【正文】 ....................................... 31 致謝 ....................................................................... 32 附錄 控制系統(tǒng) C程序代碼 ................................................... 33 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 環(huán)保、節(jié)能、安全是當(dāng)今汽車(chē)發(fā)展的三大主題，作為影響人民生命財(cái)產(chǎn)全和國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈的重要因素的汽車(chē)安全性是汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程首要考慮的問(wèn)題，汽車(chē)輪胎氣壓保持正常值是車(chē)輛舒適性和行駛安全的保證。因此，及時(shí)地了解和準(zhǔn)確掌握輪胎的溫度、壓力狀況是避免爆胎，提高汽車(chē)安全行駛水平的有效途徑 [2]。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì) 2021 年發(fā)布的《中國(guó) TPMS 標(biāo)準(zhǔn)意見(jiàn)征求稿》 ,標(biāo)TPMS 成為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配件是必然的趨勢(shì)。直接式是利用安裝在輪胎里的智能傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓、溫度、電池電壓，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上，監(jiān)視器隨時(shí)顯示輪胎的氣壓、溫度、電池電壓，當(dāng)輪胎出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警；間接式 是借助防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (Antilock Braking System, ABS)的輪速傳感器來(lái)比較車(chē)輪轉(zhuǎn)速，從而估算兩個(gè)輪胎胎壓的差別，當(dāng)某個(gè)輪胎胎壓低于預(yù)先設(shè)定的初始值時(shí)，向司機(jī)報(bào)警。 本課題進(jìn)行直接式汽車(chē)輪胎壓力與溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。 研究背景 汽車(chē)在高速行駛過(guò)程中， 輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。 輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ TPMS）主要用于在車(chē)輛行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎壓力和溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、低氣壓、高氣壓進(jìn)行預(yù)警，以保障駕乘者行車(chē)安全，是駕駛員、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。因此，我國(guó) TPMS 需求與日俱增， TPMS 的研究具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前我們國(guó)內(nèi)已有很多家設(shè)計(jì)公司、生產(chǎn)廠家開(kāi)始開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn) TPMS。 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀 目前市場(chǎng)上主流 TPMS 的實(shí)現(xiàn)方式是利用安裝在每一個(gè)輪胎內(nèi)部的輪胎監(jiān)測(cè)模塊來(lái)直接測(cè)量輪胎的壓力、溫度，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到安裝在駕駛室的中央控制模塊。 TPMS 的性能主要取決于輪胎監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)方式。 (1) 有源 TPMS，指 TPMS 的輪胎監(jiān)測(cè)模塊使用專(zhuān)用鋰電池供電。 有源 TPSM 的輪胎監(jiān)測(cè)模塊有以下幾個(gè)部分組成：壓力溫度傳感器、微控制器、射頻芯片、低頻喚醒芯片、電池以及天線(xiàn)組成 。為了增強(qiáng)傳感器功能，不少傳感器還增加了加速度傳感器、電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘、看門(mén)狗及其它功能的數(shù)字信號(hào)處理單元。目前有兩個(gè)發(fā)展方向，一種是利用 RFID 讀頭端的發(fā)射功率為輪胎監(jiān)測(cè)模塊供電，另一種是利用汽車(chē)行駛中的機(jī)械能為輪胎監(jiān)測(cè)模塊供電。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即標(biāo)簽端（ Tag）和讀頭端（ Reader）。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究意義 TPMS 系統(tǒng)在提高汽車(chē)行駛安全性，減少生命財(cái)產(chǎn)損失以及減少能耗等方面都具有非常重要的研究意義，其具體優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [6]： (1)事前主動(dòng)型安保 汽車(chē)現(xiàn)有安全措施，如 ABS、 EDS、 EPS、安全氣囊等，均是“事后被動(dòng)”型安保，即在事故發(fā)生后才起到保護(hù)人身安全的作用。 (2)延長(zhǎng)輪胎使用壽命 統(tǒng)計(jì)表明：輪胎氣壓不足行駛，車(chē)輪氣壓比正常值下降 10%，輪胎壽命減少 15%。 (3)減少燃油消耗，利于環(huán)保 實(shí)驗(yàn)顯示，輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值 30%，油耗將上升 10%。油耗上升不僅增加車(chē)輛運(yùn)行費(fèi)用，而且增加廢氣排放，對(duì)環(huán)境的污染加大。 (4)可避免車(chē)輛部件不正常的磨損 若汽車(chē)在輪胎氣壓過(guò)高的狀態(tài)下行駛，日積月累對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤(pán)及懸掛系統(tǒng)將造成很大的傷害；如果輪胎氣壓不均勻，則會(huì)造成剎車(chē) 跑偏，從而增加懸掛系統(tǒng)的磨損。 本文研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu) 研究?jī)?nèi)容 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：將通過(guò)在輪胎內(nèi)部安裝的壓力和溫度傳感器，中央控制單元對(duì)輪胎內(nèi)部的溫度、壓力值進(jìn)行采集、處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛室內(nèi)部的中央監(jiān)視器。 針對(duì)上述系統(tǒng)功能，本課題的主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。 (3) 輪胎模塊硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章：介紹汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提出背景和研究意義，當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，給出本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。在對(duì)系統(tǒng)方案的論證基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)性能要求和實(shí)施方案，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。以 Freescale(前 Motorola 半導(dǎo)體部 )的 MPXY8300 系列傳感器、微處理器、發(fā)射芯片三件集成一體芯片為核心，構(gòu)建輪胎模塊；與主機(jī)模塊搭建實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)輪胎狀態(tài)信息的測(cè)量、無(wú)線(xiàn)傳輸、狀態(tài)監(jiān)控和異常報(bào)警。主要介紹 MPXY8300 系列微控制器的基礎(chǔ)上，以接收芯片 MC3359微控制器 STC12C5416AD 芯片為核心，構(gòu)建主機(jī)模塊；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量、模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換、無(wú)線(xiàn)射頻傳輸控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和顯示報(bào)警等功能。對(duì)本 設(shè)計(jì)的總結(jié)與展望。主要功能是在汽車(chē)行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎快速漏氣、高低氣壓和高溫分級(jí)報(bào)警，從而達(dá)到預(yù)防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和經(jīng)濟(jì)行車(chē)。 TPMS 系統(tǒng)分類(lèi)及其工作原理 目前 TPMS 主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：間接式 TPMS 系統(tǒng)和直接式 TPMS 系統(tǒng)。 ABS 采用車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速。間接式 TPMS 的檢測(cè)原理如圖 所示。輪胎監(jiān)測(cè)模塊由壓力 /溫度傳感器、微控制器 (MCU)、射頻 (RF)發(fā)射器組成，中央監(jiān)視器由 RF 接收器、 MCU 以及 LCD、按鍵、報(bào)警模塊等組成。中央監(jiān)視器接收到輪胎監(jiān)測(cè)模塊發(fā)射的信號(hào)后進(jìn)行分析，并將各個(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。 圖 TPMS檢測(cè)原理 間接式和直接式 TPMS 的比較與選擇 間接式 TPMS 的優(yōu)點(diǎn)是只要具備 ABS 系統(tǒng)，就可以增加 TPMS 的功能，另外所需的只是軟件，因此成本比較低。 相比于間接式 TPMS，直接式 TPMS 具有很多優(yōu)點(diǎn)，如能在任意瞬時(shí)監(jiān)測(cè) 4 個(gè)輪胎內(nèi)的壓力和溫度大小，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度均高于間接式 TPMS 且不受行駛速度的限制等。