1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　輪胎氣壓是影響汽車性能和行駛安全的重要因素。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)能對輪胎的氣壓和溫度進行實時監(jiān)測，在輪胎出現(xiàn)異常情況時自動報警，使駕駛者可以及時發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)的措施，是一種保障行車安全的預(yù)警系統(tǒng)。 </p><p>　　本課題所在項目采用了一種創(chuàng)新的系統(tǒng)解決方案，將產(chǎn)品從機的安裝位置由原來

2、安裝在輪毅上改在輪毅軸心上，主機與從機之間的信息通過微型無線網(wǎng)橋傳遞。本課題方案有效的解決了系統(tǒng)電源以及功耗問題，提高了系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。由于安裝方式的改變，使得系統(tǒng)的維護也變得簡單起來。 </p><p>　　本文的主要工作是在理解整個系統(tǒng)的前提下負(fù)責(zé)從機模塊的電路設(shè)計。論文首先介紹了目前國外TPMS的解決方案，并分析其存在的不足之處，進而提出自己的解決方案。在詳細(xì)設(shè)計部分，本論文分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計

3、兩大部分。</p><p>　　關(guān)鍵詞：TPMS；輪胎模塊；監(jiān)視器模塊；無線數(shù)據(jù)通信</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Automobile tire pressure is an important factor to affect the performance in traffic safety.

4、Tire Pressure Monitoring System (TPMS) on tire pressure and temperature in real-time monitoring can alarm in the unusual case，so that drivers can be abnormal in time and take corresponding measures to protect traffic saf

5、ety.</p><p>　　The subject of the project used an innovative system solutions for the structure，between the host and sub-machine information transfer through the micro-wireless bridge，wireless bridge develope

6、d through DCPL bus connected with the host. The program issues an effective solution of the system power and power consumption issues，improved system reliability and stability. As a result of a change in the way of the i

7、nstallation，making the system easier to maintain also.</p><p>　　In this paper，the main task is to understand the premise of the whole system when it is responsible for co-design module. Paper first introduc

8、ed the current foreign TPMS solutions，and analyze its shortcomings，and propose their own solutions. The paper is divided into two major parts，the detailed design and the hardware design.</p><p>　　Keywords:

9、TPMS；Tire Module；Monitor Module；Wireless Data Communications</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒 論3</p><p>　　1.1 課題背景3</p><p>　　1.2 輪胎安全性能的分析3</p>

10、<p>　　1.2.1 溫度對輪胎安全性能的影響3</p><p>　　1.2.2 壓力對輪胎性能的影響4</p><p>　　1.2.3 輪胎壓力過低對輪胎安全性能的影響4</p><p>　　1.2.4 輪胎壓力過高對輪胎安全性能的影響5</p><p>　　1.3輪胎經(jīng)濟性能分析5</p><

11、p>　　1.4國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r6</p><p><b>　　1.5應(yīng)用前景6</b></p><p>　　1.6課題的提出6</p><p>　　第2章 TPMS系統(tǒng)的總體設(shè)計8</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)概述8</b></p><p>　　2.1

12、.1 TPMS系統(tǒng)的分類8</p><p>　　2.1.2 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成8</p><p>　　2.2 國外TPMS系統(tǒng)的解決方案9</p><p>　　2.3本課題的解決方案10</p><p>　　2.4系統(tǒng)設(shè)計要求11</p><p>　　2.4.1系統(tǒng)工作環(huán)境11</p>

13、<p>　　2.4.2系統(tǒng)功能要求12</p><p>　　2.4.3系統(tǒng)技術(shù)要求12</p><p>　　2.5本章小結(jié)13</p><p>　　第3章 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)從機電路設(shè)計14</p><p><b>　　3.1概述14</b></p><p>　　3.2無線通信

14、模塊的設(shè)計14</p><p>　　3.2.1無線通信芯片的選型14</p><p>　　3.2.2射頻收發(fā)芯片nRF9E515</p><p>　　3.2.3天線的設(shè)計16</p><p>　　3.2.4環(huán)形天線的工作原理17</p><p>　　3.2.5參數(shù)值的計算17</p><

15、p>　　3.3傳感器模塊的設(shè)計18</p><p>　　3.3.1 MPXY8020A的特性結(jié)構(gòu)18</p><p>　　3.3.2 MPXY8020A管腳配置說明19</p><p>　　3.4電源管理模塊的設(shè)計20</p><p>　　3.5從機電路整體設(shè)計20</p><p>　　3.6系統(tǒng)硬件的

16、抗干擾設(shè)計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3.7本章小結(jié)錯誤!未定義書簽。</p><p>　　第4章TPMS從機系統(tǒng)軟件設(shè)計.22</p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議.22</p><p>　　4.2 RF通信軟件設(shè)計23</p><p>　　4.2.1 nRF9E5的工作模式23</

17、p><p>　　4.2.2 nRF9E5 shockburst 模式23</p><p>　　4.2.3 ShockBurst TX模式23</p><p>　　4.2.4 ShockBurst RX模式24</p><p>　　4.2.5待機模式25</p><p>　　4.2.6無線收發(fā)器配置26</p

18、><p>　　4.2.7片內(nèi)SPI寄存器配置26</p><p>　　4.2.8 SPI指令26</p><p>　　4.2.9 無線收發(fā)寄存器器配置27</p><p>　　4.3數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計27</p><p>　　4.3.1溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集27</p><p>　　4.3

19、.2測量主程序27</p><p>　　4.3.3逐次逼近法的程序設(shè)計28</p><p>　　4.3.4電壓信號的采集28</p><p>　　4.5軟件抗干擾設(shè)計32</p><p>　　4.6本章小結(jié)33</p><p><b>　　總 結(jié)34</b></p>&l

20、t;p><b>　　參考文獻35</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　附 錄38</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課

21、題背景</b></p><p>　　高速公路網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使車輛行駛速度得到了提高，同時也潛伏了一些交通隱患，如因車胎爆胎等原因造成的交通事故。據(jù)統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則更高。美國汽車工程師協(xié)會的調(diào)查統(tǒng)計表明，美國每年有62萬起交通事故是由于輪胎故障引起的，而75%的輪胎故障是由于不合理的輪胎氣壓和溫度造成的。爆胎造成了巨大的經(jīng)濟損失。怎樣防止

