【毕业设计】tpms是汽车轮胎压力监视系统

摘要轮胎压力监测系统TIREPRESSUREMONITORINGSYSTEM，TPMS是车辆安全行驶的重要保障之一，在汽车电子技术高速发展和对汽车安全性能要求更高的前提下，对TPMS系统的研究和设计具有广泛的应用前景，并能带来良好的经济效益和社会效益。论文深入分析了TPMS技术的研究现状和发展趋势，并对比了间接式TPMS和直接有源式TPMS的优缺点。选择直接有源式TPMS作为本文的研究目标，利用嵌入轮胎中的传感器检测轮胎的压力、温度以及供电电池的电压等参数，并通过无线射频方式发射到安装在驾驶室的监视器上。监视器实时显示各轮胎参数，在出现异常时及时发出相关告警信息。论文针对直接有源式TPMS技术实现的主要难点问题，包括系统预警的准确性和可靠性、检测传感器模块的低功耗性能等，开展了以下工作1对RF发射部分进行详细设计，包括发射天线的匹配网络、无线通信协议以及RF发射管理机制等；2提出改进的基于多传感器融合技术的预警算法，有效提高系统预警的正确性，避免告警信号的漏报和误报；3）分析TPMS应用的电磁环境，在电磁兼容性设计层面上，阐述了系统的软硬件设计方案；4在选择极低功耗检测传感器等器件的基础上，选择更适合应用环境的锂亚供电电池，并采取良好的电源管理机制；5充分考虑TPMS与其他车载设备之间的信息共享问题，进行基于CAN总线的联机通信设计。测试表明，所设计的直接有源式TPMS系统有效地提高了检测精度和预警的准确率，较好地达到了预期设计目的。关键词TPMS，无线通信，电磁兼容，预警算法，CAN目录摘要I目录II第1章绪论111导言112TPMS研究现状1第2章TPMS原理及方案设计321TPMS工作原理322系统整体方案设计3221系统设计要求3222系统方案论证与设计523本章小结7第3章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计831轮胎参数检测模块设计832系统低功耗设计933无线发射单元设计10331天线匹配网络及设计11332无线通信协议设计1634TPMS检测发射模块的安装1935本章小结20第4章中央接收与处理模块的硬件设计2141中央接收与处理模块总体设计2142核心微控制器及RF接收单元设计2143差错检测技术设计2544人机接口硬件设计2645联机通信单元设计28451与ECU通信设计28452车轮行驶状态信息共享设计29453USB通信接口设计3046看门狗与存储电路设计3147TPMS轮胎定位技术3248本章小结33第5章系统软件设计3451轮胎参数检测与发送程序设计3452中央接收与处理模块程序设计3653联机通信单元程序设计38531CAN通信程序设计38532车轮状态检测程序设计40533USB通信程序设计4154HMI程序设计4255本章小结43参考文献44第1章绪论11导言未来数年内，安全性一直是推动轮胎压力监控系统TPMS发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎的缺陷有关，因此，TPMS有望成为发展最快的汽车电子应用。TPMS是汽车轮胎压力监视系统主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。TPMS的由来及市场TPMS是汽车轮胎压力监视系统“TIREPRESSUREMONITORINGSYSTEM”的英文缩写，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。12TPMS研究现状在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故有7080是由于爆胎引起的。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而TPMS汽车胎压监视系统毫无疑问将是理想的工具。凡世通（FIRESTONE）轮胎的质量问题，造成了超过千人的伤亡，此事引起了业界和美国政府的高度关注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650万只轮胎。据美国汽车工程师学会最近的调查，美国每年有26万交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，另外，每年75的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。由于每年造成的经济损失巨大，美国政府要求汽车制造商加速发展TPMS系统，以求减少轮胎事故的发生。