（通信与信息系统专业论文）汽车胎温胎压无线监测系统研究与实现.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h e w i r e l e s st i r et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e m o n i t o r i n gs y s t e m c a n d i d a t e ：l i uz h a n y a s u p e r v is o r ：p r o f f uy o n g q i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，0j 妒 、 地 j 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：训与吐 日期： 沙f o 年弓月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 财在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：度t l 与弘 日期： 矽f d 年月7 日 导师( 签字) ：f _ 溥艮 劲扣年刁月7 日 1 婶： i 哈尔滨j 程大学硕士学位论文 摘要 轮胎温度压力监测系统( t p m s ) 对于驾驶员安全行车至关重要，一个性 能良好的t p m s 能够延长车辆轮胎的使用寿命，减少车辆的油耗，最重要的 是它能够减少甚至避免由于汽车轮胎问题可能引起的交通事故。t p m s 是驾 驶员生命安全的一个重要保障，因此自上世纪9 0 年代末t p m s 产品问世以 来发展迅速，普及率逐年增高。 本文研究的汽车胎温胎压无线监测系统是在哈尔滨威帝汽车电子有限公 司委托下针对国产客车和载重卡车的装车需求而提出的。该项目在市场现有 产品的基础上提出了一种具有竞争力的解决方案，具有很强的市场竞争力和 良好的市场前景。 文中详细介绍了汽车胎温胎压无线监测系统的设计原理。主要涉及到了 发射模块的软硬件设计和接收模块的软硬件设计二大部分。发射模块的设计 包括微控制器系统设计，天线设计，低功耗设计，以及应用软件设计；接收 模块的设计包括微控制器系统设计，人机交互界面设计，射频模块设计等。 文中提出了一种纯软件的轮胎定位技术方便了系统初装和轮胎更换，接收模 块应用软件设计引入了兼容多种型号车辆的设计思路；创新性的提出了采用 两片a s k 芯片设计实现f s k 发射机的方案，收到了增强发射功率3 d b 的效 果；为了解决发射模块装入汽车轮胎内受车轮钢网和钢鼓屏蔽的影响导致个 别位置出现发射信号“盲点”的问题，发明了一种用加速度传感器数据控制 t p m s 发射模块定位发射的方法，并从理论和工程的角度给出了具体实现方 案。本文设计的汽车轮胎温度压力无线监测系统已通过硬件验证，批量产品 测试。目前已由哈尔滨威帝汽车电子有限公司批量生产。 关键词：t p m s ：轮胎定位；无线中继；定位发射；模拟f s k 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t i r et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ( t p m s ) i se s s e n t i a lf o r r o a dv e h i c l es a f e t y at p m so fg o o dp e r f o r m a n c ec a ne x t e n dt i r el i f ea n dr e d u c e v e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o n ，w h a ti st h em o s ti m p o r t a n ti st h a ti tc a nd e c r e a s ea n d e v e na v o i dp o s s i b l et r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e db yt i r ep r o b l e m s t p m si sa l l i m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rd r i v e rs a f e t y , t h u st p m sh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n