【正文】 圖 3 1479 接口電路 Fig3 1479 interface circuit PIC16F636 微控制器電路設(shè)計 PIC16F636 輪胎模塊采用 PIC16F636 這款單片機作為微控制器。 DEV0、 DEV DEV2 這三個引腳接高電平。 CLK0 和 CLK1 兩個引腳接高電平。 微控制器通過 3 個 I/O 來控制 ENABLE、 DIN 和 MODE，其中 ENABLE 為使能端，當(dāng) ENABLE 為低電平時， 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 接低電平時是 ASK 模式， 接高電平時是 FSK 模式，本系統(tǒng)采用抗干擾性較好的 FSK 調(diào)制。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， 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。 1479 射頻發(fā)射電路設(shè)計 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到 20kbps 的數(shù)據(jù)速率。數(shù)字串行通信口分別與微控制器的四個 I/O 口相連。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 有足夠的時間測量壓力； 發(fā)送讀補償壓力數(shù)據(jù)指令（ 010ll00B）； 在步驟 3 的下一個時鐘周期讀取 數(shù)據(jù)，即為補償壓力數(shù)據(jù)。每次當(dāng)控制字節(jié)“位移入”的同時，上一條控制字節(jié)的相應(yīng)會“位移出”。且只有在返回值包含測量結(jié)果的時候， FSI 輸出才有效。在第 8 個時鐘的下降沿以 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。SDO 將會被置成高阻狀態(tài)。 SP12 該功能的設(shè)計一方面是給 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 常運作提供了保證，因為約每分鐘，系統(tǒng)將復(fù)位一次，排除了程序飛造成的系統(tǒng)死機。這就是 SP12 特有的時鐘自動補償功能。 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。 下面就這四個物理量的測量和處理及特點作逐一分析。在傳感器對汽車輪胎的壓力和溫度進行測量時，它的測量范圍必須滿足輪胎壓力和溫度所可能達到的最大值和最小值。 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。 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。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。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。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(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。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，減小整個輪胎模塊的功耗。時鐘系統(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入與退出各種功耗模式。 C 汽車級溫度范圍。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 待機功耗（ nA） 小于10 晶振啟動時間（ 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。那么發(fā) 100 位要 10ms。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。 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行通信，因此本設(shè)計最終選擇的是 Infineon 公司的傳感器 SP12。 SP12將加速度檢測也集成在芯片中了，而 MPXY8020 的測量時間較短，但它沒有加速度檢測功能。 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、縮短開發(fā)時間。它要求控制器至少提供 5 個引腳： 2 個用于控制其操模式， 2 個用于數(shù)據(jù)串行交換，另外 1 個用于接收數(shù)據(jù)。它成有一個可變電容的壓力感應(yīng)元件、一個溫度感應(yīng)元件和一個有喚醒功能的內(nèi) 電路，并采用 SSOP 超小型封裝，同時還內(nèi)置一個媒介保護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）。 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間工作，系統(tǒng)低功耗節(jié)電是一個十分重要的課題，因此只有在大多數(shù)時間讓系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長電池壽命。在封裝的上方留有一個壓力 /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；同時這個孔將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。 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、加速度傳感器、外部（運動開關(guān)） 4 種喚醒方式，空閑、校準(zhǔn)、停機、熱保護停機 4 種工作狀態(tài)，壓力、溫度和電池電壓的測量、運行補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)置高溫停機功能，看門狗 /時間間隔定時器，結(jié)構(gòu)設(shè)計堅固，可承受 5 次 5000g 的跌落試驗，采用的多晶硅主動防 護設(shè)計能極大的提高設(shè)備的電氣穩(wěn)定性，同時共晶結(jié)合封裝技術(shù)產(chǎn)生機械應(yīng)力小 [33]。 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 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。 為實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，選擇能夠檢測加速度的傳感器。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)時間小、靈敏度高和受環(huán)境影響 小等特點。 