xx科技大學高等教育自學考試畢業論文PAGE26PAGE26輪胎壓力檢測系統設計摘要：隨著汽車工業的發展和道路交通網絡的擴大，同時由此而引起的安全問題在人們的生活中也是日益嚴重，隨之引發的交通事故在不斷增多。汽車輪胎壓力監測系統(TPMS)由此應運而生，它是繼ABS、安全氣囊后第3個重要的汽車安全電子產品，主要用于在汽車行駛過程中對輪胎氣壓、溫度進行實時自動監測，并對出現的異常情況進行實時報警，是駕車者和乘車人員的生命安全保障預警系統。本論文主要完成的工作分為以下幾個過程：1）分析在各種車輛中經常出現的輪胎損耗、爆胎現象與輪胎氣壓和溫度的關系；2）了解TPMS系統的發展歷程、現狀和趨勢；3）對TPMS系統主機的結構進行創新性的改進，并分析新型結構與傳統結構所具有的優勢；4）完成TPMS系統主機模塊的原理、結構、各種構成元件的硬件設計過程和選用器件的引腳配置等；5）確定基本的系統測試方法和測試過程,分析測試結果,得到研究設計結論。直接式TPMS是利用傳感器實時測量每一個輪胎中的壓力和溫度,然后利用無線通信方式與TPMS主機進行通信，主機可以顯示各個輪胎的氣壓和溫度信息,并且在輪胎氣壓過低、過高、有漏氣或輪胎內溫度異常時發出聲音警報，提高了系統的穩定性和準確性。隨著我國的汽車數量的增多和人們對汽車安全的注,TPMS的需求必將會增大,TPMS的相關研究也將會更加迫切和深入。本論文通過對無線收發系統方面的改進，提高了TPMS在信息傳遞的準確率和可靠性，降低了系統功耗。關鍵詞：輪胎；壓力；傳感器；無線收發系統TirePressureMonitoringSystemDesignAbstract：Withthedevelopmentoftheautomobileindustryandtheexpansionoftheroadtransportnetwork,andtheresultingsecurityproblemsinpeople'slivesisbecomingincreasinglyerious,followedbytrafficaccidentscausedontherise.TirePressureMonitoringSystem(TPMS)whichcameintobeing,itisFollowingtheABS,airbags,threeimportantautomotivesafetyelectronicproducts,mainlyforreal-timeautomaticmonitoringoftirepressure,temperatureinthevehiclewasexceptionandreal-timealarm,motoristsandbuspersonnellifesafetyandsecurityearlywarningsystems.Theworkcompletedbythisthesisisdividedintothefollowingprocess:1)analysisinvarioustypesofvehiclesoftentirewearandtear,puncturetherelationshipbetweenthephenomenonandtirepressureandtemperature;2)tounderstandthedevelopmentprocess,thestatusandtrendsofTPMSsystem;3)thestructureoftheTPMSsystemhostofinnovativeimprovements,andtoanalyzetheadvantagesofthenewstructureandthetraditionalstructure;4)completionoftheprincipleoftheTPMSsystemhostmodule,thestructure,thevariouselementsofthecomponentsofthehardwaredesignprocessandselectionofdevicesthepinconfiguration;5)determinethebasicsystemtestmethodsandtestprocedures,analysisoftestresults,thestudydesignconclusions.DirectTPMSsensorreal-timemeasurementofeachtire'spressureandtemperature,andthenusethewirelesscommunicationwiththeTPMStocommunicatewithhosts,thehostcandisplaytheindividualtirepressureandtemperatureinformation,andthetirepressureistoolow,toohigh,leakageorabnormaltemperatureinsidethetire,soundalerts,improvesystemstabilityandaccuracy.WiththeincreaseinthenumberofChina'sautomobileandvehiclesafetyconcerns,TPMSdemandwillcertainlyincrease,TPMS-relatedresearchwillalsobemoreurgentandin-depth.Inthisthesis,throughthewirelesstransceiversystemimprovementstoenhancetheaccuracyandreliabilityoftheTPMSinthetransmissionofinformation,reducesystempowerconsumption.Keywords：tires;pressure;sensor;wirelesstransceiversystem引言 IV第1章緒論 51.1課題產生背景 51.2課題研究的目的及意義 51.2.1輪胎壓力與行車安全 51.2.2輪胎壓力與使用壽命 61.3當前國內外相關技術的應用現狀及發展趨勢 71.3.1TPMS的應用現狀 