因此，在2000年美国国会通过了TREAD法案。TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求2003年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。回应TREAD法案，美国公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时间表美国市场出售的汽车，2004年占10，2005年占35，2006年占65，2007年将达100。美国每年的汽车销量约为1500万辆（轿车/卡车）。全球每年约5000万辆，平均每辆车需要42个轮胎（不包括备用胎）。中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势，汽车保有量已突破2600万辆，年销售汽车将突破600万辆，未来5年将成为仅次于美国的全球第二大汽车销售国。汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点，今后每年的增长速度可达50。其中，仅TPMS技术产品2005年底的市场容量就将达20万套，近7亿元人民币；2006将达到50万套，近17亿元。根据20032010年汽车需求预测汽车年增长1620；轿车年增长19224。综合以上分析，预计，20052010年，中国汽车保有量将以16以上的速度增长。美国、欧洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽车全部安装TPMS，因此，对TPMS的需要量与日俱增，美国的人工每小时起码75元美金，差不多是中国工人的日工资，面对量大的产品需要降低生产成本，TPMS的生产正在转向中国。今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。因此，目前我们国内已有数百家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。第2章TPMS原理及方案设计TPMS主要用于在汽车行使时实时对轮胎压力、温度进行自动监测，对各种异常情况如轮胎漏气、过低或过高气压、过高温度进行预警以保障行车安全。一般包括轮胎检测部分、无线数据传输部分、数据处理以及显示警告部分。本章主要介绍TPMS的实现原理和进行具体方案的论证设计。21TPMS工作原理TPMS主要包括两个部分轮胎参数检测与发射模块和中央接收与处理模块。前者一般由检测传感器、MCU、RF射频发射、天线和锂电池组成，主要负责汽车轮胎的压力、温度、加速度、模块电源电压的检测以及检测数据的无线传输，所有材料和元器件都要求满足40125的汽车级工作温度；而后者一般由主控制器、人机接口、RF接收、语音告警等组成，完成所接收数据的处理，具有良好的人机交互功能，能及时警轮胎的异常信息。TPMS原理框图如图21所示。22系统整体方案设计221系统设计要求直接式胎压、温度预警系统为了实时测得胎压和胎温，检测传感器须安装在汽车轮胎内部，工作在密闭的环境中。对有内胎的轮胎，传感器模块安装在内胎外面的垫胎上或嵌入垫胎中；对无内胎轮胎目前大部分为此类，传感器模块可固定在轮毂上。此外，签于轮胎的旋转状态，检测数据只能采取无线传输方式。图22是传感器模块的无线发射示意图，图中黑色的小方块表示传感器模块。图22传感器模块发射示意图当传感器模块随着轮胎旋转到远离接收机位置如图22的位置2时，金属轮毂会对无线发射信号产生一定的屏蔽作用，主机模块接收到的信号将会有所削弱。此外，系统工作在室外环境，必须有较宽的工作温度范围。胎压、温度预警系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警，加强汽车高速行驶的行车安全。本课题研究设计的系统是新型的主动直接式轮胎压力监测产品。系统在汽车行驶状态下通过置于轮胎内部的传感器模块实时测量轮胎压力和温度，通过射频方式将测得的状态信息发送到安装在驾驶室内的系统主机，并通过主机的液晶显示器LCD显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，如果出现异常包括轮胎漏气、异常升温、传感器模块电源不足等则发出报警信号。此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，以及受拱型路面的影响，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。