【文章內(nèi)容簡介】 ℃ 接收頻率： 調(diào)制方式： FSK 接收靈敏度： ≤ 100dBm LCD 實時顯示 聲光報警 TPMS 的工作環(huán)境 輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)是用于測量輪胎壓力。它的輪胎模塊被埋置于輪胎內(nèi)部，工作在輪胎封閉的環(huán)境中。故而輪胎的壓力信息傳遞必須通過無線通信來解決。工作時輪胎處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，因 而必須固定牢靠。在真空胎中可很容易地解決這一問題。 此外，輪胎模塊是固定在輪胎里的。當(dāng)發(fā)射部分隨著輪胎轉(zhuǎn)到背向主機時，由于金屬輪轂對信號有屏蔽作用，接收靈敏度將有所下降。所以需要對發(fā)射部分的天線裝置的設(shè)計多加注意，盡量減小由于輪胎轉(zhuǎn)動和屏蔽所帶來的負(fù)面影響。 我國，南方的最高氣溫高于 40℃，而北方的最低氣溫低至零下 40℃，并且汽車在高速行駛的過程中，汽車在高速行駛的過程中，輪胎與地面產(chǎn)生很大的摩擦熱量致使輪胎內(nèi)部氣溫遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，因此對安裝其上的電子設(shè)備有寬溫度范圍的要求。輪胎模塊為電池供電系統(tǒng)，有限的電 池容量需要極為嚴(yán)格功耗控制才能確保系統(tǒng)的持續(xù)使用期限。頻繁的更換電池會給使用者帶來不便，所以，系統(tǒng)設(shè)計時需嚴(yán)格控制功耗 [26]。 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。數(shù)據(jù)采集及傳送模塊質(zhì)量的大小，決定了安裝載體輪胎動平衡調(diào)整的難易程度。 綜合起來，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。 功耗低，尤其是輪胎模塊的功耗要盡可能的低。 可靠性，系統(tǒng)的抗干擾能力要好。因為，模塊間采用的是信號的無線傳輸，在傳輸?shù)?過程受到各種各樣的干擾。 因此，對于直接式 TPMS 系統(tǒng)，在方案設(shè)計的時候要考慮這幾個問題。 TPMS 的輪胎模塊包含的組件有傳感器、微控器、 RF 電路、天線和電池。汽車制造商要求直接 TPMS 的電池能維持至少 6 年以上。電池必須重量輕，體積小，電量大，且工作溫度必須為－ 40℃到 125℃。由于這些限制，電池往往選擇的是鈕扣式電池而不是大號電池。 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 TPMS而言至關(guān)要。如果沒有這些關(guān)鍵特性，整個系統(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、磷酸鈉等接觸時所表現(xiàn)出來的不受干擾性。因為輪胎模塊是內(nèi)置于輪胎內(nèi)部的，所以電子組件面對的是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境，除了－ 40℃到 125℃的寬工作溫度范圍外，還將面對潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵襲。 TPMS 傳感器特別容易被腐蝕，因為它的壓力進口必須與空氣接觸才能監(jiān)測周圍的壓力。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護 [27]。 輪胎模塊裝置在輪胎內(nèi)部，更換電池不便，所以輪胎模塊的功耗管理顯得尤為重要。減少功耗可以從硬件和軟件上兩方面考慮。 硬件低功耗設(shè)計就是選擇低功耗組件、使用具有 集成功能的組件來減少組件數(shù)量。采用運動開關(guān)或加速度傳感器，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時，輪胎模塊停止運行，取消發(fā)送以節(jié)省電量。多數(shù)情況下，車輛處于停車狀態(tài)的時間比真正行駛時間要長得多。因此這種方法可以大幅度節(jié)省電量。另外在電路設(shè)計的時候，要避免與微控制器管腳直接相連的電阻在休眠狀態(tài)下消耗電能；對高阻輸入的 I/O引腳，應(yīng)該在外部上拉到高電平或者下拉低電平，以免懸空狀態(tài)下的雜散信號侵入引起開關(guān)電流。 