22、爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) (英文縮寫TPMS，Tire Presusre Monitoring system)應(yīng)運而生，TPMS主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣、低氣壓、高氣壓、或溫度過高等異常情況進行報警，以保障行車安全。要求之一是到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。2000年11月1日美國總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國會關(guān)于修改聯(lián)邦運輸法的提案，要求2003

23、年后所有的新車都需把這種系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置?；貞?yīng)TREAD法案，美國公路交通安全局(附HTSA)要求到2007年，所有在美國銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車生產(chǎn)商的執(zhí)行時間表:</p><p>　　1.2 輪胎安全性能的分析</p><p>　　導(dǎo)致輪胎故障的主要因素有:氣壓、溫度、負(fù)荷、速度、路況、環(huán)境溫度、連續(xù)行駛時間等。有關(guān)實驗證明，80%的爆胎都會有前兆，輪胎的溫度

24、和壓力就會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此，及時地了解和準(zhǔn)確掌握輪胎的溫度、壓力狀況，并據(jù)此采取相應(yīng)的防范措施，是預(yù)防爆胎，提高汽車安全行駛水平的有效途徑。</p><p>　　1.2.1 溫度對輪胎安全性能的影響</p><p>　　汽車輪胎在周期性載荷的作用下，其橡膠和骨架材料的滯后損失以及橡膠與骨架材料之間的摩擦?xí)?dǎo)致生熱，并使輪胎溫度升高。輪胎溫度的升高除會使橡膠強度降低外，還會使簾線強度降低。

25、當(dāng)輪胎溫度從0℃升高到100℃時，對于普通輪胎來說，簾線的強度將降低20%，橡膠的強度則將降低50%。當(dāng)輪胎溫度高于其臨界溫度(由輪胎溫度與強度關(guān)系示意圖1.2.1可知，100℃以內(nèi)為正常溫度區(qū)，100℃-121℃之間為臨界溫度區(qū)，121℃以上為危險溫度區(qū))時，橡膠強度和簾線能力將降低更多，此時輪胎極易因強度不足而發(fā)生 “爆胎”。所以輪胎的溫升對其安全性能和使用壽命的影響極大。汽車在高速行駛時，駕駛員即使沒有任何操作失誤，汽車也可能會突

26、然 “爆胎”，其原因就在于輪胎過熱。因此，對于輪胎的溫度參數(shù)加以監(jiān)控，當(dāng)輪胎的溫度升高到一定數(shù)值時對駕駛員提出報警，提示駕駛員采取相應(yīng)處理措施，可以有效地降低發(fā)生事故的可能性并提高輪胎的壽命。 </p><p>　　圖1.1 拉伸強度與溫度關(guān)系示意圖</p><p>　　1.2.2 壓力對輪胎性能的影響</p><p>　　每一種充氣輪胎，都有一個標(biāo)準(zhǔn)的充氣壓力范圍

27、。例如:高壓輪胎充氣壓力為 490kPa-686kPa，低壓胎充氣壓力為147kPa-441kPa，超低壓胎充氣壓力為98kPa- 147kPa。將輪胎按照要求進行充氣，不但可以使輪胎達到良好的安全性能指標(biāo)，還可以延長輪胎的壽命。否則，汽車在輪胎壓力異常的情況下長時間運行，將會對輪胎的安全性能產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致爆胎?！?</p><p>　　1.2.3 輪胎壓力過低對輪胎安全性能的影響</p

28、><p>　　輪胎壓力過低是輪胎早期遭到破壞的主要原因。由于種種原因，有的車輛輪胎長期在低氣壓的情況下使用，使輪胎的使用性能和壽命受到影響。實踐表明，輪胎氣壓不足，將會造成如下危害: </p><p>　　(1)長期氣壓不足，會使輪胎變形增大，輪胎內(nèi)部及外胎與內(nèi)胎之間的摩擦增加， </p><p>　　使胎溫升高，導(dǎo)致輪胎材料的機械性能下降，容易造成胎體爆破； <

29、/p><p>　　(2)輪胎氣壓不足，會使輪胎側(cè)彎曲度增大，使輪胎肩部分加速磨損。如果是后輪并裝雙胎，胎側(cè)之間會出現(xiàn)互相摩擦，因而產(chǎn)生側(cè)環(huán)形磨損； </p><p>　　(3)輪胎中易嵌入石塊、玻璃和鐵釘?shù)蠕J利物，容易被劃傷刺穿，引起內(nèi)胎泄露等機械損傷； </p><p>　　(4)氣壓過低，外胎在車輛上移動，會使胎圈磨損，并導(dǎo)致氣門嘴處撕裂或脫落； </p>

30、;<p>　　(5)輪胎在氣壓不足的情況下行駛，輪胎與地面的接觸面會增大，勢必增加輪胎與路面行駛中的滾動阻力，致使發(fā)動機的一部分功率用來消耗在克服因輪胎充氣不足而產(chǎn)生的阻力上，因此給汽車的使用、動力和經(jīng)濟性能帶來一定的影響。實驗表明，輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓15%時，油耗將要增加5%；如果氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓30%，油耗則要增加12%[2]。</p><p>　　1.2.4 輪胎壓力過高對輪胎安全性能的影響

31、</p><p>　　同樣，輪胎壓力過高也會對輪胎的安全性能造成影響。輪胎的負(fù)荷能力和氣壓都是在設(shè)計時就已給定，由于內(nèi)壓的增加，輪胎各部位的變形和所受的內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)的增加。內(nèi)壓增加使輪胎剛性加大，在載荷下的變形變小，使輪胎與地面接觸的面積減小。因此，輪胎壓力過高時，會造成如下危害:</p><p>　　(1)胎體簾線所受原始應(yīng)力增大，胎體強度相對下降；</p><p&g

32、t;　　(2)胎冠突出，磨損不均勻，嚴(yán)重時容易造成磨胎冠現(xiàn)象；</p><p>　　(3)胎體變硬，彈性變差，汽車行駛時，輪胎冠部受沖擊應(yīng)力大，容易產(chǎn)生冠部</p><p>　　簾線損傷，嚴(yán)重時引起輪胎爆破；</p><p>　　(4)汽車在同樣的使用條件下，輪胎緩沖性能變差，沖擊振動變大，操縱性能變</p><p>　　差，特別是在質(zhì)量較差