71.3.2當前國內外相關技術的發展趨勢 8第2章TPMS的種類、工作原理及各自的優缺點 102.1TPMS的種類 102.1.1直接式TPMS 102.1.2間接式TPMS 122.1.3基于SAW的無源TPMS 132.2各種TPMS的優缺點 14第3章汽車輪胎氣壓監測系統工作原理及方案設計 153.1系統工作原理 153.1.1輪胎爆胎機理 153.1.2輪胎氣壓實時監測算法 173.2汽車輪胎氣壓實時監測系統方案設計 183.2.1系統方案論證 183.2.2系統設計要求 193.2.3系統方案總體設計 213.2.4監測模塊的硬件總體設計 213.2.5主機控制模塊的硬件總體設計 21第4章元器件選型 234.1傳感器 234.2發射處理芯片 244.3TPMS接收芯片與接收控制器 254.4電池 264.5天線 274.6結論 27第5章汽車輪胎壓力檢測系統的硬件設計 285.1系統硬件總體設計 285.2輪胎監視摸塊硬件設計 285.3主機控制模塊硬件設計 30第6章結論與展望 316.1工作總結 316.2不足與展望 31致謝 33參考文獻 34引言每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。隨著人們對生命安全重視程度的提高，監測汽車輪胎壓力就成為汽車安全的一個重要課題。輪胎壓力監測系統（TPMS）就是在這個背景下應運而生。當前市場上的TPMS產品主要有二類：直接式TPMS和間接式TPMS。間接式TPMS沒有壓力傳感器，它依靠ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的變化。而直接式TPMS是依靠安裝在輪胎內的壓力和溫度傳感器將輪胎內的壓力、溫度數據以無線電波方式傳送到接收器上，使駕車者能隨時知曉輪胎的壓力和溫度的變化情況。本文介紹的是直接式TPMS，在這種方式中，輪胎內輪胎模塊一旦裝上，電池就不斷地工作，因此輪胎和車輪模塊低功耗、高速轉動時射頻接收靈敏度以及噪聲抑制就成為系統設計的關鍵問題。在此原則之下，選用收發靈敏度高、準確率高、功耗低的芯片作為信號收發芯片。這樣通過依靠安裝在輪胎內的壓力和溫度傳感器將輪胎內的壓力、溫度數據以無線電波方式傳送到接收器上，使駕車者能隨時知曉輪胎的壓力和溫度的變化情況，降低了交通事故的發生。

第1章緒論1.1課題產生背景隨著汽車工業的不斷發展，交通越來越便利，而隨之引發的交通事故也在不斷增多，其中由于輪胎的氣壓引起的比例非常高，這就使得人們需要對行駛中的輪胎氣壓進行關注。輪胎氣壓影響著汽車的使用性能和輪胎的壽命。當前，輪胎爆胎，疲勞駕駛，超速行駛已經成為高速公路事故的三大殺手。其中，輪胎爆胎由于其不可預測性和無法控制而成為首要因素。有人曾經用一句話來概括輪胎的重要性：當一個人坐到汽車里面以后，這個人實際上就交給了汽車；一旦汽車行駛起來，這個人實際上就全部交給了汽車。在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發性交通事故發生的重要原因。據統計，在中國高速公路上發生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達80％。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據國家橡膠輪胎質量監督中心的專家分析，保持標準的汽車輪胎氣壓正常與穩定和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。而汽車輪胎壓力監視系統（TirePressureMonitoringSystem，簡稱TPMS）毫無疑問將是理想的工具。在客車和輕型卡車上必須安裝輪胎氣壓監測系統（TPMS）以便在輪胎氣壓低于規定值時發出警報。于是，汽車輪胎氣壓監測技術應運而生。1.2課題研究的目的及意義1.2.1輪胎壓力與行車安全輪胎壓力對于汽車安全行駛的重要性眾所周知，其性能的優劣，將直接影響汽車的驅動性，通過性，平順性，穩定性，安全性和舒適性等。在引起交通事故的原因中，輪胎問題排在第三位。輪胎氣壓不足，將加大胎側的彎曲變形，易導致胎內內壁簾線松散斷裂。當氣壓高于標準值時，輪胎與路面接觸面積減小，輪胎胎面中部區域承受的壓力增高，磨損加劇，花紋底部開裂。又因此時輪胎剛度增大，起不到應有的緩沖作用，增大了輪胎與路而間的動載荷，汽車的平順性變壞。輪胎的回正力矩減小，促使汽車操縱性能降低。行駛中遇到障礙物的沖擊，易發生輪胎破裂，導致輪胎使用壽命的縮短。而輪胎與路面之間動載荷的增大，也意味著輪胎與路面之間的最小正壓力增大，從而降低車輪的地面附著力，影響汽車的行駛安全性。當汽車高速行駛時，如果輪胎氣壓低于標準值，輪胎會急劇升溫而脫層，這會削弱輪胎的強度及承載能力，最后導致輪胎破裂漏氣。另外，如果前輪左右輪胎的氣壓不同，易造成行駛方向不穩定；如果后輪左右輪胎的氣壓不同，易造成局部超載而加劇輪胎的磨損；氣壓不同的雙輪胎并裝，易使氣壓高的輪胎負荷過重而出現早期磨損。因此，輪胎壓力過高和過低都會對行車安全造成不利影響。1.2.2輪胎壓力與使用壽命統計數據表明，當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％；當輪胎壓力高于標準值25％時，其壽命將會降低15％～20％；對于轎車，其輪胎內壓每下降0.05MPa，其承載力就減少l00N。從表1-1可以看出，隨著氣壓的減少，輪胎的行駛里程逐漸縮短，使用壽命降低。氣氣壓（%）行駛里程（%）氣壓（%）行駛里程（%）1001007050959765409088603385805530807050277560——表1–1不同氣壓下的行駛里程表（注：標準氣壓和標準氣壓下的行駛里程為100%）在使用過程中，能夠按輪胎的標準氣壓充氣，輪胎在行駛過程中就會均勻的磨損；保持了輪胎的最佳承載狀態和良好的彈性，大大地延長輪胎的行駛里程。可見氣壓的大小對輪胎的使用性能有直接影響。氣壓對行駛里程的影響見圖1-1標準內壓%圖1–1氣壓對輪胎行駛歷程的影響的曲線圖綜上，氣壓是輪胎環境的重要因素，它控制著輪胎的使用壽命和各種特性。汽車輪胎壓力檢測系統能夠時刻監視輪胎壓力狀況，保持行駛中車輛每個輪胎壓力足夠，防止輪胎爆胎以便行車安全，并且還可節省燃油以及延長輪胎壽命。