d b e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a rs i n c et h el a t e9 0 so fl a s tc e n t u r y t h es t u d yo ft h ew i r e l e s st i r et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mi s ap r o j e c tc o m m i s s i o n e db yh a r b i nw e id ia u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sc o ，l t d ，a i m e d a tt h el o a d i n gr e q u i r e m e n t so fd o m e s t i cp a s s e n g e rc a r sa n dh e a v y d u t yt r u c k s a c o m p e t i t i v es o l u t i o ni sp r o p o s e di nt h ep a p e rb a s e do nt h ee x i s t i n gp r o d u c t si nt h e m a r k e t ，w h i c hh a sas 仃o n gm a r k e tc o m p e t i t i o na n dg o o dm a r k e tp r o s p e c t s t h ee n t i r et h e o r yo faw i r e l e s st i r et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em o n i t o r i n g s y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ep a p e rd e a l sw i t ht h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no ft r a n s m i t t e rm o d u l e a n dr e c e i v e rm o d u l e t h et r a n s m i t t e rm o d u l e i n c l u d e sm c us y s t e md e s i g n ，a n t e n n ad e s i g n ，l o w - p o w e rd e s i g na sw e l la s i n s t a l l a t i o na n dt e s t i n gd e s i g n ；t h er e c e i v e rm o d u l ei n c l u d e sm c us y s t e md e s i g n ， h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c ed e s i g n ，a sw e l la sr f m o d u l ed e s i g na n ds o o n as o f t w a r e o n l yt i r ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di no r d e rt of a c i l i t a t e f i r s ts y s t e mi n s t a l l a t i o na n dt i r er e p l a c e m e n t a n dt h e nad e s i g ni d e ac o m p a t i b l e w i t hv a r i o u st y p e so fm o t o rv e h i c l e si si n t r o d u c e di nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e d e s i g no fr e c e i v e rm o d u l e m e a n w h i l e ，a ni n n o v a t i v es c h e m ei sp r o p o s e dt h a t f s kt r a n s m i t t e ri si m