軟件設(shè)計中高效的算法可調(diào)節(jié)發(fā)射和測量頻率。在軟件設(shè)計的時候，可能要考慮以下這些問題： 數(shù)據(jù)測量的頻率是多少？如果測量頻率 高，加大電量的消耗；如果頻率低，容易漏報，不能實時的監(jiān)測輪胎的狀態(tài)。 如何判斷汽車是否處于行駛狀態(tài)？在汽車停止行駛的時候使整個系統(tǒng)處于睡眠模式，這樣可以大幅度節(jié)省電量。 數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率是多少？延長發(fā)射間隔顯然可以降低功耗，但需要在此與數(shù)據(jù)可靠性和用戶獲取信息的及時性之間進行權(quán)衡。 是否需要重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)？因為對一個完整的直接式 TPMS 系統(tǒng)而言， 4 個輪子中的輪胎模塊同時工作。而這 4 個模塊都是相互獨立的，無法互相交流，所以在和唯一的中央監(jiān)測器通信時，必然存在一定的沖突概率。并且輪胎模塊工作環(huán)境十分惡劣，干擾強，存 在一定接收不到的概率。 每個數(shù)據(jù)幀的長度設(shè)為多少？發(fā)射芯片發(fā)射數(shù)據(jù)時要比輪胎模塊上其他任何部分消耗更多的電池能量，因此傳輸較短的數(shù)據(jù)幀能顯著延長電池壽命。 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)。因此在輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，特別是涉及到了高頻無線信號，必須考慮與設(shè)計系統(tǒng)的抗干擾能力?？垢蓴_設(shè)計主要包括硬件抗干擾設(shè)計和軟件抗干擾設(shè)計，由于系統(tǒng)在高頻無線信號的收發(fā)，還應(yīng)該特別關(guān)注了高頻線路印刷電路板的設(shè)計 [28]。 在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，為了消除高頻信號對數(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，消除高頻信號的干擾 [29]。在元件布局和布線設(shè)計中，電源線盡可能的粗些，地線進行覆銅，按鍵盡量的遠(yuǎn)離微控制器，因為它會產(chǎn)生較大的電磁干擾 [30]。對一些信號線，盡可能粗和短，拐角時走 135 度斜線或者弧線，避免 90 度拐角；進行“包地”等屏蔽，數(shù)字線與模擬線分開走線，若無法避免，則兩者應(yīng)垂直走線，大電流快變信號線盡量靠近地線，必要時，采取電容濾波； PCB 外接信號線盡量縮短。系統(tǒng)中時鐘信號關(guān)系到微控制器的運行和信號的無線收發(fā)，為避免干擾，采取以下措施：晶振 與芯片引腳的連線盡可能的粗和短，用地線包圍振蕩電路，大電流快變信號遠(yuǎn)離晶振連線 [31]。 硬件系統(tǒng)采用的抗干擾措施，只能抑制高頻率段的干擾，仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)，因此，除了采用硬件抗干擾方法外，還必須采用軟件抗干擾措施。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。由于程序及一些重要的數(shù)據(jù)放在 ROM 區(qū)，這就為軟件抗干擾設(shè)計創(chuàng)造了良好的前提，并且在系統(tǒng)中所有 RAM 區(qū)的數(shù)據(jù)在破壞后，系統(tǒng)復(fù)位的情況下，完全能夠重新建立，這些都為軟件的抗干擾設(shè)計提供了條件。 干擾引起的程序運行失常，以至于系統(tǒng)的失效 ，是一種比較嚴(yán)重的干擾后果，一般會造成程序跑飛或者陷入死循環(huán)，對這種干擾后果的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常時，能夠及時引導(dǎo)程序恢復(fù)原始狀態(tài)。 對于干擾引起無線通訊信號變化的抗干擾設(shè)計，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，提高數(shù)據(jù)的檢錯率。 