有的轮胎磨损重，有的磨损轻，甚至还会出现轮胎的单边磨损不均匀。为了延长轮胎的使用寿命，定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方法。轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。因此，研制的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能。根据美联邦机动车辆安全标准当单个轮胎或平均每个轮胎压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低25或更低时，或者低于规定的最低气压标准无论符合哪种情况，一辆机动车辆上安装的TPMS必须警告驾车者；当任何一个单个轮胎的压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低30或更低时，或者低于规定的最低气压标准无论符合哪种情况，一辆机动车辆上安装的TPMS必须警告驾车者。综上，胎压、温度预警系统的主要功能要求归纳如下1实时监测各个轮胎的压力、温度、模块电源电压，数据无线传输；2可设定各轮胎报警的上下门限；3实时显示监测数据，及时准确报警异常情况；4系统当前时间的显示和更改；5可重新对各轮胎进行定位，便于轮胎保养换位及更换；6CAN通信接口，方便与车载ECU联机；7与PC通信能力，便于功能扩展以及数据的进一步分析处理；8可检查并判断检测传感器故障，并予以告警；9停车时系统的自动关闭。结合前文所述，给出系统主要技术指标要求1体积小，重量轻，便于安装和保持轮胎的动平衡2功耗低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作，最好寿命在510年；3RF射频信号接收灵敏度高，抗干扰、发射功率低并符合国际规范；4通信信道的可靠和稳定性，对轮胎压力和温度的异常不能漏报和误报；5较高的测量精度；6汽车级工作温度范围40125，且符合相关标准并经济适用。222系统方案论证与设计TPMS根据其获取轮胎压力和温度的方法分类，可分为两大类第一类是间接式，即通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。上海通用别克轿车安装的即是这种间接式TPMS，即当汽车行驶时，轮胎气压监测系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析，当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也发生相应变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预设的标准值比较，即可判断出轮胎气压过高或过低。该类型系统的主要缺点是无法对速度超过100公里时的情况进行判断。同时，由间接式判断轮胎缺气的原理可知，当多于两个轮胎同时低压或高压时，系统将无法正常工作；第二类是直接式，这是一种通过温度、压力传感器精确测定轮胎压力和温度的方式，所测定的数据需要通过无线方式发送到主机模块处理，但是需要增加额外设备和成本。由于直接主动式TPMS精度高，技术成熟，能很好地满足人们的需求，因此选用直接有源式TPMS。直接有源式的TPMS根据轮胎模块有无电池供电又可以分为主动式和被动式，主动式TPMS有电池供电，而被动式TPMS，则用一个中央收发器代替直接有源式TPMS中的中央接收器，安装在轮胎中的转发器TRANSPONDER代替发射器，接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器。被动式TPMS虽然不需要电池供电，但也涉及到模块的取能问题，在目前没有更好的解决方案，或者将来利用车轮机械能转换成电能利用也是一个办法，因此选择主动式。在本文的设计中，进一步加入了一些新的结构和功能，使之更加合理、安全、可靠和人性化。TPMS系统通过植入轮胎内部的传感器实时采集轮胎压力、温度、锂电池电压、加速度信号，所采集的数据经过微控制器的初步处理后，利用RF无线射频方式发送至安装在驾驶室的接收器上，并通过LCD实时显示，当出现异常情况，立即启动告警信号。另外，各TPMS器件生产厂商所提供的产品性能各有优点，考虑到产品的综合性能，选择FREESCALE最新推出的MPXY83XX系列胎压监测传感器作为核心器件。