i t a t e db y2a s k c h i p ，w h i c hh a sr e c e i v e da3 d bi n c r e a s ei n t r a n s m i tp o w e r w h a t sm o r e ，am e t h o do fl o c a t i n gt p m st r a n s m i t t i n gm o d u l e u s i n ga c c e l e r a t i o ns e n s o r sd a t ai si n v e n t e di no r d e rt os o l v et h e “d e a ds p o t s ” p r o b l e mo fl a u n c hs i g n a li ns o m ei n d i v i d u a l l o c a t i o n sc a u s e db yt h es h i e l d i n g e f f e c to fs t e e lm e s ha n ds t e e ld r u mw i t h i nw h e e l s i na d d i t i o n ，t h ec o n c r e t e r e a l i z a t i o ns c h e m ei sg i v e nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h e o r ya n de n g i n e e r i n g t h e t h eh a r d w a r e a u t o m o t i v e i m i t a t ef s k 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题的研究背景和目的1 1 2 国内外技术研究现状1 1 3 本文的主要研究内容及安排2 第2 章汽车胎温胎压无线监测系统方案设计4 2 1 系统设计的需求分析4 2 1 1 系统功能要求4 2 1 2 系统主要技术指标4 2 2 系统总体方案设计5 2 - 2 1 数据采集发射模块5 2 2 2 无线中继模块6 2 2 3 接收显示模块7 2 3 系统协议介绍8 2 3 1 系统通信协议8 2 3 2 数据采集发射模块低功耗协议。8 2 4 关键技术及创新9 。 2 4 1 循环冗余校验增加数据的可靠性9 2 4 2 轮胎安装定位9 2 4 3 无线中继器1 0 2 4 4a s k 模拟f s k 调制1 0 2 4 5 数据采集发射模块轮胎内部定位1 1 2 5 本章小结1 1 第3 章数据采集发射模块的设计1 3 3 1 数据采集发射模块硬件电路设计13 3 1 1f s k 射频电路设计1 3 3 1 2s p 3 0 t 电路设计1 5 3 1 3 电源电路设计1 7 哈尔滨一 程大学硕士学位论文 mi ii i 3 1 4 发射模块天线设计。1 8 3 1 5 发射模块p c b 设计1 9 3 2 数据采集发射模块软件设计。2 1 3 2 1 数据采集发射模块程序软件概述2 1 3 2 2 数据采集发射模块存储空间分配和使用说明2 2 3 2 3s p 3 0 t 初始化程序设计2 4 3 2 4f s k 调制信号连续发射程序2 4 3 2 5 获取轮胎信息子程序设计2 4 3 2 6 报警检测子程序。2 8 3 2 7 发射子程序组程序设计2 8 3 2 8 间隔定时器程序设计。3 0 3 3 本章小结3 1 第4 章接收显示模块和无线中继模块的设计3 3 4 1 接收显示模块硬件电路设计3 3 4 1 1 电源电路设计3 3 4 1 2 射频电路设计3 3 4 1 3 液晶显示电路设计3 5 4 1 4 其它功能电路设计3 6 4 1 5 微控制器电路设计3 7 4 1 6p c b 设 十3 8 。4 2 接收显示模块软件设计4 0 4 2 1 接收显示模块应用程序设计说明4 0 4 2 2 存储器空间分配和使用说明4 0 4 2 3 数据包的接收程序设计4 2 4 2 4 数据包的处理程序设计4 4 4 2 5 人机接口信息输出设计4 6 4 2 6 人机接口信息输入设计4 9 4 3 无线中继模块的设计5 2 4 3 1 无线中继模块硬件电路说明5 2 4 3 2 无线中继模块软件设计5 2 第5 章系统产品化说明和性能分析测试5 5 5 1 系统产品化说明5 5 5 1 1 产品图片5 5 5 1 2 产品性能指标5 5 5 2 系统性能分析测试5 6 5 2 1 系统通信误包率测算方法5 6 5 2 2 系统工作寿命估计5 7 5 3 本章小结5 9 第6 章发射模块定位发射的方法研究6 0 6 1 发射模块定位发射的意义。