TPMS 系統(tǒng)方案的總體框圖如圖 1 所示。這個輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)需要四個和一個接收模塊，四個和接收模塊進行無線傳輸。 圖 1 系統(tǒng)總體框圖 Fig1 Block diagram of System general 胎模塊的硬件總體設(shè)計 輪胎模塊的功能主要有兩種：信號采集處理和信號發(fā)射。從傳感器采集的信號，由微處理器完成采樣，然后由微處理器進行數(shù)據(jù)分析處理，再進行軟件編碼，將數(shù)據(jù)幀送給射頻發(fā)射電路；信號經(jīng)調(diào)制后發(fā)射給接收模塊。設(shè)計框圖見圖 2。 圖 2 輪胎模塊框圖 Block diagram of tire module 收模塊的硬件總體設(shè)計 接收模塊的功能主要有信號接收、信號處理、顯示數(shù)據(jù)和報警，包括射頻接收電路、信號處理、顯示報警及人機接口四部分；如圖 3 所示。由發(fā)射出來的射頻信號放大解調(diào)后，將數(shù)字信號送給微處理器 。微處理器再進行譯碼，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，聲光報警等。人機接口部分主要包括 LED 指示燈，按鍵等。 圖 3 接收模塊 Block diagram of recive module 輪胎模塊軟件的總體設(shè)計 軟件總體分為睡眠模式和工作模式 2 種運行模式。 睡眠模式是以最低的功耗運行，響應(yīng)系統(tǒng)的運行要求。 工作模式主要完成以下功能： 定時測量輪胎壓力、溫度等狀態(tài)量； 壓力在不同級別區(qū)域內(nèi)有報警時，同一個級別只上報一定次數(shù)。 壓力無明 顯變化，固定間隔時間段上報一次壓力、溫度。 保證系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)每隔一定時間復(fù)位一次。 不同級別報警同時出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級別的優(yōu)先級報。 汽車因為前后左右車輪負(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。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)計決定的），所以后輪就容易內(nèi)外偏磨，此時輪胎截面成梯形。后輪驅(qū)動也會出現(xiàn)相應(yīng)的輪胎偏磨現(xiàn)象。為了延長輪胎的使用壽命，達到四個輪胎同步均勻磨損 的效果，就需要定期進行輪胎換位。 在輪胎換位的過程中，相應(yīng)的胎壓遙測模塊也會換位。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，顯示就會錯位。 同樣，如果調(diào)換新的輪胎，或者某一輪胎的胎壓遙測模塊損壞，用戶需要更換該模塊時，新模塊的 DI 碼與已損壞的胎模塊不同，且不在現(xiàn)存對應(yīng)關(guān)系表中，導(dǎo)致更換模塊的信息不可識別而被丟棄。這樣在輪胎換位或調(diào)換輪胎時就存在一個輪胎重新識別的問題。 TPMS 目前為了解決 TPMS 輪胎更換和輪胎換位時的定位以及重定位問題，主要采用了定編碼形式，界 面輸入，低頻喚醒，天線接受近發(fā)射場等四種定位技術(shù)。然而這四種技術(shù)在實際應(yīng)用中都存在著明顯的不足。作者在對一個直接式 TPMS 系統(tǒng)的設(shè)計和研究過程中，研究開發(fā)了區(qū)分傳感器和界面輸入混合使用的輪胎定位技術(shù)，使得輪胎定位更簡單有效 [32]。 接收顯示模塊中微控制器的存儲器中的碼與輪胎對應(yīng)定位關(guān)系信息在出廠時固化。在 TPMS 胎壓遙測模塊的外殼上有標(biāo)記，安裝時按照標(biāo)記將胎壓遙測模塊安裝在對應(yīng)的輪胎內(nèi)。不足之處是：使用中不能安裝錯位，否則定位混亂，同時若一發(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。輪胎換位時，胎壓遙測模塊不能跟隨輪胎的變動而變動，而必須按照其標(biāo)記位置重新拆卸和安裝，非常麻煩。 