【正文】 日本 Toshiba、美國 IBM 和 Intel 公司等五家著名廠商在聯(lián)合開展短程無線通 信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動時提出。 藍(lán)牙技術(shù)的通訊頻率被定在 ISM 頻帶上，其作用半徑在發(fā)射功率為1 毫瓦的時候?yàn)?10 米，通信協(xié)議和堆棧復(fù)雜，需要專門設(shè)備開發(fā)，最便宜的儀器也要 58 萬美元。它的硬件市場非常廣闊，涵蓋了局域網(wǎng)絡(luò)中的各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備 (如計(jì)算機(jī)、移動電話、小型個人數(shù)字助理等 )。雖然 WLAN 通過一個公用的主干可以有效地連接龐大的人群，但藍(lán)牙技術(shù)面向的卻是移動設(shè)備間的小范圍連接，因而本質(zhì)上說它是一種代替電纜的技術(shù)。 RF 技術(shù)使用幾個特定頻率中的一個頻率傳輸數(shù)據(jù)，相鄰的WLAN 用不同頻率。河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 7 在中等衰減的建筑物中， RF 信號一般可穿透一至三堵墻。目前使用的射頻芯片大多工作在 433/868/915/2400MHz頻段， 的高頻段使服務(wù)器與終端之間的通訊速率可達(dá) 12Mbps，而且這個頻段由于干擾小，在絕大部分國家都不受無線管制。無線收發(fā)芯片采用移頻鍵控進(jìn)行調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。紅外通訊標(biāo)準(zhǔn)是目前通訊行業(yè)普遍支持的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。它的小型化和低成本，很適合應(yīng)用在手機(jī)、電子商務(wù)、數(shù)字照相機(jī)等便攜式產(chǎn)品中。紅外連接比有線連接更安全可靠，它避免了因線纜和連接器磨損和斷裂造成的檢修。 在輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)中，從傳輸?shù)木嚯x (需達(dá)到 10 米左右 )，從開發(fā)成本、周期及滿足本系統(tǒng)實(shí)際的需要考慮，系統(tǒng)選擇 RF 收發(fā)方式作為系統(tǒng)的無線傳輸方式。整個數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無線接收部分，另外一部分是輪胎中的無線發(fā)射部分。 一個完整的發(fā)射 /接收電路不僅僅只是 UHF發(fā)射 /接收器及其外圍 器件的簡單連接，還要有適合數(shù)據(jù)發(fā)射 /接收的匹配網(wǎng)絡(luò)（ Matching Network）和天線（ Antenna）。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 8 圖 射頻發(fā)射 /接收電路基本結(jié)構(gòu)框圖 在射頻電路設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，在源和負(fù)載之間以及各模塊之間插入一個無源網(wǎng)絡(luò)，通常這種無源網(wǎng)絡(luò)被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。 天線設(shè)計(jì) 天線是電磁波沿傳輸線路和在空間中進(jìn)行傳播的接口，在通信路徑中甚為重要的一部分。天線是互易器件，就是說，同一種設(shè)計(jì)既可以用作發(fā)射天線，也可以用作接收天線，性能都一樣地好，在無線通信中，通常是同一天線既用作發(fā)射，也用作接收。 （ 2） 外裝式天線與內(nèi)裝微帶天線的比較 許多無線通信設(shè)備要求采用的天線要 小而且要輕，且在主要的輻射方向上應(yīng)是準(zhǔn)全向的。而且，人們總希望能將天線集成到通信設(shè)備的印制電路板上。外裝式天線有許多缺點(diǎn)： （ 1）不能集成到印制電路板上，增加了設(shè)備的總尺寸； （ 2）易于折斷和彎曲，需小心維護(hù)； （ 3）天線比吸收率高且難于屏蔽，胎內(nèi)環(huán)境對天線的性能影響較大； 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 9 （ 4）僅有一種極化特性，電氣性能較差； （ 5）外裝天線，尤其是螺旋天線還需要匹配電路，使成本和損耗都增加。這種天線具有機(jī)械剛性，不易被損壞；它們被固定在通信設(shè)備內(nèi)部，不額外增加設(shè)備尺寸，且易采用屏蔽技術(shù)來屏蔽天線，使其 SAR 值非常小。最簡單的天線是 1/4 波長單極印制天線。 (1) TPMS 傳感器 TPMS 傳感器是一個集成了 半導(dǎo)體 壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和 電源 管理器的 SoC 模塊。這些功能單元使得 TPMS 傳感器不僅能實(shí)時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且還能實(shí)現(xiàn)汽車移動即時開機(jī)、自動喚醒和省電等功能。 89C2051 共 20 引腳。工作電壓為 ～ 6V。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。其片內(nèi)程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗(yàn)比較容易。可進(jìn)行OOK(OnOff Keying)或者 FSK(Frequency Shift Keying)兩種調(diào)制方式。 圖 MC33493 引腳 (4)無線射頻接收芯片 MC33594 摩托羅拉的 MC33594 器件是高溫集成 UHF 超外差無線電接收模塊。芯片最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設(shè)接口SPI(Serial Peripheral Intelface)。 SPI 接口使用四條線：串行時鐘線 (SCK)，主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線 MISO，主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線 MOSI 和低電平有效的從機(jī)選擇線 RESET。整個數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無線接收部分，另外一部分是輪胎中的無線發(fā)射部分。 (1)無線發(fā)射接口電路設(shè)計(jì) 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 12 無線發(fā)射電路由發(fā)射芯片 MC3349 AT89C2051 單片機(jī)和電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。 FSK 調(diào)制方式定義為一個信號的兩個不同的頻移值分別表示數(shù)字高、低兩種電平。發(fā)射芯片的 FSK 調(diào)制方式由與晶振串聯(lián)的下拉負(fù)載電容 C1 來實(shí)現(xiàn)。當(dāng) DATA=O 時 (MODE引腳置高電平 )，開關(guān)關(guān)閉，此時輸出高頻移；當(dāng) DATA=1 時，開關(guān)接通，此時輸出低頻移，這就實(shí)現(xiàn)了 FSK 調(diào)制方式，也就是說，如果載波頻率是 而且總的頻偏是士 △ f(MHz)，則數(shù)字高電平表示為 △ f，數(shù)字低電平表示為 MHz+△ f。系統(tǒng)供電為 5V，通過電平轉(zhuǎn)換電路為發(fā)射芯片供電。它與 89C2051 單片機(jī)及接收機(jī)一起構(gòu)成無線數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)。接收芯片 MC33594 通過 SPI 接接口與單片機(jī) AT89C2051 的 I／ O 口相連。在接收之前，首先置 RESET 引腳為低電平，使接收機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)，而單片機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)。此時單片機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)，而接收機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)，它產(chǎn)生時鐘信號，同時數(shù)據(jù)由 RFIN 端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使 其變換成中頻。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 13 圖 無線接收接口電路 為了與 MC33594 接收機(jī)所設(shè)定的 SPI 工作狀態(tài)在邏輯時序上協(xié)調(diào)一致，要使串行時鐘輸出 的初始狀態(tài)為 1，在選通 MC33594 后，置 為 O。至此模擬 1 位數(shù)據(jù)輸入輸出完成。依此循環(huán) 8 次，可完成 1 次通過 SPI 傳輸 8 位數(shù)據(jù)的操作。MCU 串行輸入是從接收機(jī)的 MISO 線上接收 8 位數(shù)據(jù)并放入寄存器 R0 中；串行輸出是將 AT89C2051 單片機(jī)中 R0 寄存器的內(nèi)容傳送到接收機(jī)的 MOSI 線上；串行輸入／輸出將 AT89C2051 單片機(jī) R0 寄存器的內(nèi)容傳送到 MC33594的 MOSI 線上，同時從 MC33594 的 MISO 線上接收 8 位數(shù)據(jù)。 通信協(xié)議 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 14 為了實(shí)現(xiàn) 4 個輪胎模塊與中央接收模塊進(jìn)行 無線通信 的目的，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都需要按要求支持一個簡單的通信協(xié)議。曼徹斯特編碼就是一個數(shù)字信號值在每一個比特位周期內(nèi)作高、低電平之間切換。輪胎模塊以數(shù)據(jù)包 (幀 )的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)輪胎模塊中的 MCU 決定要發(fā)送數(shù)據(jù) (由傳感器采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù) )時，通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，其數(shù)據(jù)幀格式如下： 前導(dǎo)位 設(shè)備 ID 壓力值 溫度值 狀態(tài)值 校驗(yàn)和 停止位 16 32 8 8 8 8 2 ① 前導(dǎo)位。這樣處理有三個目的： ◇ 0xF(1111)—— Romeo2 至少需要 4 位的前同步碼來喚醒它，并讓它的內(nèi)部電路穩(wěn)定。 ◇ 0x6(0110)—— Romeo2 中報(bào)頭被使能，它指示有實(shí)際的數(shù)據(jù)跟隨 (以設(shè)備 ID 開始 )。設(shè)備 ID 長度為 32 位。這個 lD 在實(shí)際中有很多用處，比如制造商的信息等；但是在這個演示模塊中，它僅被用來專門表示辨認(rèn)輪胎的信息，所以 ID 的 4 個字節(jié)在每一個數(shù)據(jù)幀接收后都要被檢測。當(dāng)接收機(jī)發(fā)現(xiàn)某個 ID 匹配，它就修改狀態(tài)字節(jié)來指示輪胎的位置。壓力數(shù)據(jù)占 8 位， 代表測量的輪胎壓力值。溫度數(shù)據(jù)占 8 位，代表被測量的輪胎溫度值。狀態(tài)位長度為 8 位，用以表示輪胎模塊的電源電壓的變化及對應(yīng)輪胎 ID 匹配的位，目的是不需要接收機(jī)的 MCU 重復(fù)檢查輪胎 ID。校驗(yàn)和長度為 8 位，它的內(nèi)容取決于傳輸數(shù)據(jù)，主要是為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。停止位的長度為 2 位，用來指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。 發(fā)射模塊發(fā)射程序流程 關(guān)閉中斷后，進(jìn)行電源檢測。此時為增加接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的可靠性，連續(xù)發(fā)送 255 幀。發(fā)射程序流程如圖 所示。一旦確認(rèn)接收機(jī)配置完成，所有的 LED 就閃爍一次告知使用者模塊準(zhǔn)備就緒。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過確認(rèn)后，某個輪胎和ID 則要與存儲在 KX8 存