1.3當前國內外相關技術的應用現狀及發展趨勢輪胎壓力監測系統（TPMS）技術早在上世紀80年代就已提出，但由于當時缺乏有效的技術條件和成熟的市場環境，而僅停留在設想層面上。隨著近幾年來汽車工業和交通事業的發展，汽車的速度越來越高，擁有汽車的家庭越來越多，由輪胎爆胎引發的大量交通安全事故使這一課題成為研究熱點。結合新的無線射頻應用技術和集成電路工藝，研制TPMS已經提到日程上來。1.3.1TPMS的應用現狀在TPMS及相關技術的研究發面，西方汽車工業發達國家在近幾年都取得了相應的進展，出現了一批新產品。早在1996年豐田就有一種系統產品應用于當時生產的MarkⅡ型車上。但該系統不能直接測量輪胎壓力，并存在容易產生誤差的因素，數據的時效性與準確性也存在不足。2002年，約翰遜公司的輪胎壓力實時監測系統被國際汽車工程（AE1）評為當年20個最有價值的汽車產品之首。這個系統包括一個特殊設計的車內后視鏡、四個胎壓傳感器和發射、接收設備。系統工作時胎壓數據是通過集成在輪胎氣門閥內的發射機傳送給風擋內的集成接收機，然后在后視鏡上利用射頻技術顯示出來。這個系統在工作時可以將每個輪胎的壓力數據實時顯示，有較高的實用性和可行性。此外，還有一些同類相關產品問世，如西門子VDO汽車配件公司自主開發的輪胎哨兵（TireGuard）監測裝置，英國A.I.R汽車配件公司生產和銷售的輪胎守護神（TireShield）監測裝置；法國米其林集團公司與威柏可（Wabco）公司合作開發的一種輪胎充氣內壓監測裝置，是專供商用車使用的監測裝置；德國BEAU公司與美國Lear公司聯合推出的輪胎壓力實時監測系統，將電子門鎖裝置與系統集成在一起，是近期推出的一種極具價格競爭力的整體解決方案。從最近發布的世界新車資料中得知，林肯大陸、奔馳、寶馬、標志、道奇等中高檔車均安裝了TPMS。從以上這些目前國際市場上的汽車輪胎壓力監測技術產品來看，通過對輪胎壓力的監測來實現預防輪胎行車故障進而提升汽車安全性能，已成為當前汽車安全技術的新發展方向，也揭示了一種新的行車安全防范理念。美國及歐洲一些技術先進國家開展輪胎壓力監測裝置技術的研究很早，而輪胎壓力監測裝置技術在中國的發展還很滯后。目前，國內輪胎壓力監測裝置的相關產品雖然推出較多，但據對相關市場的調查了解，都是技術性能不甚完善、可靠性較差的簡易系統產品，要么系統工作壽命極短，要么系統在低溫或高溫環境下失效，要么工作可靠性較差，在這方面的技術成熟產品基本還是空白。性能可靠、功能完善、技術成熟的均是一些國外公司品牌產品的代理，如來自日本的汽車輪胎壓力監測裝置“汽管嚴”，但價格高昂。因此，研制性能可靠、技術完善且價格能為當前多數國內消費者所接受的輪胎壓力監測技術產品很有必要。1.3.2當前國內外相關技術的發展趨勢當今的汽車輪胎壓力監測系統在實現方式上可以歸類為直接輪胎壓力監測裝置和間接輪胎壓力監測裝置。直接輪胎壓力監測裝置，要求在每個輪胎內使用壓力傳感器，并安裝無線發射器，用于將壓力信息從輪胎內部發送到中央接收器模塊上的主機系統。間接輪胎壓力監測裝置，要求使用車輛防抱死制動系統（ABS）來確定輪胎壓力變化。ABS是通過車速傳感器來確定車輪是否抱死，從而決定是否啟動防抱死系統。對于在4個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說，輪胎壓力變低也會導致車速發生變化，此類軟件的升級可以用于監測車速的變化，因為當輪胎壓力降低時，車輛的重量會使輪胎直徑變小，這反過來會導致車速發生變化。經過正確計算，這種車速變化可用于輪胎壓力判別，并觸發警報系統來向司機發出警告。每個系統都有自己的優點。直接系統可以提供更高級的功能，使用中可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓，很容易確定故障輪胎。間接系統相對便宜，使用間接系統，已經裝備了4輪ABS（每個輪胎裝備1個輪速傳感器）的汽車只需對軟件進行升級就可以監測車速的變化，從而間接的測量輪胎壓力。根據美國交通部門的統計，在2000年時，安裝了ABS系統的車輛已占總車輛數的67%。但是，目前這種系統沒有直接系統準確率高，它根本不能確定故障輪胎。此外，在某些情況下此類系統會無法正常工作：例如同一車軸的2個輪胎氣壓都低。第2章TPMS的種類、工作原理及各自的優缺點目前TPMS主要分為兩種類型：直接式TPMS（Pressure–SensorBasedTPMS）和間接式TPMS（Wheel-SpeedBasedTPMS）。2.1TPMS的種類2.1.1直接式TPMS直接式TPMS的工作原理本質上是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器和溫度傳感器來直接控制并測量輪胎壓力和溫度，并對各輪胎氣壓進行實時的顯示與監控。它的優點是在輪胎壓力過高、過低、輪胎緩慢漏氣或溫度異常變化時可以及時向車載無線接收報警器報警，有效防止爆胎，可以同時監測所有輪胎的狀況，并且系統對汽車的行駛速度沒有要求；缺點在于無線電波容易受到外界干擾，感應模塊的電池存在使用壽命問題。目前直接式TPMS主要是直接主動式TPMS和機械式TPMS，它們的區別在于傳感器的類型。直接式TPMS的溫度壓力傳感器一般是植入輪胎內部，而機械式TPMS的溫度壓力傳感器一般是安裝在輪胎的氣門芯上的。直接式TPMS的工作原理圖如圖2-1所示。圖2–1直接式TPMS的原理圖直接機械式TPMS:機械式直接TPMS將系統分為輪胎模塊和中央接收模塊兩部分。其中輪胎模塊由壓力傳感器，控制器和發射器組成；中央接收模塊由接收機，控制器和顯示報警部分組成。機械式的TPMS與其它的TPMS的主要區別在于其壓力傳感器部分使用的是機械式壓力傳感器。直接主動式TPMS:目前大多數廠家所研制和汽車所使用的都是直接主動式TPMS，其原理框圖如圖2-2所示。TPMS系統主要有二個部分組成：安裝在汽車輪胎里的遠程輪胎壓力監測模塊（采樣端）和安裝在汽車駕駛臺上的接收和顯示模塊（監測端）。直接安裝在每個輪胎里測量輪胎壓力和溫度的模塊，將測量得到的信號調制后通過高頻無線電波（RF）發射出去。一個TPMS系統有4個或5個（包括備用胎）TPMS監測模塊。