6 0 6 2 用加速度传感器数据控制模块定位发射的方法6 0 6 2 1 加速度传感器的选择和放置要求6 0 6 2 2 加速度传感器估算车速6 1 6 2 3 用加速度传感器实现定位发射6 2 6 3 本章小结。6 5 结论6 6 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 0 致谢7 1 附录a 接收显示模块主循环流程图7 2 附录b 接收显示模块原理图7 3 一一 一 是汽车安全中 间接式测量和 直接式测量两种方法【1 , 2 , 3 】。间接式测量方法是利用车辆的防锁死制动系统 ( a b s ) ，对车辆轮速差进行测量，并测量轮胎直径相对于气压泄漏的变化来 得出轮胎的压力 4 , 5 , 6 1 。该方法成本低，易实现，仅利用汽车a b s 轮速传感器 即可，但是不能给出轮胎的温度数据且具有精度差，还具有无法在车辆慢速 行驶或是停泊情况下工作的缺点。；直接式测量方法是利用轮胎内的压力传感 器，温度传感器直接测量轮胎内部的温度和压力后，再利用内置于轮胎内的 无线发送器把测量结果发送到位于轮胎外部的射频接收器。该方法精确可靠 【| 7 1 。由于直接式t p m s 相对于间接式t p m s 有着优越的性能，因此在t p m s 市场中占有了绝大数市场份额峭j 。目前，在国家标准( 参考版) i s 0 1 6 7 5 0 的 引导下，很多汽车电子产品公司都在研发新型t p m s ，或对现有的t p m s 进 行改进。 本文选题源自哈尔滨中德威帝电子有限公司委托开发的t p m s 项目，该 项目要求设计研制一个具有中继器的t p m s 系统。本文根据委托要求认真分 析了当前直接式t p m s 特点，提出了一种采用两片a s k 芯片模拟f s k 调制 方式、用加速度传感器数据控制汽车轮胎温度压力无线传感器模块定位发射 的方法的t p m s 系统实现新方案，并完成了产品设计和研发。目前本文设计 研发的产品已由哈尔滨中德威帝电子有限公司批量生产投放市场。 1 2 国内外技术研究现状 从2 0 世纪9 0 年代末t p m s 开始应用于汽车以来，t p m s 发展迅速，尤 其是近几年随着国内私家车数量的激增，以及驾驶员安全意识的提高，t p m s 市场越来越大，国内众多汽车电子厂商开始涉足t p m s 产业，促进了t p m s 的发展。t p m s 从最开始的间接式到现在的直接式，当前直接式t p m s 已成 哈尔滨工程大学硕十学位论文 为市场的主流。直接式t p m s 方案主要以微控制器传感器和射频模块组成， 随着集成电路技术的发展，目前已经出现把微控制器与传感器集成为单芯片， 甚至把微控制器传感器和射频芯片全部集成到单一芯片内的发展趋势。但从 性价比上来看市场主流产品以采用含温度、压力传感器的微控制器芯片加射 频单元的技术方案为多，这其中最典型的代表为飞思卡尔的t p m s 方案。受 集成电路整合技术的限制，目前还没有把微控制器，传感器，射频模块和电 源模块全部集成在单芯片上的方案发表。现在大多数厂家主要是通过选择功 耗低的微控制器传感器和可编程休h 民的射频芯片，以及软件编程等措施来提 高发射模块的性能；同时通过接收芯片选择和改善天线匹配及优化软件等措 施来提高接收机的实际灵敏度及通信质量，并通过改进外观设计增加人机界 面的友好性来提高驾驶员的使用舒适性。目前，市场上的t p m s 产品用于家 用轿车其技术方案可谓完善至美，但用于车体较长的载重卡车和大客车尚存 在接收来自与驾驶员较远的轮胎的数据易受干扰的问题。这是t p m s 产品急 需解决的问题。本文研究一方面完成新型t p m s 的设计与产品研发，另一方 面提出的技术方案首次采用定位发射技术已较好地解决了上述问题。这是一 项用加速度传感器控制模块定位发射的创新技术。 1 3 本文的主要研究内容及安排 本文主要研究了t p m s 的实现以及改进途径。研究了基于s p 3 0 t 和 m a x 7 0 4 4 的t p m s 发射模块的硬件设计以及软件设计和调试方法；研究了 基于m c 9 s 0 8 d z 6 0 和i a 4 4 2 1 的t p m s 接收模块和无线中继模块的硬件设计 软件设计和调试方法；研究了t p m s 联调以及主要性能分析测试方案。在改 善t p m s 性能方面，研究了采用两路a s k 调制信号模拟f s k 调制信号的电 路设计方法，提高了t p m s 发射模块的发射功率；研究了用加速度传感器数 据控制t p m s 无线传感器模块定位发射的方法，有效解决了发射模块“盲点 问题。 