33、的路面行駛時，輪胎容易產(chǎn)生機械損傷，影響行駛安全[3]。</p><p>　　1.3輪胎經(jīng)濟性能分析</p><p>　　輪胎的使用壽命，在很大程度上和輪胎的使用條件、車輛的技術(shù)性能、駕駛員的水平以及企業(yè)對輪胎的管理工作質(zhì)量等因素有直接的關(guān)系。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，當(dāng)輪胎壓力低于其額定值0.03MPa時，輪胎的正常使用壽命將會減少25%；當(dāng)輪胎壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值25%時，其壽命將會降15%-25%；對

34、于轎車，其輪胎內(nèi)壓力每下降0.05MPa，其承載力就減少100N。根據(jù)德國聯(lián)邦統(tǒng)計局的車輛事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，約80%輪胎漏氣是由于輪胎氣壓不足造成的。 輪胎在設(shè)計制造的過程中，根據(jù)不同的價格、最大的負(fù)荷量、最高的行駛速度以及其它的主要途徑等己經(jīng)設(shè)定了與之相應(yīng)的最佳充氣壓力，我們稱之為輪胎的標(biāo)準(zhǔn)氣壓。標(biāo)準(zhǔn)的氣壓是輪胎的生命，因此在使用過程中充氣壓力的過低或過高都會縮短它的壽命，甚至引發(fā)安全事故隱患。氣壓過低或過高都會影響行駛里程。氣壓過低，輪

35、胎變形為外長內(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；氣壓過高，輪胎接地面積小，磨損量增大。如果在使用過程中，能夠正確地按照輪胎的標(biāo)準(zhǔn)氣壓使用，輪胎在行駛過程中會均勻的損耗，保持了輪胎的最佳負(fù)荷承載狀態(tài)和良好的彈性，則可以大大地延長輪胎的使用壽命。通過輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，可以實</p><p>　　1.4國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　國外因立法較早，其開發(fā)生產(chǎn)的TPMS較

36、為成熟，現(xiàn)在國內(nèi)有許多汽車配件商開始代理銷售國外的TPMS系統(tǒng)。生產(chǎn)及正在研究TPMS的企業(yè)和廠家大概有200多家，主要有上海泰好電子科技有限公司，佛山市朗杰電子科技有限公司，深圳市瑞電通信電子有限公司，福州東球金口哨輪胎防爆有限公司，上海保隆實業(yè)有限公司，寧波億萊斯電器有限公司，昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司等。但是國內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的TPMS基本是靠引進國外公司輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺及生產(chǎn)線，核心技術(shù)都掌握在國外廠家手中，基本沒有自

37、主知識產(chǎn)權(quán)可言。因此，隨著TPMS逐漸成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TPMS意義重大。</p><p><b>　　1.5應(yīng)用前景</b></p><p>　　美國每年的汽車銷量約為1500萬輛 (轎車/卡車).全球每年約5000萬輛，平均每輛車需要4.2個輪胎 (不包括備用胎)。中國正在成為全球最大的新興汽車市場，中國汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長的趨

38、勢，汽車保有量已突破2600萬輛，汽車年銷售將突破600萬輛，未來5年將成為僅次于美國的全球第二大汽車銷售國。汽車安全產(chǎn)品將成為中國生機勃勃的新興市場熱點，今后每年增長速度可達5%。據(jù)有關(guān)部門對中國TPMS市場預(yù)測，2006年底市場容量將達50萬套，近17億元人民幣。根據(jù)2003-2010年汽車需求預(yù)測:汽車年增長16%-20%，轎車年增長19%一24%。綜合以上分析，預(yù)計，中國汽車保有量在今后幾年將以16%以上的速度增長.美國、歐洲已

39、先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實現(xiàn)汽車全部安裝TPMS，因此，對TPMS的需求量與日俱增。而美國的人工每小時工資差不多是中國工人的日工資，面對量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國，今后幾年內(nèi)中國必將成為TPMS的生產(chǎn)大國.為與世界先進國家同步，我國關(guān)于汽車安裝TPMS這樣的生命安全保障預(yù)系統(tǒng)的法規(guī)遲早也會出現(xiàn)。目前，我們國內(nèi)己有數(shù)百家設(shè)計公司、生</p><p><b>　　1.6課題的提

40、出</b></p><p>　　國內(nèi)TPMS的發(fā)展處于剛起步階段，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的TPMS基本是靠引進國外公司輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)平臺及生產(chǎn)線。而經(jīng)過這么多年的發(fā)展，國外TPMS也有其不足之處，一般只能適應(yīng)車輛定性監(jiān)測使用，因此，現(xiàn)在仍然沒有作為一個成熟的產(chǎn)品被大范圍推廣使用。為了彌補國內(nèi)對于TPMS自主知識產(chǎn)權(quán)研發(fā)的空白，本課題組在充分研究國外TPMS的基礎(chǔ)上，總結(jié)出現(xiàn)有國外TPMS

41、存在的主要問題，進而提出一種新型解決方案，具體方案描述見第二章。本論文所做的主要工作是在熟悉整個系統(tǒng)的工作原理的條件下，研究輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)從機電路的設(shè)計。</p><p>　　第2章 TPMS系統(tǒng)的總體設(shè)計</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　2.1.1 TPMS系統(tǒng)的分類</p><p

42、>　　目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是認(rèn)wheel-Speed Based TPMS(簡稱:WSBTPMS，或稱為間接式TPMS，這種系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。該類型系統(tǒng)的優(yōu)點是較直接式便宜，對于己經(jīng)裝備了4輪ABS的汽車，主要缺點是：首先無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷；其次是準(zhǔn)確率低，目前還不能確定故障輪胎，并且系統(tǒng)的校準(zhǔn)極

43、其復(fù)雜；此外，它無法用于未裝備ABS的汽車。</p><p>　　另一種是Pressure Sensor Based TPMS(簡稱：PSB TPMS，或稱為直接式TPMS)，這種系統(tǒng)利用安裝在每一個輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高

44、時，系統(tǒng)就會自動報警，駕駛員由此可以采取相應(yīng)措施，以免爆胎事故的發(fā)生。本論文研究的是直接式TPMS，如無特別說明，文章后面提到的TPMS均指直接式TPMS[5]。</p><p>　　2.1.2 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　目前，直接式TPMS系統(tǒng)主要有兩個部分組成:安裝在汽車輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊RTPM(Remote Tire Pressure Monitor