接收模塊接收TPMS監測模塊發射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數據顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力或溫度出現異常，中央監視器根據異常情況，發出報警信號，提醒駕駛者采取必要的措施。a)輪胎監視模塊的結構圖b)主機控制模塊的結構圖圖2–2直接主動TPMS的結構圖直接式TPMS還可以分為單向通信系統TPMS和雙向通信系統TPMS。目前大多數直接式TPMS都是單向通信系統，即只存在從輪胎電子模塊到接收機的單向信息通路，輪胎模塊工作在完全自主的模式下。雙向通信是指系統的遙感傳感器及射頻收發模塊響應車體內射頻收發和信息處理模塊發來的狀態報告要求，立即向內射頻收發和信息處理模塊報告輪胎目前的工作狀況，遙感傳感器及射頻收發模塊具備無線射頻收發功能，永遠處于待機狀態，無條件的接收車體內射頻收發和信息處理模塊的指揮。輪胎模塊監測到胎壓/溫度的變化或出現異常時，就發信息給接收機，但它無法確保接收機能夠正確接收到此信息。由于汽車在實際行駛過程中，輪胎氣壓總是在一定范圍內波動變化的，為了檢測到輪胎氣壓的標準狀態，程序設計成在200次的連續采樣次數內，若有連續20次采得的氣壓值都屬于同一個胎壓狀態，則認為氣壓狀態是穩定的；若在200次的連續采樣次數內，沒有連續20次采得的氣壓值都屬于同一個胎壓狀態的氣壓狀態，則說明此時氣壓還不穩定，就必須重新開始新一輪的連續200次采樣。目前還有學者提出一種三度EM的模擬方法，使得設計開發人員能夠在初期的設計和研發階段評估在不同測試環境下TPMS的性能。還可以根據傳感器的不同將TPMS分為內置式TPMS和外置式TPMS，內置式TPMS是將壓力傳感器和信號發射部分直接固定在車輪鋼圈上，主要用于真空輪胎，一般為汽車生產廠或輪胎生產廠選用，需根據各廠商的不同車型或者輪胎壓的要求進行定制，可解決汽車廠商的一體化要求，而外置式TPMS安裝比較簡單，適合用于各種輪胎，但安裝后需要對輪胎的平衡性等指標進行調校，以達到安全目的。2.1.2間接式TPMS間接式TPMS工作原理的本質在于在壓力監測的過程中壓力信號由輪胎至車體是非接觸性傳輸或者氣壓值并非有傳感器直接給出。目前常見的間接式TPMS有間接計算式TPMS和間接磁敏式TPMS。間接計算式TPMS：間接計算式TPMS是通過汽車系統的速度傳感器比較輪胎之間的轉速差別，來監測兩輪胎壓力的相對變化以達到監控胎壓的目的。它的優點是耐用性強、可靠性高，不需要電池，也不存在受到無線電波的干擾的問題，不需要對汽車輪胎改裝，成本比較低；它的缺點是無法對兩個以上輪胎同步變化的狀態和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。在汽車行駛過程中，輪胎的彈簧常數隨輪胎氣壓的變化而發生變化。利用4個車輪上安裝的ABS車輪傳感器產生的波形信號并經過VSC（VehicleStabilityControlSystem）處理，求出輪胎的共振頻率，由此可得輪胎的彈簧常數，在根據輪胎氣壓和彈簧常數成嚴格正比關系，最后求出輪胎氣壓，控制流程如圖2-3所示。圖2–3計算式間接TPMS的工作原理圖間接磁敏式TPMS：圖2-4為磁敏式間接輪胎氣壓監視系統組成框圖。其中輪胎氣壓傳感器安裝在車輪輪轂上，而霍爾裝置安裝在與懸架支柱固接的托架或車輪制動底板上。汽車行駛時，輪胎氣壓變化引起壓力傳感器中磁性元件磁場方向變化（由此可見，雖然這里采用了氣壓傳感器，氣壓值并非有傳感器直接給出，故將其歸為間接式），從而使通過霍爾裝置磁敏元件的磁感應強度變化，霍爾裝置的輸出信號隨之變化，由此實現充氣壓力信號由輪胎至車體的非接觸傳遞。電子控制單元由單片機和外圍接口組成，單片機對經過調理的霍爾裝置的輸出信號進行采樣，并將數據送人存儲器中，經運算分析和比較判斷，得到輪胎氣壓值及其狀態，通過接口芯片和驅動器，驅動顯示報警裝置在面板顯示輪胎氣壓或在壓力異常時進行聲光報警。圖2–4磁敏式間接TPMS的工作原理圖2.1.3基于SAW的無源TPMS基于SAW的無源TPMS仍然屬于主動式TPMS，但是它與一般的直接式TPMS的區別在于該系統在采樣端不需要電池，因此將它作為一種特殊的關系列出來進行介紹。表面聲波（SurfaceAcouticWave,SAW）是由英國物理學家瑞利在1885年發現的。他發現在彈性晶體的表面上上存在一種形式的波動，成為表面聲波。并以波動數學理論證明其現象，故此表面成為瑞利波。只是當時他的研究結果，并沒有引起任何在實務發展的回響。直到1965年，加州大學柏克萊分校的R.M.White和F.M.Voltmer兩位教授，將指狀電極（InterdigitalTransducers；IDT）結構制作在壓晶體管的表面，并成功的產生了表面聲波訊號后才正式開啟了表面聲波組件的應用。由于SAW組件可藉有不同的電極結構設計來產生不同的頻率響應，故此后的30年，SAW組件被廣泛的要運用在各類通訊領域的振蕩器、諧振器及濾波器等電路中。另一方面，SAW在感測技術發展上，也具有相當大的潛力，因為SAW組件的靈敏度高，當晶體受到擾動影響，所產生的頻率漂移都在數百KH間，利用目前的測量儀器，可精確偵測到1Hz的微小變化量。采用SAW傳感器的無源TPMS主要由無線查詢單元、中央處理單元以及SAW傳感器3部分組成，前兩部分可合稱為中央收發處理單元。工作時，中央收發處理單元通過天線發出RF脈沖信號，SAW傳感器通過天線接收射頻脈沖信號并轉換為聲表面波；聲表面波在傳感器里傳播時收集有關數據。隨后聲表面波再次被轉換為射頻信號并通過天線發射出去，中央收發處理單元接收信號并對所接收的內容進行判斷處理。2.2各種TPMS的優缺點目前間接式TPMS有著明顯的缺陷，這主要表現在：1)當前間接式的TPMS系統必須比較處于對角線上的兩輪速度之和，不能比較前后兩車輪的速度。2)當4個輪胎同樣胎壓不足時或者同一軸上兩輪，同一邊的兩輪同樣胎壓不足時，系統不能夠監測出來，而只能當兩輪處于對角線上能監測出來；當速度超過100km/h的情況時，系統就不能夠正常工作了；只有在單個輪胎或對角線上的兩個輪胎以及3個輪胎的壓力低于其他輪胎壓力的30%以上，才能監測到低壓現象；NHTSA在調查中發現，使用目前間接型TPMS的輪胎，在處于明顯低壓狀態時只有占調查總數的50%發生了報警，而直接型TPMS都能發出報警。