該定位技術(shù)是將每個胎壓遙測模塊的識別 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，就將識別 ID 碼按鍵輸入到接收端，進行重新定位。不足之處是：識別 ID 碼一般都很長，所以輸入就非常不方便，用戶也容易出現(xiàn)碼組輸入錯誤的問題。而且按鍵多，在本來就儀表眾多的車上，將會顯得十分突兀。 這是目前各大開發(fā)公司用的比較普遍的一種技術(shù)。該定位技術(shù)是利用 LF（低頻）信號（ 125Hz）的近場效應(yīng)。在該方案中， PMS 系統(tǒng)可以結(jié)合遙控車鎖技術(shù)或在中央監(jiān)視器上集成 LF 發(fā)送模塊。通過近距離對相應(yīng)輪胎發(fā)出 LF 信號，單獨觸發(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。 TPMS 系統(tǒng)通過單獨觸發(fā)各個胎壓遙測模塊，可以依次收集各個輪胎的數(shù)據(jù)，避免了定時隨機方式可能發(fā)生的數(shù)據(jù)發(fā)送：“撞車”事件，提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。 該定位方式的不足之處有三個胎壓遙測模塊需要四個 LF 天線，增加了布線量 LF 信號可能會誤觸發(fā)相 鄰的發(fā)射檢測模塊 由于汽車上電磁環(huán)境復(fù)雜，存在各種千擾，會對低頻信號造成干擾，導(dǎo)致身份識別失效。 該定位技術(shù)是接收顯示模塊有四個接收天線，分別延伸到每個輪 20～ 30c的近場內(nèi)，接收天線由數(shù)控微波開關(guān)控制。當(dāng)需要接收某個輪胎胎壓遙測模塊的信息時，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)。該定位技術(shù)的不足之處在于： 天線布線復(fù)雜，微波開關(guān)成本高，而且目前技術(shù)水平下 RF 開關(guān)隔離度不夠，有串碼（即接收到了別的輪胎的信息）的可能。 由于汽車上電磁環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾，也存在定位失效的可能。 射頻開關(guān) 的導(dǎo)通時序是按一定規(guī)則的，而 4 個輪胎發(fā)射檢測模塊的發(fā)射是隨機的，故存在某個輪胎附近的射頻開關(guān)導(dǎo)通時，該輪胎的發(fā)射檢測模塊正好沒有發(fā)射信號的可能，導(dǎo)致漏幀。 所謂區(qū)分傳感器，即輪胎模塊在出廠時即設(shè)定好安裝位置。需要占用單片機兩個通用 I/O 口，通過短接高 /低電平實現(xiàn)一個非常簡單的二元編碼。比如 00代表前左、 01 代表前右、 10 代表后左、 11 代表后右。這兩個 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。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 個傳感器 ID。 實現(xiàn)流程如下： 輪胎換位需要按鍵修改中央模塊的輪胎位置設(shè)置。在默認(rèn)的情況下，如前所述， 00 代表前左、 01 代表前右、 10 代表后左、 11 代表后右。但由于行駛中后輪容易磨損，而可能需要將前后輪換位，繼續(xù)行駛。此時，需要記住換位前后 4個輪胎的位置，并在中央監(jiān)視器中進行相應(yīng)的設(shè)置修改。比如前左和后左輪胎換位時， 10 就代表前左、而 00 則代表后左。此時中央監(jiān)視器就需要變換原來前左和后左的輪胎位置信息，從而實現(xiàn)換位更新。 輪胎更換因為同類產(chǎn)品在出廠時就已經(jīng)設(shè)定好位置，所以 只需購買與欲替換輪胎相同位置的胎壓遙測模塊即可。但是此時傳感器唯一 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。這可以通過設(shè)定接收到同一舊次數(shù)超過某預(yù)設(shè)值后即認(rèn)為這個 ID 屬于本系統(tǒng)。也就是說，新的傳感器在安裝后的短時間內(nèi)，可能會由于系統(tǒng)的自我保護性，而不被原系統(tǒng)認(rèn)可。但考慮到新安裝輪胎出現(xiàn)問題的概率非常小，而且從