45、ing)和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器（LCD顯示器）。遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)測量得到的信號調(diào)制后通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。中央監(jiān)視器接受RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力和溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的警報信號，提醒駕駛者采取響應(yīng)措施。一般一個TPMS系統(tǒng)有4個或5個（包括備用胎）RTPM模塊。</p><p>　　中央監(jiān)視

46、器主要有六個部分組成：（1）背光LCD顯示器；（2）主機穩(wěn)壓電路；（3）核心CPU；（4）按鍵及蜂鳴器報警裝置；（5）接口；（6）天線。主機結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。</p><p>　　圖2.1 主機模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　從機模塊有五個部分組成：（1）具有壓力、溫度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器SOC；（2）4-8位單片機（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片；（4

47、）鋰電池；（5）天線。從機結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 從機結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2 國外TPMS系統(tǒng)的解決方案</p><p>　　目前市場上提供TPMS配套的方案很多，芯片廠商包括飛思卡爾、英飛凌、GE、Atmel、Maxim、東芝、飛利浦等公司。飛思卡爾和英飛凌目前具有胎壓傳感器、RF射頻及接收器、MCU的完整產(chǎn)品線，其他

48、半導(dǎo)體公司主要提供胎壓傳感器、RF、MCU的若干配套方案。市場上的TPMS方案能見度較高的主要由三家芯片供貨商主導(dǎo)：飛思卡爾、GE、Infineon。結(jié)果分析比較，在眾多的解決方案中它們的整體方案是一樣的，即將傳感器、無線發(fā)射模塊部分安裝在每個輪胎的氣門嘴上或是輪轂上，整個模塊有一塊鋰電池供電，將采集到的信號發(fā)射給主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)安裝在汽車的駕駛室內(nèi)，接受信號將壓力信號顯示在液晶屏幕上，并判斷是否需要報警，以提醒駕駛員采取相應(yīng)措施。不

49、同的廠家解決方案的區(qū)別是每個部分使用的芯片有不同廠家生產(chǎn)，采用的技術(shù)渠道、加工工藝不一樣。</p><p>　　縱觀國內(nèi)外這幾年TPMS產(chǎn)品的發(fā)展變化，可以看出，國外TPMS發(fā)展主要集中在智能傳感器研究上，TPMS發(fā)射模塊將向集成化、單一化。無源化方向發(fā)展。</p><p>　　智能傳感器是整合了硅顯微機械加工技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘和一個包含模數(shù)

50、傳感器、取樣/保持、SPI接口、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號處理ASIC單元，模塊具有可編程性，及可以利用客戶專用軟件進行配置。他是由MEMS傳感器和ASIC電路兩塊芯片，用集成電路工藝做在一個封裝里。在封裝上方留有一個壓力/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；同時這個孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識別，每個壓力傳感器都具

51、有16-32位獨特的ID碼。適用于TPMS的智能傳感器還有、硅集成電容式傳感器，如飛思卡爾的MPXY8020、MPXY8040和硅阻式壓力傳感器，如GE Novasensor的NPX1、NPX2[6]。</p><p>　　2.3本課題的解決方案</p><p>　　如果按照目前國內(nèi)外TPMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，我們分析出有幾個問題無法克服。目前國內(nèi)外該產(chǎn)品的從機一般式安裝在輪轂上或氣門嘴上，

52、主機安裝在駕駛室內(nèi)，從機要將采集到得數(shù)據(jù)通過無線電波發(fā)送到主機接受裝置，無線信號要繞過車身才能被主機接收，由于汽車為金屬外殼，對無線信號由一定得屏蔽作用，所以通信可靠性比較低。經(jīng)過分析，我們總結(jié)出現(xiàn)有國外輪胎監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題有以下幾點：</p><p>　?。?）輪胎從機模塊安裝在輪轂上，可靠性較低，扒胎維護十分困難。</p><p>　　（2）輪胎從機模塊安裝在輪轂上，輪胎旋轉(zhuǎn)時徑

53、向加速度的變化影響胎壓的測試精度。</p><p>　?。?）輪胎從機模塊旋轉(zhuǎn)過程中信息發(fā)射角度和主機的相對位置不斷變化，與主機進行無線通訊可靠性低，抗干擾性差。</p><p>　?。?）輪胎從機模塊安裝在輪轂上，監(jiān)測系統(tǒng)只能使用一次性鋰電池供電，車輛長期告訴行駛電源故障率高，維護十分困難。</p><p>　　（5）該輪胎監(jiān)測系統(tǒng)一般這適用于車輛定性監(jiān)測使用，沒

54、有普及使用。</p><p>　　由上可以看出，目前TPMS產(chǎn)品不能在大范圍推廣開來的根本問題不是處在傳感器上，傳感器的集成度在上訴問題也不能完全克服。因此，本課題在研究國外TPMS 的基礎(chǔ)上提出一種新的方案。將從機模塊安裝在輪轂軸心，在每個輪胎從機模塊附近都裝有一個RF無限網(wǎng)橋，網(wǎng)橋通過一組DCPL總線與主機相連。從機模塊通過壓力、溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU處理后通過射頻芯片無線發(fā)射給RF無線網(wǎng)橋接

55、收，然后由無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)通過DCPL總線傳輸給安裝在駕駛室內(nèi)的主機。當(dāng)主機向從機發(fā)送信息時，則是將信息通過DCPL總線傳遞給各個網(wǎng)橋，由無線網(wǎng)橋?qū)⑿畔l(fā)送給從機模塊。</p><p><b>　　具體創(chuàng)造方案如下：</b></p><p>　?。?）從結(jié)構(gòu)上對輪胎輪轂軸心進行了設(shè)計，改變了以往將TPMS從機安裝在輪轂或氣門嘴上的做法，而是將從機安裝在輪轂軸心，從機通過