MPXY83XX采用FREESCALE的系统级封装工艺，集成有一个8位S08内核的微控制器512BRAM，16KBFLASH；一个SMARTMOS射频发射器多种波特率选择，支持FSKASK调制模式以及一个压力传感器和温度传感器；带有探测器和解码器的低频LOWFREQENCY，LF输入；也可以包含一个可选的单轴Z，或者双轴Z加X加速计，用来进行运动监测及轮胎位置识别；过温关断；供电电压检测由LFO驱动的低功耗唤醒计时器和周期复位；工作温度范围为40125，压力范围为1001500KPA。MPXY83XX系统封装解决方案旨在满足全球汽车的安全需求，实现精确、及时的胎压监控，系统高度集成、经济高效、其专有的低功耗技术使TPMS电池寿命能延长到10年。基于MPXY83XX设计的系统原理框图如图23所示。图23系统原理框图此外，该系统还设计有与车载ECU和外部PC通信的接口，有利于用户实现所需要的拓展功能。在本方案中，MPXY83XX完成对轮胎压力和温度的检测包括系统电池电量和汽车加速度的检测、检测数据的初步处理、ID发射，而处理监控单元主要完成RF接收、数据的最终处理和显示、CAN和USB通信、人机接口以及预警等。其中，处理监控单元选用FREESCALE推出的汽车电子级MCU即MC9S08DZ60、高灵敏度RF接收芯片MC33594，器件的具体参数和应用电路设计见第四章。23本章小结本章主要介绍了TPMS系统原理，分析和提出了TPMS系统的性能参数要求，并在此基础上进行了系统方案的论证和设计，进行了器件的比较和选型，选择FREESCALE最新推出的具有高集成度的智能轮胎传感器模块，确保后面整个系统设计的低功耗、高集成度、模块化和更小型化。第3章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计轮胎参数检测与发射模块主要完成对轮胎压力、温度、模块电池电量甚至包括Z轴向和X轴向加速度的检测，检测数据经过初步处理后通过RF发射到安装在驾驶室的中央接收模块。其性能要求主要有检测精度高、无线通信可靠、低功耗等。31轮胎参数检测模块设计根据前面的方案论证设计，轮胎检测模块以FREESCALE的MPXY83XX为核心，因为该芯片集MCU、压力传感器、温度传感器、电压检测、可选的单轴Z或双轴Z和X加速计于一体，具有两个键盘输入中断KEYBOARDINTERRUPT，KRI，只需要极少量的外围器件就可以构成一个完整的检测发射系统。外围器件主要包括少许电容、电阻、发射天线、供电用锂亚电池等。因此，整个系统可以做得很精简，印刷电路板PRINTEDCIRCUITBOARD，PCB板面积小，且性能较好，功耗低，安装方便。具体实现原理图如图31所示。图31轮胎检测发射模块原理图VCAP引脚处电容C14的作用是充当内部充电泵升电路的负载电容。当系统供电电池的电量不够时，为了保证通信的可靠性，则可以利用内部的充电泵升电路给天线发射提供更多能量，以保证无线通信的成功，如果不采用此功能时则VCAP脚必须悬空。PTA0PTA6引脚均可以作为通用IO使用，但是如果没有使用则必须都接地。为了节省电能电池供电，检测模块只在特定的时间间隔内，进行传感器数据采集、分析以及RF发射，而大部分时间里处于低功耗的休眠状态，当然，可以通过PWU时钟或者LF两种方式唤醒。这个特定的时间间隔取决于MPXY83XX内部的低频振荡器LOWFREQENCYOSCILLATION，LFO和唤醒周期。32系统低功耗设计轮胎传感器检测模块装置安装在轮胎内部，一般是多年才更换一次，所以要求检测发射模块更稳定、更可靠和更低功耗。在本文设计中，从两个方面着手一是低功耗器件的选择；二是低功耗管理机制。低功耗具体措施如下1MPXY83XX本身的高集成度和很低的待机功耗待机电流014A；2时钟频率、晶振的启动时间措施。同等条件下，系统功耗与时钟频率和晶振的启动时间均成正比，即时钟频率越高，功耗越大，晶振启动时间越长，功耗越高；3休眠与唤醒机制。此机制的实现在于采用高效的系统管理算法，由于MPXY83XX内嵌的是一个8BIT的S08系列的MCU，其工作模式有正常行模式RUNMODE、后台运行模式ACTIVEBACKGROUNDMODE、等待模式WAITMODE、停止模式STOPMODE，每种模式的功耗不同，后台运行模式主要是在进行代码开发时用；而在等待模式下，CPU关闭，系统时钟继续运行，系统电压调节部分保持工作；停止模式下，系统时钟停止，具体又包括4种状态停止模式L，停止模式2，停止模式3，停止模式4，列表这4种状态下MCU内部资源的运行情况如表31所示。根据本系统设计，选择停止模式L。表31MCU停止模式比较表中的OPTIONALLYON是指在某些条件的具备或者使能的情况下，则可以启动该选项中的资源，PERIODICALLYON指周期性开启。