【正文】 表明：輪胎氣壓不足行駛，車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)可避免車輛部件不正常的磨損若汽車在輪胎氣壓過(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。 TPMS 系統(tǒng)分類及其工作原理 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 采用車輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量每個(gè)車輪的轉(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。 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：安裝在汽車每個(gè)輪胎內(nèi)部的輪胎模塊和安裝在汽車駕駛室中的主機(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)線通信。但是汽車在高速跑動(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)線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴１驹O(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)車輛處于停車狀態(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－40℃～+125℃的寬工作溫度范圍以及潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵襲[10]。 (3)無(wú)線信號(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，F(xiàn)SK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。 主機(jī)模塊的硬件總體設(shè)計(jì) 主機(jī)模塊包括解調(diào)電路、接收數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警及人機(jī)接口四部分。微處理器再進(jìn)行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的位置和壓力值；然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力值，聲光報(bào)警等。LED主要起指示輪胎位置和顯示當(dāng)前安全狀況。 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)就是為了在硬件電路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用智能化，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)技術(shù)性能的好壞。 汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)硬件模塊劃分，也分為輪胎模塊軟件設(shè)計(jì)和主機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)兩大部分，為了開(kāi)發(fā)的便利，其中雙方涉及到數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)功能的部分又可以合為無(wú)線收發(fā)模塊。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。3輪胎模塊設(shè)計(jì) 汽車輪胎壓力監(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)模塊安置于汽車駕駛室內(nèi)，主要完成信息的無(wú)線接收、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。 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)。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 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。 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S1S2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00空閑/復(fù)位OFFOFFOFFON工作01壓力檢測(cè)OFFOFFOFFON復(fù)位10溫度檢測(cè)OFFONOFFON復(fù)位11數(shù)據(jù)輸出OFFOFFONON工作 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)和天線構(gòu)成。MC33493內(nèi)部簡(jiǎn)化圖如圖 MC33493是一種 PLL 調(diào)諧的低功耗 UHF 發(fā)射器。為外部晶振頻率，單位為MHZ；AFREQ為AFREQ二進(jìn)制加權(quán)值的十進(jìn)制；AFREQ控制位通過(guò)RFX復(fù)位清零。對(duì)任何載波頻率來(lái)說(shuō)，所以所需外部晶振為 。表32頻帶選擇及附加分頻器比率CF控制位輸入電平頻段（MHz）鎖相環(huán)（PLL）分頻比晶體振蕩器頻率（MHz）低電平315高電平434發(fā)射機(jī)MPXY8300的內(nèi)部集成模塊MC33493提供一個(gè)數(shù)字輸出引腳 (DATACLK)給微控制器，用于給串行輸入數(shù)據(jù)提供參考同步脈沖，CKREF 控制位控制通過(guò) Dx 信號(hào)給 MCU 的參考時(shí)鐘的輸出；建議初始化RF傳輸之前清除CKREF位，以降低雜散噪聲；CKREF控制位通過(guò) RFX 復(fù)位清零[16]；如表 所示，發(fā)射器為輸入數(shù)據(jù)提供的同步時(shí)鐘選擇的兩種模式。圖 是射頻發(fā)射/接收電路基本結(jié)構(gòu)框圖。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。無(wú)線通信是靠空間的電磁波來(lái)傳遞信息，而電磁波的產(chǎn)生和接收都必須由天線來(lái)完成。 軟件設(shè)計(jì)分成兩個(gè)部分：發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)和接收模塊軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。發(fā)射模塊的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)的采集、判斷、傳輸?shù)葞状蠊δ堋 語(yǔ)言具有豐富的位操作運(yùn)算符，允許直接訪問(wèn)物理地址，能實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言的大部分功能。因此本系統(tǒng)編程語(yǔ)言選用 C 語(yǔ)言。在本系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊之間進(jìn)行無(wú)線通信時(shí),數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸。二進(jìn)制字節(jié)方式中,字節(jié)代表其本身,而十六進(jìn)制ASCII方式則是由兩個(gè)字節(jié)表示一個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié),因此其效率只有二進(jìn)制字節(jié)方式的一半,但采用ASCII方式可以避免數(shù)據(jù)字節(jié)與標(biāo)志字節(jié)相混淆,因此可靠性比較高。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率為9600kPs,可由軟件選擇設(shè)定。在使用前ID的值存儲(chǔ)在配置寄存器CRZ中。報(bào)頭可以按需放在ID前,或者頭字前,或者數(shù)據(jù)前面。在FSK調(diào)制下,報(bào)頭可以是4個(gè)“1”或者“0”曼徹斯特編碼。數(shù)據(jù)是以EOM(endofmessage)字結(jié)尾,它由2個(gè)不歸零碼組成。 數(shù)據(jù)幀完整信息示例下面將描述系統(tǒng)的通訊協(xié)議。數(shù)據(jù)是按幀發(fā)送的, 幀數(shù)據(jù)報(bào)頭設(shè)備ID壓力溫度狀態(tài)校驗(yàn)和結(jié)束字16位32位8位8位8位8位2位 報(bào)頭設(shè)置成0xFB86。ID采用其默認(rèn)值“10111000”,該值存在CR2中,可以根據(jù)需要進(jìn)行改變。頭字是整幀數(shù)據(jù)報(bào)頭的最后部分,它不會(huì)被解碼。設(shè)備ID是32位長(zhǎng)。前16位保留用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)在先設(shè)置為0xFF。輪胎編號(hào)占兩位。ID符合后,數(shù)據(jù)被保存用于以后處理(顯示或者輸出)。溫度代表了傳感器測(cè)量的溫度數(shù)值,它也是個(gè)8位數(shù)值。校驗(yàn)和是8位數(shù)據(jù),它的存在可以減少發(fā)射模塊或者是接收模塊以及傳輸噪聲所引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的幾率。這樣,當(dāng)MCU接收到數(shù)據(jù)并檢驗(yàn)時(shí),如果從設(shè)備ID開(kāi)始到校驗(yàn)和所有的數(shù)據(jù)相加結(jié)果為零