全文共分六章。 第l 章介绍了汽车胎温胎压无线监测系统研究与实现课题的提出背景和 研究意义，简要概述了t p m s 的研究现状。 第2 章给出了汽车胎温胎压无线监测系统的设计要求，详细介绍了本文 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 的设计方案，包括系统的结构，模块组成以及个模块主要芯片的选型要求， 介绍了系统的通信协议和系统设计中的关键问题。 第3 章介绍了数据采集发射模块的硬件设计，详细介绍了发射模块的应 用软件设计。 第4 章介绍了接收显示模块和无线中继模块的硬件设计，详细介绍了接 收显示模块的应用软件设计以及无线中继模块的应用软件设计。 第5 章介绍了产品出厂前的调试内容和调试方法，给出了系统的性能指 标；提出了系统性能测试的方案，从误包率和数据采集发射模块使用年限方 面考虑初步分析了系统的性能。 第6 章提出了利用数据采集发射模块加速度测量数值控制模块定位发射 的方法，并给出了公式推导和实现方案。 最后总结了汽车胎温胎压无线监测系统的研究过程以及取得的成果，说 明了本文工作的创新之处。 3 第2 章汽车胎温胎压无线监测系统方案设计 2 1 系统设计的需求分析 根据项目协议以及公司市场开发部市场调研后提供的项目开发建议 书，汽车胎温胎压无线监测系统为直接式t p m s ，针对汽车后装市场，安 装于轮胎内部轮毂之上，系统包括胎温胎压接收显示器无线中继器和胎温胎 压数据采集发射模块。系统需要实现的功能和技术指标归纳如下。 2 1 1 系统功能要求 胎温胎压接收显示器接收胎温胎压数据采集发射模块发出的射频信 号，经处理后将接收到的信号信息显示在液晶屏上 胎温胎压监测显示器可以通过按键循环查看各轮胎信息 胎温胎压监测显示器显示的内容包括各轮胎的气压信息，温度信息， 以及轮胎内部传感模块的工作电源电压信息 胎温胎压监测显示器有声光报警功能 。 轮胎信息异常时自动进入报警界面，液晶显示器指示出现异常的轮 胎位置，以及异常参数 能够查看各轮胎识别码( i d ) 可设置轮胎报警参数 有更新i d 功能 能在轮胎间调换编号i d 可以根据不同的车型来设置系统，最多适用于八轮胎车辆 可以选择温度单位：，下 可以选择气压单位：k p a ，b a r ，p s i 2 1 2 系统主要技术指标 接收显示模块和无线中继模块直流电压工作范围：1 0 v - 3 2 v 接收显示模块和无线中继模块工作温度：3 0 7 5 接收显示模块和无线中继模块工作环境湿度范围：0 - 9 0 4 r 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 数据采集发射模块工作电压：3 3 v 3 6 v 数据采集发射模块工作温度：3 0 1 2 0 数据采集发射模块使用周期：5 年( 按照每天行车1 5 小时计算) 数据采集发射模块工作环境压力：o 1 4 0 0 k p a 数据采集发射模块工作环境湿度：0 9 0 数据采集发射模块温度压力测量精度：2 f s 系统工作在i s m 频段 发射模块和接收模块相距3 5 米时误包率低于1 o 2 2 系统总体方案设计 考虑到公司对系统功能和性能指标的要求，确定了汽车胎温胎压无线监 测系统由数据采集发射模块，无线中继模块和接收显示模块三部分组成，其 中无线中继模块为可选装配件，对于客车载重卡车等长体中大型车辆可以选 择安装，系统的整体框图如图2 1 所示。 图2 1 系统框图 2 2 1 数据采集发射模块 发射模块能够监测加速度、气压、温度、电压等信号，并能对这些信号 进行一定处理，然后以射频调制信号形式发送。 s 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ：集成单元： ；一 i i 压力传感器卜- 叫嚣蓝h ：l 电压传感器卜_ 叫綦缔| i ! l 加速度传感器卜_ 叫l ： 射频 调制 发射 单元 锂亚电池 图2 2 发射模块框图 发射模块如图2 2 所示，由集成单元、射频调制发射单元、射频发射天 线和锂电池组成。集成单元包含了所需传感器以及微控制器系统，高的集成 度有利于减小发射模块的体积、重量，简化外围电路。射频调制发射单元工 作在( 欧洲) i s m 频段，工作模式由微控制器系统设置确定，正常工作时微 控制器系统控制传感器组采集轮胎信息，将数据信息编码组帧，调制后以射 频信号的形式通过天线辐射出去，供接收显示模块或无线中继模块接收。射 频芯片功率要在满足行业标准的情况下尽可能大，芯片尺寸要尽可能小，具 有很高的性价比。