56、輪轂上的導(dǎo)孔監(jiān)測輪胎內(nèi)部的氣壓和溫度信號，這樣就便于安裝和拆裝維護。由于將從機的安裝位置放到了軸心附近，極大降低徑向加速度對壓力傳感器的影響，提高了測量精度和可靠性，同時也克服了由于從機安裝在輪轂上為產(chǎn)生的輪胎旋轉(zhuǎn)時從機和主機之間相對位置變化較大的問題。</p><p>　?。?）本系統(tǒng)的無線發(fā)射模塊發(fā)送的信號不是繞過車身發(fā)送給主機的接收系統(tǒng)，而是發(fā)送給安裝在輪轂附近的無線微型網(wǎng)橋，由無線微型網(wǎng)橋通過DCPL現(xiàn)場

57、總線與主機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這樣就縮短了無線發(fā)射模塊與接收模塊的通信距離，而且無線信號也不用繞過車身傳送到主機上，這樣一方面可以減小從機模塊的發(fā)射頻率，降低系統(tǒng)功耗，另一方面可以降低外界信號對從機模塊無線信號的干擾，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　?。?）功耗問題一直是傳統(tǒng)TPMS產(chǎn)品較難解決的問題之一，傳統(tǒng)TPMS產(chǎn)品采用一次性鋰電池供電，且安裝在輪轂上或氣門嘴上，車輛長期告訴行駛電源故障較高，

58、當(dāng)電池電量耗完更換電池時需要扒胎維護，很不方便。目前通常采取的省電措施是使系統(tǒng)大部分時間在睡眠狀態(tài)，當(dāng)汽車啟動時或進入高速行駛狀態(tài)下喚醒系統(tǒng)。啟動時進行自檢、自動喚醒，高速行駛時按運行的速度確定檢測時間周期。</p><p>　　（4）主機與從機之間的信息交互通過中間的微型無線網(wǎng)橋來連接，網(wǎng)橋與從機模塊之間通過無線收發(fā)方式進行信息傳輸，與主機之間通過DCPL現(xiàn)場總線連接[7]。</p><p&

59、gt;<b>　　2.4系統(tǒng)設(shè)計要求</b></p><p>　　2.4.1系統(tǒng)工作環(huán)境</p><p>　　為了實時測得汽車行駛時輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，輪胎壓力監(jiān)測模塊需要安裝在汽車輪胎內(nèi)部，工作在輪胎封閉環(huán)境中。由于現(xiàn)有輪胎大多數(shù)為真空子午胎，沒有內(nèi)胎，因此目前該產(chǎn)品一般固定安裝在輪轂上。由于在汽車行駛過程中，輪胎時鐘處于告訴旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而在數(shù)據(jù)的傳輸方式上不能采

60、用有線方式。結(jié)合汽車行駛中的復(fù)雜環(huán)境，能夠讓駕駛員及時可靠的得到預(yù)警報警信息，通過無線射頻通信方式來傳輸輪胎數(shù)據(jù)信息是最佳選擇。</p><p>　　2.4.2系統(tǒng)功能要求</p><p>　　本課題研究的是新型的直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在汽車行駛的狀態(tài)下通過置于輪毅軸心的測量模塊獲取輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并通過射頻發(fā)射模塊將此信息發(fā)送給無線網(wǎng)橋再傳輸?shù)降今{駛室內(nèi)，在液晶顯示器上顯示

61、各輪胎的當(dāng)前狀況，使駕駛員可以直觀地掌握各輪胎的信息。當(dāng)某個輪胎的壓力過高或過低、溫度過高或變化過快時，向駕駛員發(fā)出聲光報警；此外，系統(tǒng)還應(yīng)對電源電量不足和輪胎漏氣等狀況進行監(jiān)測，以保證系統(tǒng)的可靠運行和行車安全。</p><p>　　綜上所述，系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)如下功能:</p><p>　　(1) 可以由用戶選擇車型以及相應(yīng)的壓力、溫度闡值。通過按鍵，用戶可以選取不同的車型，設(shè)定不同的氣壓報普上

62、下限值。</p><p>　　(2) 實時監(jiān)測各個輪胎的壓力、溫度狀況.當(dāng)某個輪胎的壓力超過標(biāo)準(zhǔn)范圍、溫度過高或變化過快時，點亮指示燈并驅(qū)動蜂鳴器報替，在液晶顯示器上顯示該輪胎當(dāng)前的異常狀況，提醒駕駛員及時檢查并進行處理。</p><p>　　(3) 對輪胎漏氣異常進行處理.漏氣異?？煞譃?“快漏氣”與 “慢漏氣”，針對兩種情況發(fā)出不同的報警，提醒駕駛者采取相應(yīng)的措施。</p>

63、<p>　　(4) 對各個發(fā)射模塊進行監(jiān)測。若規(guī)定時間(如1分鐘)內(nèi)未收到相應(yīng)輪胎發(fā)來的數(shù)據(jù)則發(fā)出報警，以便于駕駛者判斷故障原因.</p><p>　　(5) 系統(tǒng)還可記錄一段時間的報警數(shù)據(jù) (氣壓、溫度和電壓)和報警時間，以實現(xiàn)類似飛機黑匣子的功能[8]。</p><p>　　2.4.3系統(tǒng)技術(shù)要求</p><p>　　由于本課題采用的方案可以較好地

64、解決目前國外輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的一些不足之處，特別是對電源以及功耗的要求不再像以前那樣苛刻，因此，設(shè)計變得相對簡單起來。由于發(fā)射模塊工作在劇烈振動、溫差變化大和不便隨時檢修的環(huán)境下，所以挑選的組件必須具備高標(biāo)準(zhǔn)的可靠度和穩(wěn)定性，能工作在-40℃到+125℃ 溫度范圍內(nèi)。</p><p>　　結(jié)合前文所述，系統(tǒng)應(yīng)達到如下要求:</p><p>　　(1)體積小，重量輕，特別是測量與發(fā)射模塊的體

65、積和重量要盡可能的小，便于保持輪胎的平衡。</p><p>　　(2)功耗低，時效長，尤其是測量與發(fā)射模塊的功耗要盡可能的低。</p><p>　　(3)射頻收發(fā)時抗干擾和抗噪聲的效果要好，發(fā)射的有效距離要適當(dāng)。</p><p>　　(4)壓力測量的精度要達到一定要求，以便能準(zhǔn)確報警。</p><p>　　(5)系統(tǒng)要有較寬的溫度范圍，適合不