相比于間接式TPMS，直接式TPMS有著很多優點：能在任意瞬時監測到4個輪胎內的溫度和壓力大小，測量精度和準確度都要比間接式的要高，但它有不可避免的存在著一些弊端，比如，安裝在4個輪胎內壓力、溫度傳感器，信號處理和發射模塊會打破原先的動平衡，在惡劣潮濕的環境下，輪胎內的電池會出現漏電現象，使得系統使用年限縮短。基于SAW的無源TPMS優點：可以測量輪胎溫度、壓力和輪胎道路摩擦力，不需要在輪胎內使用電源，實現了無源化，維護簡單，減輕了傳感器重量，降低了輪胎的動態負載，能夠適用輪胎的惡劣工作環境。第3章汽車輪胎氣壓監測系統工作原理及方案設計輪胎是汽車行駛系統的重要部件，其性能的優劣，將直接影響汽車的驅動性、通過性、平順性、穩定性、安全性和舒適性等。在汽車高速行駛過程中，輪胎爆胎是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發性交通事故發生的重要原因。因此，汽車輪胎氣壓實時監測系統的研制在提高行車安全、延長輪胎壽命等方面都有著重大的現實意義。本章主要來介紹汽車輪胎氣壓實時監測系統的工作原理。3.1系統工作原理3.1.1輪胎爆胎機理目前，國內由輪胎故障引起的突發交通事故的直接原因主要是輪胎充氣壓力的不足或過高。同時，國內的輪胎爆裂突發交通事故中也存在著其它人為因素影響。由于技術解決方案是有針對性地解決技術領域內的問題，所以，對汽車高速行駛狀態下存在的輪胎結構選用不當、實際行駛速度高于輪胎規定速度、輪胎花紋過度磨耗、胎體意外損傷及違規超載等因素，這里不作討論范圍。（1）充氣壓力對輪胎爆胎的影響氣壓是輪胎的生命，掌握輪胎的標準充氣壓力，并按標準充氣壓力對輪胎充氣是非常重要的。輪胎制造商在設計制造各種規格的輪胎時，已確定了它的最大負荷和相應的標準充氣壓力，充氣壓力過高和過低都會縮短輪胎的使用壽命。試驗數據表明，當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約25%；當輪胎壓力高于標準值25%時，其壽命將會降低15%～20%。充氣壓力過低，輪胎胎體變形過大，會產生過度屈撓運動，使內層受到的壓縮力與外層受到的伸張力遠遠超過允許屈撓極限，造成輪胎過度生熱，從而導致橡膠老化加速和簾布層脫層，嚴重時甚至會致使簾線折斷，輪胎瞬間爆破。同時充氣壓力過低，輪胎的接地面積增大，胎肩的磨損加劇。如果雙胎并裝中有一條輪胎氣壓不足，行駛中大部分負荷將集中到另一條輪胎上，常常會造成這條輪胎嚴重超載。就車輛來說，輪胎充氣壓力過低，會造成輪胎側偏剛度下降，拖矩增大，車輛的制動性能變壞，在高速行駛的條件下遇到緊急情況會非常危險。氣壓過高，輪胎簾線受到過度的伸張變形，胎體彈性降低，車輛高速行駛時受到的動載荷（震動、應力來不及分散）增大，如再受到沖擊，輪胎會產生內裂或爆破。氣壓過高，輪胎的接地面積還會相對減小，以致胎冠中部在加快磨損的同時溫度急劇上升，使胎冠容易爆破。氣壓過高還會致使輪胎減震性能變劣，導致車輛底盤部件損壞，使輪胎接地附著力下降，車輛的制動效果降低，成為高速行車的安全隱患。在汽車高速行駛過程中，輪胎氣壓低于標準值時，將加大胎側的彎曲變形，輪胎會急劇升溫而脫層，削弱輪胎的強度及承載能力，導致輪胎內壁簾線的松散斷裂，最后導致輪胎的漏氣或爆胎；輪胎氣壓高于標準值時，輪胎與路面接觸面積減小，輪胎胎面中部區域承受的壓力增大，使輪胎磨損加劇，形成花紋底部開裂。又由于此時輪胎剛度增大，起不到應有的緩沖作用，增大了輪胎與路面間的動載荷，使汽車的平順性變差，導致汽車操縱性能降低。另外，如果汽車前輪左右輪胎的氣壓不同，其后果是汽車的行駛方向不穩定；如果汽車后輪左右輪胎的氣壓不同，會使氣壓高的輪胎負載過重而出現磨損或爆胎。保持適合的輪胎氣壓不但可以保證輪胎的工作壽命，減少不必要的燃油消耗，更對汽車的安全行駛起著關鍵作用。（2）溫度對輪胎爆胎的影響輪胎在行駛過程中會因生熱而出現溫度大幅度升高現象。輪胎溫度的升高除會使橡膠強度降低外，還會導致簾線強力降低。當輪胎溫度從0℃升高到100℃時，對尼龍輪胎來說，簾線強力會降低20%左右，橡膠強度則下降50%左右；輪胎溫度高于臨界溫度（100℃以內是正常溫度，100～121℃是臨界溫度，121℃以上是危險溫度）時，橡膠強度和簾線強力降低更多，因此輪胎的溫升對其使用壽命的影響很大。汽車在行駛過程中，特別是在高速公路上高速行駛時，駕駛員即使沒有操作失誤，輪胎也會突然爆破。究其原因，主要是與輪胎溫升的影響有關，即輪胎會由于超過正常溫度而爆破，而在輪胎爆破以前，其受熱破壞的情況通常不易控制和掌握。當胎內溫度超過120℃時，輪胎結構層的強度將明顯下降；當輪胎溫度超過硫化點（140℃）時，輪胎的各組成部分將被破壞，失去承載能力。由此可見，輪胎溫升對輪胎使用壽命長短以及高速行駛狀態下的爆胎發生率的影響很大。（3）其它因素對輪胎爆胎的影響一般來說，行駛速度越高，輪胎在單位時間內與地面的接觸次數越多，摩擦越頻繁，變形頻率越大；同時由于胎體的振動，周向和側向產生的扭曲變形增大。當輪胎的轉速達到臨界轉速時，胎冠表面的振動呈波浪形，即形成所謂的“駐波”，也叫靜止波。靜止波的滯后損失（輪胎的彈性變形來不及恢復造成）使輪胎壓力與溫度急劇上升，有可能在幾分鐘內就導致輪胎爆破。顯然，速度越高，振動頻率越大，變形恢復越少（大部分變形轉變為熱能），輪胎溫升越高，再加之內壓增大，其后果必然是簾布膠的老化加速和簾布的耐疲勞性能降低，輪胎出現早期脫層或爆破現象。因此，輪胎的使用壽命與行駛速度成反比關系，即行駛速度越高，輪胎的生熱越大，溫升越高，受到的沖擊力也就越大。在這種高速高溫情況下，輪胎的胎面磨損加快，早期肩空、冠空甚至爆破的情況會隨時發生。車輛裝載時，必須按輪胎的額定負荷裝載客貨。這是因為各類輪胎的額定負荷是根據輪胎的結構、簾布層數、強度以及標準氣壓和行車速度等設計的。如果輪胎在超負荷下運行，就會使其變形，特別是胎側的彎曲變形增大，使胎肩部位的磨損加重。同時，胎體材料的分子摩擦及部件的機械摩擦也會導致輪胎內部溫度升高和胎體簾布層脫層，從而加速輪胎的損壞。總之，車輛超載越多，胎體的屈撓伸張越大，輪胎的升溫速度越快，在高速公路上高速行駛時爆破的可能性就越大。此外，還有輪胎質量以及輪輞尺寸等影響輪胎氣壓實時監測的因素。