锂电池选择电量大，体积小，易更换，稳定性高，耐高温 高压的型号。考虑到发射模块位于轮毂内，并且车辆高速行驶时天线不断变 换方向和角度，因此选择螺旋天线作为发射模块天线，可以扩大发射和接收 的角度有效地克服“静态盲点 和“动态盲点。用于射频芯片的晶体振荡器 应具有高精度，低温漂的特性，从而保证射频调制信号频点的稳定性，有利 于提高通信质量。对于数据采集发射模块器件的选择要满足汽车工业级的温 度要求：4 0 1 2 5 。 2 2 2 无线中继模块 无线中继模块能够接收和发射射频信号，并且对信号进行一定处理。 图2 3 无线中继模块 6 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 如图2 3 所示无线中继模块由微控制器系统、射频单元、车载电源处理 单元和射频收发天线组成。微控制器系统是无线中继模块的核心，实现对射 频单元的控制，以及基带信号的处理( 主要是对接收到的信号进行校验，保 证中继数据的正确性) ；微控制器稳定性要高，外型尺寸要小，运行速度要 快，性价比要高，可以选择低成本，外部管脚少的微控制器。射频单元可以 发射、接收调制后的射频信号，在微控制器控制下运行；射频芯片需要选择 具有收发功能的芯片，发射功率要大，接收灵敏度要高，外围电路要简单。 车载电源处理单元将车载电源( 一般为1 2 v 或是2 4 v ) 转化为系统所用电源， 为模块供电；中继系统要考虑到运行环境的恶劣，抗干扰性能要强；天线采 用收发共用结构。 2 2 3 接收显示模块 接收显示模块能够接收射频信号，图形显示轮胎信息，能够声光报警， 能够设置系统参数。 _ _ 二二_ _ _ 碗哑二二_ 二二二二二： 射频接收解调单元 - 一微控制器系统 车载电源处理单元 图2 4 接收显示模块 接收显示模块如图2 4 所示，由微控制器系统，微控制器外部设备单元， 射频接收解调单元，车载电源处理单元和射频接收天线组成。微控制器系统 是模块的核心，完成数据处理，控制外围设备单元，实现图形显示以及声光 报警，掉电前保存系统的设置参数：单片机需带有片内e e p r o m ，总线速率 高，处理数据能力强，输入输出端i s l 多，有看门狗等功能。射频接收解调单 元，接收射频信号完成解调；射频接收芯片需要接收灵敏度高，外围电路简 单。车载电源处理单元应与无线中继单元该模块电路设计相同。外部设备单 元提供了系统功能实现的硬件支持，按键输入供驾驶员查看轮胎参数使用并 为系统参数设置提供支持：时钟单元为接收显示模块庞大的应用软件提供时 7 系统工作在业余i s m 频段，中心频率为4 3 3 9 2 m h z ，带宽为3 0 0 k h z ， 上边频、下边频分别为l = 4 3 4 0 7 m h z 和2 = 4 3 3 7 7 m h z ；射频调制采 用抗干扰性能较强的f s k 调制方式( 相对于相同条件下的a s k 调制方式约 有3 d b 增益1 9 1 ) 数据包传输速率4 8 k b i t s ；按照串1 2 1 通信协议传输数据包。 从数据采集发射模块或无线中继模块发射的每包数据均包括：导频码， 握手字，有效数据和校验数据；发射数据时先发射导频码，其次发射握手字， 最后将有效数据和校验数据交叉( 称为发射机信息及校验数据) 发射。 接收显示模块和无线中继模块需要接收的数据包括：握手字，有效数据， 校验数据，数据排序由左至右如图2 5 所示。图中，0 x 5 5 ，0 x 5 5 ，0 x 5 5 ，0 x a a 为握手字；d 2 ，d 4 ，d 6 ，d 8 分别是d 1 ，d 3 ，d 5 ，d 7 的八位循环冗余校验 校验数据( c r c 8 ) 。d 1 ，d 3 ，d 5 ，d 7 分别是发射机采集的电压，温度，压 强的原始数据信息，需要进行一定数据变换( 变换关系参照文献 1 7 】) 才能 够得到最终需要显示的b c d 码。 l 一握手数据l 电压l 温度上一压强_ j 一发射机i d _ j 图2 5 数据包格式 2 3 2 数据采集发射模块低功耗协议 为了减少数据采集发射模块中锂电池的消耗，延长模块寿命，需要模块 在多数时间内处于休眠状态，为了实现轮胎监测而又不至于过多的消耗锂电 池，数据采集发射模块的工作状态被划分为休眠状态和运行状态；模块完成 一次运行状态后进入休眠状态。 运行状态包括正常运行和报警运行两种情况。 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 正常运行时数据采集发射模块间隔4 秒由休眠状态唤醒一次，完成测量 轮胎加速度温度压力和读取轮胎i d 的工作。