MPXY83XX設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，具體實(shí)現(xiàn)如圖 35所示。 圖 35匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 目前，用于 TPMS 系統(tǒng)的發(fā)送器 IC 一般工作在 260～ 470MHz的 ISM 公共頻段，最典型的為 315MHz和 434MHz。在這里，針對(duì) MPXY83XX設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，并給出工作于這兩個(gè)頻段的小環(huán)天線匹配網(wǎng)絡(luò)的具體參數(shù)值。環(huán)形天線到發(fā)送器 IC 阻抗匹配的完整模式必須包括偏置電感、 PA(Power Amplifiers)的輸出電容、引線、封裝、寄生參量等，為了達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果，使天線的效率達(dá)到更高，在最后的調(diào)試中可以適當(dāng)對(duì)匹配元件進(jìn)行少許修改。具體匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表 33所示。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 16 表 33匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)列表 表中所列匹配網(wǎng)絡(luò) Ll、 L2 和 C3 的值在采用小環(huán)天線是 可行的，如果采用外部天線(External Antenna)，即圖 35中與電阻 R1 相連接的天線，則匹配網(wǎng)絡(luò)必須相應(yīng)的修改。并且，根據(jù) MPXY83XX的數(shù)據(jù)手冊(cè)，設(shè)定此天線為一個(gè) 50Ω 的負(fù)載。如果不是，則可以一邊測(cè)試，一邊適當(dāng)修改圖 35 中的 C C5 和 R2 參數(shù)值，從而最終獲得期望的輸出功率。 無線通信協(xié)議設(shè)計(jì) 實(shí)際通信中不少信道都不能直接傳送基帶信號(hào)，必須采用基帶信號(hào)對(duì)載波的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而相應(yīng)改變，即所謂的載波調(diào)制。本