從以上輪胎爆胎的主要原因分析來看，要想在汽車行駛過程中防范氣壓監測重大誤差的發生，除了加強交通運輸規章管理、輪胎選型合理等人為措施以外，最直接有效的辦法就是對輪胎的壓力和溫度狀態進行實時監控。3.1.2輪胎氣壓實時監測算法行車的安全以及高效率的運行要依賴于優良的輪胎性能，而對輪胎性能的實時掌握，必須要對輪胎的工作狀態進行監控，根據輪胎狀態參數的變化情況及時做出科學準確的判斷，以預防危及行車安全的輪胎故障發生。在汽車由于輪胎而引發的事故的誘發因素中，分為不可避免因素和可避免因素兩大類情況。其中，行車環境中變化的氣溫以及粗糙的路況等因素屬于不可避免因素；適合的輪胎氣壓以及良好的駕駛習慣等因素屬于可避免因素。對于不可避免因素，只能提高重視、加強警惕，將不可預測的偶然性因素造成的損失降到最小。而本文所討論的技術問題，只有針對可避免因素中那些采取技術措施可以預防的環節，通過監測可控因素來達到對輪胎爆胎的預警，才是合理有效的技術解決途徑。綜合上一小節本文對輪胎爆胎機理及影響因素的分析，輪胎充氣過度會導致抓地力下降，影響到汽車的舒適性、保護功能和輪胎壽命；同時輪胎會對沖擊或碰撞較敏感，剎車性能降低。充氣不足可能會導致油耗增大、輪胎過熱、車輛操控不良，安全性能下降；引起胎體疲勞導致輪胎工作不佳或者無法修復及翻新，形成爆胎的隱患。如發現輪胎壓力低于標準氣壓20%，即使臨時補氣，也只是緊急情況下不得已的緩沖之計，無法從根本上解決問題。必須盡快到就近的輪胎店將輪胎拆下來，由專業人員進行檢查，否則可能會導致嚴重傷亡事故。若認為輪腔內的氣壓過高或過低都不會直接導致輪胎爆胎，只有胎體強度的下降才是導致爆胎的真正原因，通過監控胎體的結構變化來預防爆胎，不但實現起來比較困難，而且只能在輪胎出現事故前很短時間內監測到異常，雖然報警準確率會很高，但留給駕駛員處理故障的反應時間太短。因此，當前輪胎氣壓實時監測系統的預警算法主要集中在對工作狀態下的輪胎壓力和溫度進行監控，這是當前比較容易實現同時也是比較有效的技術途徑。以傳感器技術和現代電子技術來實現上述監測功能，可以將輪胎實時監測系統算法細分為以下幾種情況。（1）充氣壓力不足或過高：也就是根據事先確定好的標準輪胎壓力為門限閾值，對實測輪胎壓力值進行判別，超出最大壓力值或低于最小壓力值就視為輪胎狀態異常。（2）漏氣導致壓力持續下降：在輪胎溫度比較穩定情況下，一定時間間隔內，輪胎壓力連續下降且幅度較大，即使未達到（1）中異常條件，也視為輪胎狀態異常。（3）輪胎溫度急劇升高：在一定時間間隔內，輪胎溫度上升幅度較大，即使未達到（1）中異常條件，也視為輪胎狀態異常。對以上監測算法的具體實現，如標準輪胎壓力值的確定、一定時間間隔的長短、壓力和溫度較大幅度變化的幅值等，都需要針對具體車型和輪胎型號進行具體分析與試驗，才能最終得到準確可靠的氣壓監測算法。3.2汽車輪胎氣壓實時監測系統方案設計3.2.1系統方案論證就目前情況看，輪胎壓力監測技術的種類繁多。按適用對象分類，可分為轎車專用、商用車專用、汽車/大型工程機械專用；按監測技術分類，可分為主動式和被動式；按功能分類，分為只監測充氣壓力的單一型，集監測充氣壓力、溫度、受力于一身的綜合型；按傳感器的安裝方式分類，可分為懸掛式和植入式。下面著重介紹幾種方案：（1）磁敏法檢測輪胎壓力通過霍爾裝置采用磁敏檢測法檢測輪胎的充氣壓力。其中輪胎氣壓傳感器安裝在車輪輪輞上，而霍爾裝置安裝在與懸架支柱固接的托架或車輪制動底板上。汽車行駛時，輪胎氣壓變化引起壓力傳感器中磁性元件磁場方向變化，從而使通過霍爾裝置磁敏元件的磁感應強度變化，霍爾裝置的輸出信號隨之變化，由此實現充氣壓力信號由輪胎至車體的非接觸傳遞。車體的控制單元對經過調理的霍爾裝置輸出信號進行采樣，并將數據送入存儲器中，經運算分析和比較判斷，得到輪胎壓力值及其狀態。該方案優點是抗干擾能力和可靠性較好，但系統測量精度難以保證。（2）數字集成壓力傳感器及無線射頻數據傳輸隨著集成電路制造技術的發展，出現了新型制造工藝表面微機械加工（MEMS），應用該技術制造出的集成多種功能的傳感器芯片，克服了早期壓力傳感器體積較大、只能模擬量輸出等不易應用于汽車輪胎壓力實時監測的條件限制，為TPMS技術的發展和普及提供了堅實的基礎。目前的輪胎壓力監測系統主要以無線傳輸/電子測量為主要的工作方式，并逐步以此進入產業化階段。然而不同車輛不同地區對這個系統的要求是各不相同的，這些問題將隨著輪胎壓力監測系統的不斷發展和完善而得到解決。本文研制的輪胎氣壓實時檢測系統采用當今比較流行的數字集成傳感器加無線射頻數據傳輸的系統模式。3.2.2系統設計要求（1）系統工作環境輪胎氣壓實時監測系統是用來實時監控汽車輪胎的工作狀態的。為實時測得輪胎的壓力數據，其具有數據測量功能的輪胎模塊需要安裝在汽車輪胎內部，工作在輪胎封閉的環境中。對有內胎輪胎，輪胎模塊安裝在內胎外面的墊胎上或嵌入墊胎中；對無內胎輪胎，輪胎模塊可固定安裝在輪輞上。由于在汽車行駛過程中，輪胎始終處于高速旋轉狀態，因而在數據的傳輸方式上不能采用有線方式。結合汽車行駛中的復雜環境，能夠讓駕駛員及時可靠地得到預警報警信息，通過無線射頻通信方式來傳輸輪胎數據信息是最佳選擇。圖3-1是安置在輪胎內部的輪胎模塊的無線發射示意圖。由于輪胎在汽車行駛過程中的高速旋轉和震動，安置于輪胎內部的輪胎模塊必須固定牢靠。當發射電路隨著輪胎旋轉到遠離主機位置（如圖3-1的位置2）時，由于金屬輪輞對信號的屏蔽作用，主機模塊接收靈敏度將會有所下降。但在輪胎高速旋轉狀態下不會對系統的可靠性產生影響。系統工作在室外現場環境，須有較寬的工作溫度范圍。圖3–1輪胎模塊無線發射示意圖（2）系統功能要求輪胎氣壓實時監測系統主要用于實時監測汽車輪胎的工作狀態，對輪胎壓力異常或漏氣給予實時數據讀取并顯示，加強汽車高速行駛的行車安全性。本課題研究的系統是新型的主動直接式輪胎壓力監測產品。系統在汽車行駛狀態下通過置于輪胎內部的輪胎模塊實時測量輪胎壓力，通過射頻發射模式將測得的輪胎狀態信息發送到駕駛室內的系統主機，定時通過主機顯示各輪胎的當前狀況，讓駕駛員直觀了解輪胎的實時狀態信息。在汽車輪胎的使用過程中，輪胎胎面會逐漸被磨耗。但由于各車輪受力不同，輪胎在路面的滑動量不同，以及受拱型路面的影響，使汽車的前后輪、左右輪的磨損速度不同。有的輪胎磨損重，有的磨損輕，甚至還會出現輪胎的單邊磨損不均勻。為了延長輪胎的使用壽命，必須定期對輪胎進行換位，這是汽車輪胎保養的有效方法。