而基于 SAW 的直接無(wú)源式 TPMS 主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器部分不需要電池供電，而且質(zhì)量較小，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的實(shí)驗(yàn)傳感器只有 5g 左右，同時(shí)可在高低溫等惡劣環(huán)境下工作，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器 (Transponder)整合至輪胎中，這需要各輪胎制造商建立共同的標(biāo)準(zhǔn)才有可能實(shí)現(xiàn) [8]，因此，無(wú)源式 TPMS 短期內(nèi)還難以流行。 TPMS 主要由兩個(gè)模塊 (見(jiàn)圖 )組成：安裝在汽車(chē)每個(gè)輪胎內(nèi)部的輪胎模塊和安裝在汽車(chē)駕駛室中的主機(jī)模塊。主機(jī)模塊一般由射頻接收芯片、微控制器、數(shù)據(jù)顯示屏和按鍵組成。輪胎模塊和主機(jī)模塊之間采用射頻無(wú)線(xiàn)通信。但是汽車(chē)在高速跑動(dòng)時(shí)輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計(jì)要按汽車(chē)級(jí)的要求來(lái)選用元器件。輪胎監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)的具體要求為：低功耗、介質(zhì)兼容性以及無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。本設(shè)計(jì)采用降低功耗的方法是利用擁有內(nèi)置加速度計(jì)的傳感器來(lái)檢測(cè)輪胎是靜止的還是運(yùn)行的，只有當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)才進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和傳輸，當(dāng)車(chē)輛處于停車(chē)狀態(tài)時(shí)， TPMS 可以休眠或以很低的頻率運(yùn)行以節(jié)省電量。 (2)介質(zhì)兼容性 組件除了要盡可能的低功耗外，傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對(duì) TPMS 而言至關(guān)重要，如果沒(méi)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(wèn)題。因?yàn)檩喬ツK是置于輪胎內(nèi)部的，所以電子組件面對(duì)的將是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境，包括－ 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 40℃～ +125℃的寬工作溫度范圍以及潮濕、灰塵和剎車(chē)油等其他介質(zhì)的侵襲 [10]。 (3)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃? TPMS 需要著力解決的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)線(xiàn)信號(hào) 傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，特別是高速行駛時(shí)的信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。 RF 發(fā)射 /接收 IC 選用時(shí)一般需要較高的接收靈敏度，以提高 TPMS 的工作效率并降低整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。在許多 OEM 應(yīng)用中， FSK 即使在輪子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都能提供可靠的 RF 通信。 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì) 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)，在汽車(chē)行駛過(guò)程中，利用傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓和溫度，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)調(diào)制發(fā)射到駕駛室的控制臺(tái)上，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓和溫度狀況，并對(duì)輪胎漏氣、低氣壓和高溫進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，以保障行車(chē)安全。通過(guò)對(duì) TPMS方案設(shè)計(jì)分析，確定本文系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下文所述。從壓力傳感器出來(lái)的信號(hào)，由微處理器完成采樣。輪胎模塊設(shè)計(jì)框圖如圖。解調(diào)電路由輪胎發(fā)射出來(lái)的射頻信號(hào)放大解調(diào)后，將 數(shù)字信號(hào)送給微處理器串行接口。人機(jī)接口部分要包括 LED 指示，按鈕等。按鈕則可以進(jìn)行系統(tǒng)的功能讀取當(dāng)前輪胎壓力大小。在汽車(chē)輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，必須要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際 情況和具體技術(shù)性能要求，才能設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。