66、同地區(qū)不同季節(jié)的使用。</p><p>　　(6)安裝簡單，更換方便。</p><p>　　(7)作為產(chǎn)品設(shè)計時要考慮成本。</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先從整體上介紹了目前國外TPMS系統(tǒng)的分類及結(jié)構(gòu)組成，然后介紹了目前國外TPMS系統(tǒng)的解決方案及發(fā)展趨勢，并分析了該解

67、決方案存在的不足之處，最后在借鑒國外TPMS的基礎(chǔ)上針對分析出來的不足之處提出了自己的解決方案，并針對此方案設(shè)計了主要完成的功能及技術(shù)要求。由于本人在此課題中主要負(fù)責(zé)從機模塊電路設(shè)計，因此后面兩章將分別描述從機模塊硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。</p><p>　　第3章 輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)從機電路設(shè)計</p><p><b>　　3.1概述</b></p><

68、;p>　　本課題輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)從機電路主要由以下三部分組成：無線通信微處理器模塊、輪胎壓力/溫度檢測模塊、電源管理模塊。其中無線通信模塊為從機模塊的控制和數(shù)據(jù)處理單元，負(fù)責(zé)接收主機發(fā)送過來的各種命令數(shù)據(jù)，讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)并經(jīng)過濾波處理后發(fā)送出去；輪胎壓力溫度檢測模塊即傳感器模塊，負(fù)責(zé)檢測輪胎內(nèi)部壓力和溫度信號，將采集到的信號以數(shù)字量形式傳送給數(shù)據(jù)處理單元；電源管理模塊負(fù)責(zé)給整個從機模塊提供電源，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時喚醒系統(tǒng)。

69、</p><p>　　從機系統(tǒng)各模塊工作流程如下:汽車停止時，從機模塊處于休眠狀態(tài)，汽車移動時，由慣性發(fā)電裝置產(chǎn)生脈沖信號喚醒系統(tǒng)，系統(tǒng)喚醒后首先進行初始化，然后啟動傳感器模塊檢測輪胎壓力、溫度信號，MCU將采集的信號進行濾波處理后和電池電壓信號存儲在內(nèi)存里，電池電壓信號通過內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器獲得。然后從機等待主機命令將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機系統(tǒng)。</p><p>　　3.2無線通信模塊的設(shè)計&l

70、t;/p><p>　　3.2.1無線通信芯片的選型</p><p>　　無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在射頻模塊設(shè)計中的選擇是至關(guān)重要的，正確選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場.選擇無線收發(fā)芯片時應(yīng)考慮需要以下幾點因素:</p><p>　　(1)收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼。采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技

71、巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達到標(biāo)稱速率的一半。而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，編程也方便。</p><p>　　(2)收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件如變?nèi)莨芤约奥暠頌V波器等。</p><p&g

72、t;　　(3)功耗。大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。</p><p>　　(4)發(fā)射功率.在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。但是也應(yīng)該注意，有些產(chǎn)品號稱的發(fā)射功率雖然較高，但是由于其外圍元件多，調(diào)試復(fù)雜，往往實際的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到標(biāo)稱值.</p><p>　　(5)收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。

73、較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。</p><p>　　通過查詢，目前無線收發(fā)芯片有許多種，為了縮短開發(fā)周期，我們希望選擇我們熟悉的以8051內(nèi)核的無線收發(fā)芯片，因為我們熟悉Keil的C51，同時熟悉8051的結(jié)構(gòu)。與8051兼容的無線收發(fā)芯片目前共有4種，但主流的是chipcon公司的cc1O10，Nordic公司的nRF24El/nRF9E5。&

74、lt;/p><p>　　通過查閱資料， nRF9E5工作在433MHz和868MHz-930MHz之間。雖然Nordic的無線單片機存儲器較小，只4K，但由于采用較好的電源管理方式和快速的SHOCKBURST技術(shù)，且價格較ccl010低一些，考慮到該系統(tǒng)的工作頻率，本課題的無線收發(fā)芯片選用Nordic的nRF9E5[9]。</p><p>　　3.2.2射頻收發(fā)芯片nRF9E5</p&g

75、t;<p>　　nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級FR芯片，其內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、5051兼容微控制器和4輸入10位80KbpsA/D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級芯片，采用32腳QFN封裝，芯片尺寸為5mm x5mm ，工作電壓1.9V -3.6V。nRF9E5 由頻率合成器、功率合成器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，外圍元件少，不用外加聲表面振蕩器，天線可采用P

76、CB環(huán)形天線或單端鞭狀天線，發(fā)射功率最大為10dbm。接收靈敏度為460dbm，在開闊地傳輸距離一般可達600m以上。在地形復(fù)雜時會縮短距離，這與使用環(huán)境、干擾、系統(tǒng)調(diào)諧有關(guān)。nRF9E5采用SPI(串行外設(shè)接口)與微控制器通訊，它自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)校驗，使用極為方便，只需將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收機地址送給nRF9E5，nRF9E5自動完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)發(fā)送，接收到正確的數(shù)據(jù)包時，自動移去字頭、地址和C

77、RC校驗碼，然后通知微處理器讀取數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　(1)微控制器</b></p><p>　　nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時序與標(biāo)準(zhǔn)8015稍有區(qū)別。典型的區(qū)別是：nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令周期為4到20個指令周期。中斷控制器支持5個擴展中斷源:ADC中斷、SPI中斷、RADIOI中斷、RADI02中斷和喚醒定時器中斷。片

78、內(nèi)控制器還有3個與8052相同的定時器。1個和8051相同的串口，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外，還擴展了2個數(shù)據(jù)指針，以方便于從XRAM區(qū)讀取數(shù)據(jù)。微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動執(zhí)行ROM 引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從EEPROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用。NRf9E5的程序代碼必須要從片外存儲器裝載，默認(rèn)

79、使用的存儲器為帶有SPI 接口的EEPROM，nRF9E5的大部分寄存器和標(biāo)準(zhǔn)8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如ADCCON、SPICTRL、PODIR、POALT、ADCSI、ATIC、PWMCOY、RCAPZL、RCAPZH等。nRF9E5中的PO、Pl和PZ口寄存器地址和標(biāo)準(zhǔn)5051</p><p>　　(2)CKLF時鐘、RTC喚醒定時器和WTD</p><p>　　n