輪胎的維護換位能夠提高輪胎行駛里程、平衡胎體疲勞強度和磨損。因此，研制的系統必須具有輪胎換位后的重新定位功能。汽車輪胎氣壓實時監測系統的系統功能要求歸納如下：①實時監測各個輪胎的壓力狀態情況；②并顯示該輪胎當前的具體壓力狀況；③輪胎保養換位后可重新對各輪胎進行定位。（3）系統技術要求結合前文所述，給出系統主要技術指標要求：體積小，重量輕，便于保持輪胎的動平衡；功耗低，輪胎模塊的功耗盡可能要低，使用過程中不用更換電池即可以長期工作；適當的有效發射接收范圍，使駕駛室內的主機及時可靠地接收到發送來的信息；較高的壓力測量精度，要求達到±0.01Mpa以上；考慮到技術推廣和產品化，要保持合理的全套系統成本。3.2.3系統方案總體設計本文采用主動直接式輪胎壓力監測技術，針對輪胎氣壓實時監測系統的實際應用情況，確定輪胎氣壓實時監測系統由輪胎模塊和主機模塊兩部分構成的系統研制方案。系統設計方案框圖如圖3-2所示。圖3–2汽車輪胎氣壓實時監測系統組成3.2.4監測模塊的硬件總體設計監測模塊即信號收集與發射系統的功能主要有兩種：信號采集處理和信號發射。從壓力傳感器出來的信號，由微處理器完成采樣。然后由微處理器進行數據分析處理，在進行軟件編碼，將數據流送給射頻發射電路；信號經調制后發射給接收系統。設計框圖如圖3-3所示。圖3–3監測模塊的設計圖3.2.5主機控制模塊的硬件總體設計主機控制模塊由解調電路、接收處理、聲光報警及人機接口四部分組成；如圖3-4所示，解調電路將輪胎發射出來的射頻信號調解后由接收裝置接收，將數字信號送給微處理器串行接口。微處理器在進行譯碼，從數據流提取個輪胎的位置和壓力值；然后做出相應的處理，如更新當前電壓值，聲光報警等人機接口部分主要包括LED顯示，按鈕等。LED主要起輪胎位置及輪胎當前安全狀況。按鈕則可以進行系統的功能讀取當前輪胎壓力大小。圖3–4主機控制模塊的設計圖第4章元器件選型4.1傳感器輪胎壓力監測系統（簡稱TPMS）發射模塊工作在劇烈振動、環境溫差變化很大和不便于隨時檢修的工作場合，汽車輪胎獨特的工作環境條件，決定了對胎壓實時監測的壓力傳感器的高要求：要求寬溫區、寬電源電壓范圍內較高的精度和可靠性；低功耗；惡劣環境無線信號傳輸穩定性。傳感器是整個TPMS的關鍵元件，信息的準確采集和發射是系統功能實現的決定因素，其工作環境的特殊性又為傳感器的選擇增加了難度。目前傳感器主要有GE的NPXI系列、英飛凌的SP12和飛思卡爾的MPXY8020A。本文對這三款主流輪胎壓力傳感器的優缺點進行分析，并討論了如何選擇和使用。1.飛思卡爾的MPX8020A飛思卡爾公司生產的MPXY8020A基于MEMS技術的壓力溫度傳感器，電壓為2.7V~3.3V，溫度為0℃~70℃，壓力為250kPa~450kPa，即輪胎正常運行時，壓力測量的誤差為±10.0kPa。MPXY8020A具有校準功能，可以對壓力、溫度數據進行檢測和校準。內置低頻振蕩器，具有3s喚醒功能，實現了模塊級的能耗管理，功耗低，待機電流為600nA、壓力采樣電流為1.5mA；4種工作模式靈活運用以實現省電。專用于TPMS溫度和壓力測量，是一款8引腳的胎壓監視傳感器，輸出經過校準的8位數字壓力和溫度數據。SSOP封裝可提供強大的介質保護，體積小巧，抗干擾能力強。其引腳圖如圖4-1所示：DATA，CLK引腳用于數據串行交換；OUT引腳接收數據；\RST為復位引腳；VDD，VSS為正負電源。圖4–1MPXY8020A引腳圖2.英飛凌的SP12英飛凌科技的TPMS開發系統采用了基于MEMS技術的硅壓阻式壓力傳感器作為胎壓監測單元,SP12和SP12T傳感器可以同時傳輸4組不同的數據（溫度、壓力、加速度和供電電壓）。主要特性如下：卓越的介質兼容性和可靠性；獨特傳感器ID,可實現輕松識別；片上LF（低頻）輸入接口實現雙向通信,LF方式還具有自動輪胎定位功能；數字接口（SPI）為獨立TPMS傳感器（SP12/SP12T）帶來了靈活設計；異常溫度下關閉,避免不準確的數據測量。SP12具有補償功能,可以對壓力、加速度、溫度、供電電壓信號進行檢測和補償,準確提供不同型號輪胎在不同環境下的正確補償值,有效地保證了測量可靠性。SP12傳感器中內置了加速度傳感器,利用其質量塊對運動的敏感性,可以實現汽車啟動自動開機先進入系統自檢,如果檢測到加速度很小時（表示汽車沒有運動）,則讓系統進入睡眠狀態,大大降低了系統功耗。3.GE的NPX系列GE一直致力于傳感器產品的開發，比較成熟的產品是NPX1，它集成了壓力、溫度和電池電壓傳感器和一個125KHz低頻喚醒電路，其內部還集成了一個FlashROM單片機。NPX2在NPX1的基礎上增加了一個加速傳感器，進一步降低PCB空間，增強傳感器模塊的智能型。NPX系列采用了基于MEMS技術的硅壓阻式壓力傳感器作為胎壓監測單元,具有數字補償功能,在-40℃~+125℃,電池電壓2.1V~3.0V范圍內,測壓精度優于1.5%FS。LF（低頻）喚醒方式可以最大限度的降低功耗，但卻需要在輪胎附近安裝LF發射天線,而且需要在RTPM模塊里安裝LF接收天線和一級天線驅動如ATA5275,無疑帶來相當大的麻煩,同時又增加了RTPM模塊的成本和體積。通過對以上元件的介紹，由于MPX8020A具有很強的抗干擾能力、低功耗、體積小、較好的精度，選則MPX4.2發射處理芯片發射處理芯片采用MC68HC908RF2，其引腳如圖4-2所示。該芯片無需外加RF發射電路,這樣可縮小系統體積，安裝在輪胎中，對輪胎的正常工作影響很小；抗干擾能力強，完全滿足輪胎內的惡劣工作環境。圖4–2MC68HC908RF2引腳圖4.3TPMS接收芯片與接收控制器TPMS接收芯片選用MC33594，接收控制器選用MC68HC908GT8。MC33594是與MC33493相對應的單片集成PLL調諧UHF數據接收器。該芯片內含660kHz的中頻帶通濾波器、完整的壓控振蕩器（VCO）、可消除鏡像的混頻器、曼徹斯特編碼時鐘再生電路以及完整的SPI接口，可用于設計315MHz/434MHz的OOK/FSK接收電路。MC33594芯片內部結構可分為射頻部分和控制部分。射頻部分由能消除鏡像干擾的混頻器、660kHz的中頻帶通濾波器、自動增益控制級和OOK/FSK解調器組成；控制部分則包含有數據管理器、配置寄存器、串行接口、狀態控制器等。