轮胎信息偏离正常值时，转入报 警运行状态：轮胎信息没有偏离正常值时，由加速度数值确定车辆是否行使， 当车辆行使时，每间隔6 分钟向接收显示模块发送一次当前轮胎温度，压力， 以及轮胎i d 信息，否则，转入休眠状态，等待下一次唤醒。 报警运行时数据采集发射模块间隔4 秒由休眠状态唤醒一次，测量轮胎 温度，压力，读取轮胎的i d 信息，并向接收显示模块发送当前轮胎温度，压 力以及i d 信息。当轮胎信息恢复至正常范围内发射模块自动转入正常运行状 态。 2 4 关键技术及创新 2 4 1 循环冗余校验增加数据的可靠性 为了保证射频通信的可靠性，必须采用差错检测。由于通常采用的奇偶校 验法检错率较低，可靠性差【10 1 ，不宜采用，而循环冗余校验法具有检错能力 强，编码和错误检测算法比较容易实现的特点，所以本设计采用c r c 8 校验算 法为数据包提供检错处理。 第3 章和第4 章分别介绍了c r c 8 的编码和译码实现方法。 2 4 2 轮胎安装定位 数据采集发射模块的安装位置与接收显示模块的图形指示位置要严格对 应，称为轮胎的安装定位。 汽车轮胎由于安装位置不同会出现不同的磨损情况，为了达到轮胎同步 磨损的效果，需要定期对轮胎进行换位。在轮胎换位过程中安装在轮胎内部 的数据采集发射模块也会一同换位，这就导致了存储在接收显示模块内部的 i d 与轮胎位置关系的对照表失划1 1 】，此时需要更新对照表来得到正确的显 示。同样，如果调换新的轮胎，或者某一轮胎的胎压遥测模块损坏，用户需 要更换该模块时，因系统增添了新的i d ，故也需要更新对照表来得到正确的 显示。这就涉及到了轮胎安装定位。 目前轮胎安装定位技术主要有四种：定编码形式、界面输入式、低频唤 醒式、天线接收近场发射式，然而这四种技术在实际应用中都存在着明显的 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 不足【1 2 】。其中定编码形式不方便安装更换；界面输入式i d 码过长输入不便； 低频唤醒式结构较复杂；天线接收近场发射式天线布线复杂，成本高，并且 准确率不够高。 本设计针对轮胎位置调换和更换轮胎问题，为接收显示模块设计了轮胎 调换功能和更新轮胎i d 功能。轮胎调换功能是通过按键操作选中调换位置的 轮胎，通过更新接收显示模块内部轮胎位置与i d 关系的对照表来实现正确的 图形显示；更新i d 功能专门为车辆初次安装本系统和更换轮胎而设计，接收 显示模块提供独立的显示界面，当需要更新i d 时需要先通过按键操作选中液 晶屏中指示的轮胎安装位置，此时将新安装的轮胎放气使轮胎处于欠压状态， 便可以实现轮胎i d 的更新。 第4 章详细介绍了更新i d 功能的软件实现原理。 2 4 3 无线中继器 汽车胎温胎压无线监测系统使用环境恶劣，通常在收发模块相距较远时 很难保证通信质量【1 3 l 。为了提高通信质量，可以由减小数据采集发射模块和 接收显示模块的通信距离的方法来达到。此外，在接收模块和发射模块之间 加入中继单元，相当于缩短收一发模块间通信距离的效果，考虑安装的方便性， 本设计采用了无线中继单元作为无线中继器。 作为汽车胎温胎压无线监测系统的一部分，无线中继需要按照系统通信 协议进行数据接收、处理后，再将正确的数据包转发出去。从简化设计和便 于生产的角度考虑，无线中继和接收显示模块采用了同一设计，并且无线中 继和接收显示模块使用了同样的车载电源处理模块、射频芯片和微控制器， 因此极大程度上减小了设计调试的复杂程度。 第4 章介绍了无线中继器的硬件设计和软件设计。 2 ：4 4a s k 模拟f s k 调制 受国际标准的限制，目前在4 3 3 m h z 频段提供f s k 调制模式适用 - 4 0 一1 2 5 工作温度范围的集成射频发射芯片的发射功率尚无超过1 0 d b m 的产品【1 4 】；为了提高胎温胎压监测系统的通信质量，本设计采用了两片 1 3 d b ma s k 发射芯片通过共享同一个天线电路的办法设计实现了具有 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 3 d b m 发射功率的f s k 发射机。设计步骤如下： 1 、选择两片同一型号具有漏极开路输出方式的a s k 发射芯片，其功率 输出须满足f s k 发射机的发射功率要求。 2 、根据所选芯片技术手册，确定芯片电源、输出匹配网络、晶体振荡电 路。 3 、由f s k 发射机的两个发射频点磊u l 、旆：选择与之相匹配的无源晶 体振荡器。 4 、将两片a s k 发射芯片的p a 输出端连接在一起，共同接到匹配网络 的输入端。 5 、分别把两片a s k 发射芯片的输入控制端连接到微处理器的两根通用 输出端口线上。