80、RF9E5內(nèi)有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當(dāng)晶振開始工作后，CKLF頻率為4KHz；晶振不工作時，CKLF是一個低功耗RC晶振器，只要VDD>1.8v，其連續(xù)工作.RTC喚醒定時器、WTD(看門狗)和GPIO 喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片低功耗工作時能夠完成這三個功能。RTC喚醒定時器是一個24位可編程控制的遞減計數(shù)器，WTD則是一個16位可編程控制遞減計數(shù)器。RTC喚醒定時器和WTD的循環(huán)周期一般在300us-

81、80ms ，默認(rèn)為lms，RTC喚醒定時器也能作GPIO的輸出源，也就是說，當(dāng)RTC喚醒定時器初始化時間發(fā)生溢出時，能夠產(chǎn)生一個用作GPIO輸出的程序脈沖。</p><p>　　(3)可編程GPIO喚醒功能</p><p>　　PO口的任何一個引腳都可以用作紅RFgES的喚醒信號，喚醒信號的產(chǎn)生可以設(shè)置在各引腳的上升沿或者下降沿或者兩個邊緣都有。另外，各引腳可以通過編程實現(xiàn)“濾波”功能，用

82、來抑制噪聲產(chǎn)生的誤判。DEBOUNCE相當(dāng)于一個低通濾波器，在穩(wěn)定的時鐘頻率作用下，輸入轉(zhuǎn)變輸出。觸發(fā)方式可以是上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)或上升沿下降沿均觸發(fā).邊沿觸發(fā)的延遲時間是2個時鐘周期。</p><p>　　本系統(tǒng)就是采用此喚醒功能，在汽車開動時將系統(tǒng)從機模塊喚醒。汽車開動時，安裝在輪毅軸心上的慣性發(fā)電裝置會產(chǎn)生脈沖，將此脈沖信號引到PO口則可以實現(xiàn)汽車移動即開機功能。</p><p>

83、;<b>　　(4)射頻收發(fā)器</b></p><p>　　nRF9E5收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SIP口與其它模塊進行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF9E5相同的功能。收發(fā)器通過片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(DR)、載波檢測信號(CD)和地址匹配信號(AM)能夠作為微控制器的中斷信號。nRF9E5工作于433/868MHz頻段。收發(fā)器由1個頻率合成器、1個功率

84、放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。輸出功率、頻率和其它射頻參數(shù)可通過SH接口編程配置。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11mA；接收模式下為12.5mA。為了節(jié)能，可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān)[10]。</p><p>　　3.2.3天線的設(shè)計</p><p>　　天線是電磁波沿傳輸線路和在空間進行傳播的接口，在通信路徑中非常重要的一部分。天線是互易器件，也就是說，同一種設(shè)計既可以做發(fā)射天線也

85、可以做接收天線，性能都一樣的好，本系統(tǒng)的天線就是既用作發(fā)射也用作接收。從本質(zhì)上來說，發(fā)射天線的任務(wù)是將沿著傳輸線傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換成在空間傳播的電磁波，也就是將這些電磁場發(fā)射到空間去。在接收端，空間中的電場和磁場引起天線中的導(dǎo)線產(chǎn)生電流，因此一些能量從這些電磁場中傳播到與接收天線相連接的傳輸線中，并到達接收機.天線的設(shè)計是一個很精密的工作，一個良好的天線需要考慮頻帶、阻抗、增益等問題。</p><p>　　一個天線能

86、定義為任何導(dǎo)體，他載送一脈沖和交流電流，這個電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個磁場，這個磁場將產(chǎn)生脈沖或隨著電流的變化而變化。如果另外一個導(dǎo)線放在附近，通過這個電磁場，另一個線將導(dǎo)出一個電流，這個電流和原始電流一樣，只是弱一些。本系統(tǒng)的天線采用環(huán)形 PCB天線，環(huán)形天線和人體非常相似，有普通的單極或多級天線功能。環(huán)形天線體積小、可靠性高、成本低，是微小型通信產(chǎn)品的理想天線.</p><p>　　3.2.4環(huán)形天線的工作原理&

87、lt;/p><p>　　典型的環(huán)形天線是由電路板上的銅走線組成的電回路構(gòu)成，也可能是一段制作成環(huán)形的導(dǎo)線。其等效電路相當(dāng)于兩個串連電阻與一個電感的串連，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。假設(shè)流過天線回路的電流為I，那么的消耗功率，即RF功率為為大于。電阻是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為，如果那么損耗的功率比實際發(fā)射的功率大，因為這個天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射

88、功率和損耗功率之和。實際上，環(huán)形天線的設(shè)計幾乎無法控制和，因為是由制作天線的導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)線的大小決定的，而是由天線所圍面積大小決定的[11]。</p><p>　　3.2.5參數(shù)值的計算</p><p><b>　　(1)電阻值的計算</b></p><p>　　環(huán)形天線的發(fā)射電阻的計算公式為：</p><p>&

89、lt;b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中A為環(huán)形天線所圍的面積，單位為米；為無線電的波長，可以通過發(fā)射頻率和光速計算出，其單位為米。由該公式可以計算出的大小在毫歐的范圍內(nèi)。</p><p>　　環(huán)形天線的損耗電阻大小的公式為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p&

90、gt;　　式中為環(huán)形天線的周長，為PCB的走線寬度，為，為PCB板走線的電導(dǎo)率，典型的銅電導(dǎo)率為s/m。</p><p><b>　　（2）電感值的計算</b></p><p>　　圖中的第三個元器件就是環(huán)形天線的電感。天線的電感性主要是磁效應(yīng)而產(chǎn)生的結(jié)果。通常，即使是簡單形狀的天線的電感系數(shù)計算公式也是很難得到的。目前，計算導(dǎo)體電感率的公式也比較多，但一般都是比較冗

91、長的?，F(xiàn)給出一個簡單而相對準(zhǔn)確的公式：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　?。?）阻抗匹配</b></p><p>　　為了使天線達到發(fā)射電磁波的目的，必須對其參數(shù)進行匹配，使天線回路發(fā)生震蕩。在回路中加入電容，使得天線回路阻抗值最小。在這個諧振電路(如圖3.2.4所示中)，電容C的

92、值的計算公式為:</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　計算該諧振電路的品質(zhì)因數(shù)的公式為：</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　式中為回路中的總電阻，不僅包括和，而且還包括實際電路中電容產(chǎn)生的電阻效應(yīng)，一般的陶瓷電容在UHF頻段范圍內(nèi)的電