MC33594的串行接口采用Motorola公司開發的三線制SPI（SerialPeripheralInterface）串行外部接口總線協議。通過SPI接口可對UHF接收器的數據解調類型、數據率、UHF頻段、ID控制字等進行初始化編程，接收到的數據也可以在數據管理器工作時從SPI端口輸出。MC33594與微控制器之間的通信一般通過SPI進行，其SPI接口通過以下三個輸入/輸出引腳來實現操作：串行時鐘SCLK；主控輸出受控輸入MOSI；主控輸入受控輸出MISO。微控制器可通過引腳STROBE選通MC33594，也可讓MC33594內部工作在等待-休眠循環模式下來降低功耗，在引腳STROBE上加高電平就能將處于休眠狀態的MC33594激活。當接收電路工作在315MHz頻段時，應選擇9.864375MHz晶振；工作在434MHz時，選13.580625MHz的晶振。圖4-3是主機模塊MC33594的接收電路圖。與發射電路相對應的是，接433.92MHz頻段，MC33594的50Ω匹配網絡由電感L1、電容C5和C7構成，其中電感取值68nH±2%，電容C5＝1.5pF±10%，C7=100pF±10%。當MC33594工作在FSK模式下。圖4–3MC33594接收電路圖4.4電池電池選用鋰亞電池，以保證遠程輪胎壓力監測系統模塊在高低溫環境中都能正常工作。傳統的鋰電池在-40℃低溫時喪失電能，在100℃高溫時會自動放電。輪胎壓力監測系統模塊的整體電源管理是十分正要的，一個鋰亞電池要向這個模塊提供3—5年的工作能源，做好電源管理和如何省電是關鍵所在。由于在設計過程當中，電池的設計并非核心，因為在研發成功并測試通過后，很可能到時候電池性能遠優于目前所提供的。所以僅僅從可以使用考慮，選擇了ABLE公司設計的型號為ER2450電池，該電池性能指針如下：1.空載電壓：3.66V，負載電壓：3.45V；2.容量：0.5Ah；3.工作溫度：-40℃到1254.保存時間：10年以上；焊腳紐扣型，外殼加厚，可焊在PCB板上，安裝更牢固，防震動性能更好。4.5天線天線是遠程輪胎壓力監測模塊發射功率提升的關鍵，天線技術涉及及天線的幾何形狀、材料、介質等諸多因素。TPMS發射器的天線靠近氣門嘴，位于輪轂內，因而再設計天線時必須考慮金屬輪子和輪胎金屬絲網的屏蔽，以及車輪高速行駛時天線不斷變換方向、角度的影響。螺旋天線可能是一種比較好的選擇，它可擴大發射和接收的角度，有效地克服靜態動態盲點。TPMS的天線不同于手機、電臺、雷達，目前沒有專業的設計生產廠家，因此需要我們自己來制作，根據前面所選擇的元器件，單端螺旋天線可能比較好。4.6結論綜合以上分析和選擇，最終選擇輪胎監視模塊以傳感器MPXY8020A和輪胎發射處理芯片MC68HC908RF2為核心，主機控制模塊以接收芯片MC3359和接收控制器MC68HC908GT8為核心。第5章汽車輪胎壓力檢測系統的硬件設計5.1系統硬件總體設計汽車輪胎氣壓實時監測系統的硬件電路按系統功能劃分，可分為輪胎模塊和主機模塊兩大部分。其中，輪胎模塊整體安裝在輪胎內，主要完成輪胎壓力和溫度數據的采集、數據的初步處理以及信息的無線傳輸功能。主機模塊安置于汽車駕駛室內，主要完成信息的無線接收、數據的區分處理、聲光報警控制以及系統特征值設定等功能。系統硬件功能框圖如圖5-1所示。在系統的工作運行中，輪胎模塊始終處于封閉環境中，駕駛室內的系統主機必須依靠無線方式來完成數據信息的傳輸，才能將輪胎的狀態信息實時地提供給駕駛員。因此，輪胎模塊與主機模塊之間的無線通信是實現系統功能的關鍵，同時，這也是系統硬件設計工作的重點之一。5.2輪胎監視摸塊硬件設計TPMS設計中的關鍵部分就是說據的傳輸部分，系統的數據傳輸部分由輪胎監視模塊部分和主機控制模塊部分組成。這兩部分設計的可靠性是系統優良性能的重要體現。TPMS輪胎監視模塊結構如圖5-2所示。利用壓力傳感器檢測輪胎內部壓力信號，經A/D轉換后進入微處理器。微處理器管理發射模塊中的外圍設備，對壓力等參數進行補償、校準，同時對無線射頻（radiofrequency，RF）發射進行控制。RF射頻發射電路將檢測并經過微處理器處理的信號用RF射頻信號通過天線發射出去，以實現與車內接收模塊的雙向通信。發射模塊中的所有能量由3V鋰電池提供。輪胎中的傳感器采用摩托羅拉公司的MPXY8020A傳感器。傳感器內部集成有一個可變電容的壓力感應元件、一個溫度感應元件和一個有喚醒功能的內部電路，并采用元件封裝形式（shrinksmall-outlinepackage，SSOP）超小型封裝。傳感器將測量的輪胎壓力、溫度信號轉換成電壓信號送到取樣電容中，這個取樣電容由一個帶門限調節的電壓比較器監控。當門限電壓小于取樣的電容電壓時輸出端輸出高電平。當門限電壓大于或等于取樣電容電壓時則輸出低電平。MC68HC908RF2MCU是Freescal的低成本、高性能的8位微控制器（MCU）M68HC08系列的成員之一。MC68HC908RF2集成了MCU和UHF發射芯片，采用小型的32針腳小外形四方扁平封裝LQFP，非常適合用于輪胎氣壓監測系統的監測發射模塊。該封裝由2部分組成：第1部分是2KB閃存HC08MCU（等于MC68HC908RK2）；第2部分是射頻發射器（等于MC33493），在自由空間中能將數據傳輸幾百米。MC68HC908RF2還有以下主要特性：①完全向上兼容M6508、M146805和M68HC05系列的對象代碼；②最大內部總線頻率為4MHz；③128字節的片上RAM；④16位的2通道定時器接口模塊；⑤6位鍵盤中斷，帶有喚醒功能；⑥-40℃～+125圖5–2MC68HC908RF2與MPXY8020A連接簡圖輪胎監視模塊的原理圖如圖5-3。5.3主機控制模塊硬件設計TPMS主機控制模塊如圖5-5所示。接收器通過天線接收來自輪胎發射來的RF射頻信號，再經過微處理器將各個輪胎的壓力等數據顯示在車內監視器屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力出現異常，監視器自動報警，以提醒者采取必要的措施。TPMS主機控制模塊的能量由車載直流電源提供。TPMS接收芯片選用MC33594，接收控制芯片選用MC68HC908GT8，接收模塊的電路圖如圖5-4所示。MC33594將接收