微处理器的工作方式是：使发射数据信息中的“0 ”和“1 ”分别 对应两个不同的a s k 芯片输入控制端。 这种设计是利用a s k 发射芯片是漏极开路输出特性，把两片a s k 发射 芯片的输出端连接到一起，因芯片不工作时对外输出是高阻抗，故不会影响 其他芯片的输出。在数据输入端通过微处理器控制两片a s k 发射芯片，使在 住何情况下都只有一片a s k 发射芯片在工作，这样就可以保证同一个外围发 射电路对任意一个发射芯片都是最佳匹配状态。同时可通过控制a s k 发射芯 片的输入端关闭a s k 发射芯片的工作，以达到避免芯片损坏的目的。 2 4 5 数据采集发射模块轮胎内部定位 数据采集发射模块安装于轮胎内部，缚于轮毂上【1 5 1 ，工作环境恶劣，车 体对射频信号的干扰和屏蔽作用很强；随着车体运动，模块在远离接收显示 模块的位置，会随机的出现发射盲点( 称为动态信号盲点) 。通过对数据采集 发射模块定位，可以选择轮毂钢网屏蔽影响小的位置进行数据传输，以达到 提高通信质量的效果。 第6 章详细介绍了定位原理和定位的实现。 2 5 本章小结 本章介绍了汽车胎温胎压无线监测系统的系统结构以及模块结构，模块 实现所需的芯片选择要求；系统的通信协议以及数据采集发射模块的低功耗 1 2 定数据采集 发射模块主要由智能传感器s p 3 0 t 、两片a s k 无线发射芯片m a x 7 0 4 4 和 t l 4 9 0 2 锂电池组成。 3 1 数据采集发射模块硬件电路设计 对于电阻和小容量电容选用体积小的0 6 0 3 贴片封装；对于大容量电源滤 波钽电容选用1 2 0 6 贴片封装。电感选择线绕电感，该电感对射频信号的衰减 小，可以增加发射天线的辐射效率，首选0 6 0 3 贴片封装；晶体振荡器选用高 精度直插式，方便系统调试( 更换晶体振荡器便利) ；天线选为螺旋天线由 矽= 0 9 m m 铜线绕制而成。 3 1 1f s k 射频电路设计 3 1 1 1m a x 7 0 4 4 介绍 图3 1m a x 7 0 4 4 内部结构图 m a x 7 0 4 4 是美国美信公司生产的射频a s k 发射芯片，片内结构如图3 1 所示。m a x 7 0 4 4 除具有成本低廉的优点外还具有以下特点【1 6 】： 漏极开路输出 2 1 v 3 6 v 单电源供电运行 1 3 哈尔滨。【j 犟大学硕+ 学位论文 o o 剐a s k 调试方式 最高l o o k b i t s 的数据传输速率 1 3 d b m 的功率输出( 5 0 欧姆负载) 低待机电流 8 管脚s o t 2 3 封装， 晶体振荡器起振快( 仅需2 5 0 微秒) 如表3 1 所示，m a x 7 0 4 4 发射频率在3 0 0 m h z 4 5 0 m h z 之间可选，容易 以4 3 3 9 2 m h z 为中心频率进行系统设计；较高的发射功率，有利于提高胎温 胎压监测系统通信质量；此外，该芯片有较宽的电源工作范围、很低的待机 电流和较低的运行电流，都有利于数据采集发射模块的长寿命设计。 表3 1m a x 7 0 4 4 电气特性f 1 6 1 最小标准最大 参数符号条件单位 值值值 电源 电压 r o d 2 1 3 6v 频率 范围 缸 3 0 04 5 0 z 数据 o1 0 0 k b p s 蛊 温度2 5 ， 9 61 2 51 5 4 输出 6 泸3 0 0 电源2 7 v 功率 p o v r m h z 一4 5 0 温度1 2 5 ， 5 99 01 2 0 d b m 电源2 1 v m h z 温度4 0 ， 1 3 11 5 81 8 5 电源3 6 v 启动 晶体稳定在5 0 k h z 以内 2 2 0 时间 t o n 啪 晶体稳定在5 k h z 以内 4 5 0 3 1 1 2 射频电路设计 利用m a x 7 0 4 4 发射芯片漏极开路输出特性，把两片m a x 7 0 4 4 ( 记为 r f u l 和r f u 2 ) 的输出端连接到一起，共享同一外围发射电路可获得f s k 发射机设计；当芯片不工作时对外输出是高阻抗，不会影响其他芯片的输出。 在数据输入端通过微处理器控制r f u l 和r f u 2 ，使在任何情况下都只有一 片a s k 发射芯片在工作，这样就可以实现f s k 调制，同时可以保证同一个 1 4 哈尔滨j 1 二程大学硕士学位论文 暑i ；i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii iim i - 外围发射电路对任意一个发射芯片都是最佳匹配状态，而不至于损坏任一 m a x 7 0 4 4 芯片。 r f u