93、阻值為0.2歐到0.8歐之間。為了使天線達到更好的效果，通常把電容C拆開為兩個電容Cl和C2，通常，C2遠(yuǎn)大于Cl，在本設(shè)計中，C1用來調(diào)節(jié)共振頻率，而C2調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配[12]。</p><p>　　3.3傳感器模塊的設(shè)計</p><p>　　TPMS中輪胎從機模塊的壓力傳感器是基于MEMS技術(shù)來設(shè)計生產(chǎn)的，主要有硅MEMS電容壓力傳感器。硅電容式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體應(yīng)力差動

94、電容一電變換測量電路。</p><p>　　壓力傳感器是一個片上系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部典型架構(gòu)包括整合了硅微機械加工的壓力傳感器、溫度傳感器。電容式傳感器是由MEMS壓力傳感器和半導(dǎo)體SOC電路，用集成電路工藝做在一個封裝里的.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，同時這個孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。</p><p>　　3.3.1 MPXY

95、8020A的特性結(jié)構(gòu)</p><p>　　MPXY802OA是汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的一種理想傳感器，它是摩托羅拉公司于2003 年推出的汽車輪胎壓力溫度監(jiān)測傳感器芯片，內(nèi)部集成了壓力和溫度傳感器、SPI串行數(shù)據(jù)接口、DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模擬值比較電路、待機喚醒電路等。它具有檢測0kPa-637kPa壓力和-40℃-125℃溫度的能力。該器件具有8個引腳，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

96、功耗的耐壓監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　氣壓信號的采樣分兩步完成:首先是把采樣電容上的信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后用開關(guān)式電容放大器對信號進行放大，以提高采樣的準(zhǔn)確度。電容放大器帶有溫度補償電路，采樣偏移量可調(diào)，并且可以通過在EPROM寄存器中寫入校正值進行采樣信號的校正。氣壓信號值的大小通過電壓比較器確定。在氣壓轉(zhuǎn)換前，外部微控制器通過數(shù)字接口輸入8位極限值。片內(nèi)8位DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)把該值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓

97、，電壓比較器把采樣的電壓值與該值進行比較，在OUT引腳輸出比較后的結(jié)果。當(dāng)采樣值高于輸入值時，OUT引腳為高電平，反之，為低電平，溫度信號的采樣由帶有正溫度系數(shù)的薄膜電阻完成。由圖可見，通過2路開關(guān)，可選擇傳感器工作于氣壓采樣狀態(tài)或溫度采樣狀態(tài)，溫度信號的采樣過程與氣壓信號的采樣過程相似。</p><p>　　片內(nèi)集成了1個低頻率、低功率的5.4KHz晶體振蕩器，1個14級的分頻器。通過14級分頻，可在OUT引腳

98、得到周期性(一般3s)的輸出信號.該信號還可以用作微控制器的中斷源。此外，片內(nèi)還集成了一個10級的分頻器，通過該分頻器，傳感器可每隔52min使外部微控制器復(fù)位1次，以防程序長時間跑飛。</p><p>　　3.3.2 MPXY8020A管腳配置說明</p><p>　　各引腳的具體功能如下:</p><p>　　其中DATA、CLK引腳用于外接MCU的串行數(shù)據(jù)輸入

99、，即SIP接口；OUT引腳具有雙重功能，當(dāng)處于測量方式時，OUT端是比較器輸出，用于檢測逐次逼近的結(jié)果:RST為復(fù)位引腳；VDD、VSS是正負(fù)電源引腳；S1、S0引腳用于控制其操作模式，通過S1、S0的組合可以有以下4種工作方式:</p><p>　　(1)待機工作方式(S1=0，S0=0)</p><p>　　在待機工作方式下，MPXY8002A內(nèi)部處于最低的功耗狀態(tài)，只為低頻振蕩器、S

100、PI、DAR、喚醒脈沖和復(fù)位脈沖分配器電路供電。</p><p>　　(2)壓力測量方式(S1=0，S0=1)</p><p>　　在壓力測量方式下，器件內(nèi)的多路開關(guān)連接到MPXY8020A 的采樣電容。初始化這種方式以后，考慮開關(guān)電路的穩(wěn)定，至少應(yīng)在500m以后才能執(zhí)行讀數(shù)據(jù)程序。</p><p>　　(3)溫度測量方式(S1=1，S0=0)</p>

101、<p>　　在溫度測量方式下，器件內(nèi)的多路開關(guān)連接到MPXY8020A的采樣電容。讀數(shù)方式與壓力測量方式基本相同。</p><p>　　(4)讀數(shù)據(jù)方式(S1=1，S0=1)</p><p>　　由于器件沒有直接數(shù)據(jù)輸出功能，必須借助外接的MCU完成測量數(shù)據(jù)輸出的任務(wù).在讀數(shù)據(jù)方式下，MCU初始化MPXY8020A為測量壓力、溫度工作方式之后，利用SPI串行接口，通過逐次逼近程

102、序，將預(yù)測值串行送入MPXY8020A 的內(nèi)部DAC，同時檢測MPXY8020A 的OUT引腳狀態(tài)，得到逼近的8bit的壓力/溫度值。</p><p>　　S0 、S1 、DATA、CLK四個引腳都內(nèi)置了施密特觸發(fā)器，以提高芯片的抗干擾性，并且這四個引腳都內(nèi)置了下拉電阻，所以當(dāng)它們被懸空時，都為低電平[13]。</p><p>　　3.4電源管理模塊的設(shè)計</p><p

103、>　　功耗問題一直是目前TPMS系統(tǒng)難以解決的問題，由于本系統(tǒng)將輪胎從機模塊安裝在輪毅軸心上，使得在模塊中安裝慣性發(fā)電裝置成為可能，使系統(tǒng)的電能有了源源不斷地補給，從而可以從根本上解決電源問題。當(dāng)汽車高速運行時，由慣性發(fā)電裝置給系統(tǒng)供電。同時也要考慮到汽車緩慢運行或速度不穩(wěn)時的系統(tǒng)供電情況，這時，我們在里面加了一個可充電鋰電池，當(dāng)遇到發(fā)電不穩(wěn)的時候系統(tǒng)自動切換到電池供電。在車輛正常行駛情況下，慣性發(fā)電裝置會對鋰電池進行充電，因此，