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，因為隨 后的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都是在此基礎(chǔ)上進行的。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。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。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。 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。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)。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。而且按鍵多，在本來就儀表眾多的車上，將會顯得十分突兀。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。然而這四種技術(shù)在實際應(yīng)用中都存在著明顯的不足。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。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。 壓力無明 顯變化，固定間隔時間段上報一次壓力、溫度。人機接口部分主要包括 LED 指示燈，按鍵等。設(shè)計框圖見圖 2。 TPMS 系統(tǒng)方案的總體框圖如圖 1 所示。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。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，按鍵盡量的遠離微控制器，因為它會產(chǎn)生較大的電磁干擾 [30]。 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)。 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。 軟件設(shè)計中高效的算法可調(diào)節(jié)發(fā)射和測量頻率。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。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護 [27]。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。汽車制造商要求直接 TPMS 的電池能維持至少 6 年以上。 可靠性，系統(tǒng)的抗干擾能力要好。 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。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面影響。工作時輪胎處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，因 而必須固定牢靠。 kPa 溫度測量精度：177。 當(dāng)輪胎磨損需要換位保養(yǎng)時，可以通過人機界面方便快捷地重新定位各個輪胎。 當(dāng)某個輪胎的壓力、溫度狀況出現(xiàn)異常時，顯示器模塊聲、光報警，并根據(jù)此時的輪胎壓力、溫度數(shù)值，通知駕駛員屬于哪種報警狀態(tài)。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。 直接式。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。 TPMS 總體設(shè)計 設(shè)計要求 根據(jù)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，系統(tǒng)則向駕駛員報警。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 。 輪胎內(nèi)壓長期低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓，胎體變形，屈撓變形次數(shù)增加或移位導(dǎo)致過度疲勞生熱，兩胎側(cè)簾線脫層松散。 外胎在輪惘上有時發(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。 輪胎碰到障礙物時，由于沖擊力大，胎體簾線易斷裂，致使輪胎爆破。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。 需要注意的是，當(dāng)行駛中發(fā)現(xiàn)輪胎溫度過高時，不應(yīng)通過放氣或潑冷水的方式進行處理，而應(yīng)降低車速，將車停在陰涼通風(fēng)處降溫。 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。 另外，輪胎溫度升高還將造成輪胎氣壓隨之升高，使簾線所受的應(yīng)力加大輪胎的正常工作溫度應(yīng)為 105℃左右，當(dāng)大氣溫度為 25℃時，則允許輪胎溫升為80℃。試驗表明，當(dāng)溫度由 0℃升到 100℃時，橡膠的強度及簾線的附著力大約降低 50%，不同材料的簾線，其強度也有不同程度的下降。每條輪胎都標(biāo)有該輪胎的負荷指數(shù)，如果輪胎超負荷運行，胎內(nèi)氣壓增大，則輪胎變形增大，使胎冠剝離，簾布破裂，胎體溫度迅速升高，更容易爆胎。 汽車高速行駛時，輪胎的流動阻力隨行駛速度的增加而增大，達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。 爆胎的原因 汽車爆胎是指因輪胎某一局部機械強度被嚴重削弱，胎壓失去平衡而突然爆破的故障 .爆胎一旦發(fā)生，輕則汽車將發(fā)生劇烈的側(cè)滑、甩尾，重則汽車將連續(xù)翻滾 .這樣，不僅危及爆胎汽車自身安全，而且也會引起與附近車輛和行人發(fā)生連續(xù)碰撞，造成重大交通事故。因此運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。 沒有內(nèi)胎和襯墊 ，結(jié)構(gòu)簡單，且沒有內(nèi)胎與簾布層的摩擦，提高輪胎壽命。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。 研究 TPMS 系統(tǒng)中，測量、處理數(shù)據(jù)和傳輸?shù)母咝仕惴捌滠浖崿F(xiàn)，延長輪胎模塊電池的使用壽命。 確定 TPMS 的整體方案和應(yīng)該實現(xiàn)的功能和性能。如果輪胎的壓力或溫度出現(xiàn) 異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況