圖 是系統(tǒng)軟件的功能框圖。輪胎模塊是由一塊鋰電池供電，鋰電池的電池容量通常為 750mAh 因 此需要綜合考慮效率與時(shí)間，以得到高效率的算法，才能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期有效地可靠運(yùn)行。 軟件總體分為 4個(gè)運(yùn)行模式：調(diào)試模式 (工廠診斷用 )、初始化模式、睡眠模式（休眠）和測(cè)量模式。具體包括傳感器測(cè)試和射頻測(cè)試兩部分。 (3) 睡眠模式 以最低的功耗運(yùn)行，響應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3 輪胎模塊設(shè)計(jì) 汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路按系統(tǒng)功能劃分，可分為輪胎模塊和主機(jī) 模塊兩大部分。主機(jī)模塊安置于汽車(chē)駕駛室內(nèi)，主要完成信息的無(wú)線(xiàn)接收、數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。 圖 在系統(tǒng)的工作運(yùn)行中，輪胎模塊始終處于封閉環(huán)境中，駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機(jī)必須依靠無(wú)線(xiàn)方式來(lái)完成數(shù)據(jù)信息的傳輸，才能將輪胎的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地提供給駕駛員。 輪胎模塊硬件設(shè)計(jì) 在不斷高速旋轉(zhuǎn)的輪胎內(nèi)部這樣的封閉工作環(huán)境中，要求輪胎模塊功耗低、體積小、重量輕。三件合一高度集成芯片 MPXY8300 為輪胎模塊的核心部件，從功能、性能上都滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。微控制器 MPXY8300 為輪胎模塊的控制和數(shù)據(jù)處理核心單元，集成傳感器、微控制器、射頻發(fā)射模塊一起完成輪胎的壓力和溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)處理 及內(nèi)部自帶的射頻發(fā)射器與其匹配的外圍器件一起構(gòu)成發(fā)射電路。 該器件包含以下四個(gè)小器件，它對(duì)每個(gè)小器件都使用了最佳的處理技術(shù)。 MPXY8300 工作流程如圖 所示。 PChip 和 gCell 均與 MCU 進(jìn)行接口連 接。 MPXY8300 的 20 管腳 SOIC 封裝管腳輸出如圖 所示 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 的 20管腳 SOIC封裝管腳輸出 MPXY8300 其主要特性如下 [13]： (1)集成溫度壓力傳感器壓力傳感器，信號(hào)輸出給 ADC； (2)集成 315/434MHZ 鎖相環(huán)射頻發(fā)送器； (3)內(nèi)置 Z軸和 X 軸 加速度傳感器，信號(hào)輸出給 ADC； (4)8 位 MCU 自帶 512B 的 RAM16KB 的 FLASH； (5)過(guò)溫保護(hù)； (6)供電電源電量測(cè)量； (7)電池低功耗設(shè)計(jì)； (8)內(nèi)置 LFO 驅(qū)動(dòng)的低功耗喚醒定時(shí)器和周期復(fù)位。這個(gè)測(cè)量的輸出可以用作過(guò)溫關(guān)閉機(jī)制，在溫度非常高的情況下 (可能對(duì)電池造成過(guò) 度壓力 )防止 RF發(fā)射，節(jié)省電能。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 加速度測(cè)量包含一個(gè)模擬接口 (ACI)與加速度傳感單元連接。 gCell的信號(hào)調(diào)整先是電容到電壓的轉(zhuǎn)換 (CV)，然后是交換式電容放大器。超精密壓力傳感器、 CV 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、緩沖和修正寄存器都在MCU 上， gCell 是單獨(dú)的硅器件，與 PChip， RFX 和 MCU 分開(kāi)安裝在同一個(gè)封裝中 [14]。測(cè)量結(jié)果模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過(guò) 8級(jí)門(mén)限電平比較，采用連續(xù)逼近算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 表 MPXY8300 的工作模式 S1 S2 工作模式 工作電流 串行數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器 壓力測(cè)量系統(tǒng) 溫度檢測(cè)系統(tǒng) A/D輸出比較 LFO晶體 0 0 空閑 /復(fù)位 OFF OFF OFF ON 工作 0 1 壓力檢測(cè) OFF OFF OFF ON 復(fù)位 1 0 溫度檢測(cè) OFF ON OFF ON 復(fù)位 1 1 數(shù)據(jù)輸出 OFF OFF ON ON 工作 輪胎模塊電路設(shè)計(jì) 發(fā)射電路是實(shí)現(xiàn)輪胎模塊與主機(jī)模塊之間通信的硬件連接，主要由超高頻 (UHF)發(fā)射器、外圍電 路、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線(xiàn)構(gòu)成。 MC33493內(nèi)部簡(jiǎn)化圖如圖 所示 圖 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)