需要注意的是在TPMS应用中，LFO，PWU和参数寄存器始终保持为上电开启状态。4RF发射包括发射功率、发射次数。RF发射功率的合适选择配合天线，发射次数的抉择当检测到压力或者温度等参数没有达到变化阈值，不启动RF发射，即只有当检测参数发生一定程度的变化，或者出现任意参数达到或超过预警阈值则启动RF发射，因为在合理的情况下，减少RF发射次数能有效降低功耗；5电池的选择。传统的锂电池在40低温时丧失电能，在100高温时会自动放电。而锂亚电池优秀的高低温特性使其成为目前TPMS能源的最佳选择，能很好地满足TPMS宽温度范围的要求，此外，为了使其能供电35年，则必须设计好电源管理方案。33无线发射单元设计RF无线通信单元主要负责实现从轮胎检测模块到中央处理模块的数据通信，即给中央处理模块发送轮胎各参数，包括轮胎识别ID码、轮胎压力、轮胎温度、模块电池电量等，那么保证通信的可靠是系统设计的关键之一。而无线通信的可靠性与通信协议的选择、发射天线的设计以及发射的功率等因素有关。现分别从这些方面来进行轮胎检测模块无线发射单元的具体设计。331天线匹配网络及设计天线的基本功能是将发射机或传输线过来的高频电流或导波能量转变为无线电波并传送到空间；在接收端，则是将空间传来的无线电波能量变为向接收机传送的高频电流或导波能量。天线在无线传输中起到传输纽带和中继的作用，其性能好坏直接影响到无线通信的效果。天线技术涉及天线的几何形状、材料和介质等诸多因素。TPMS发射器的天线靠近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。在TPMS系统中采用印刷电路板小环天线LOOPANTENNA，其结构简单，易于加工。环形天线的形状可以作成矩形、三角形、正方形或圆形等。若圆环的半径B很小，即环的周长C仅为工作波长的一部分，当C2B02时，称为小环天线，此时沿线电流的振幅和相位变化不大，按均匀分布。有时为了提高小环天线效率，可采用多匝环及磁加载的办法。总之，可以通过选择天线的结构形式、尺寸、电流分布等来满足使用者所要求的电特性，故其具有设计灵活的突出优点。此外，天线匹配网络至关重要，如果没有设计好，则会造成很大的能量损耗，直接影响到发射模块的有效传输距离，进而影响到无线通信的可靠性。1、天线的主要性能指标描述天线转换电磁能量能力的大小、辐射性能的好坏主要取决于其应用环境和系统的总体要求。通常有如下一些指标1天线的输入阻抗。输入阻抗定义为天线输入端电压与输入端电流的比值，即31IZIUI当输入电压和输入电流同相时，输入阻抗呈纯阻性。一般情况下输入阻抗包含有电阻及电抗两部分，即JX。天线的输入阻抗取决于天线的工作原理、结构尺寸、IZIR周围介质、工作环境及工作频率，输入电阻又包含辐射电阻和损耗电阻。接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载。因此，天线的输入阻抗与发射或接收机的输出阻抗的匹配程度直接决定了无线能量的传输效率。2天线的方向性系数和增益。天线的方向性系数表示天线将能量集中辐射的程度，定义为在辐射功率相等的条件下，天线在某个方向的辐射功率密度S与理想点源理想点源向四周均匀地辐射，也称为无方向性天线或各向同性天线。作为一种参考天线，理想点源在天线分析中起着重要作用的辐射功率密度之比，即式32中，是所讨论天线的辐射功率；是理想点源的辐射功率。而增益G是指在相同的输入功率下，某天线产生于某点的电场强度的平方与无耗理想点源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值，通常以天线在最大辐射方向的方向性系数作为天线的方向性系数，同理，增益也是。天线增益G与方向性系数D的关系为其中，为天线效率，表示天线在能量变换上的效用。且有是天线的接收功率，是天线的输入反射功率。和为天线的辐射阻抗和损耗阻抗。对于电小天线，馈线和匹配网络中的损耗非常严重，由于天线为电小的，故输入容抗很高，输入电阻很小，需要串入一个大电感来消除容抗以满足谐振条件。因此，在考虑电小天线的效率时，还应考虑匹配电路损耗功率。则天线的辐射效率。可以表示为3反射系数和驻波比。反射系数定义为沿着传输线的某个固定空间位置的发射电压波与入射电压波之比。它描述了特性线阻抗和天线输入阻抗之间的阻抗失配度，即则电压驻波比可表示为当天线的输入阻抗与传输线阻抗ZO不匹配时，就在传输线上形成驻波。驻波比表明天线的阻抗与传输线阻抗的失配程度。当VSWR1时，系统完全匹配；当VSWRI5时，系统匹配优良；当VSWR2时，系统匹配良好；当VSWR3时，系统匹配程度尚可适用；当VSWR35时，系统匹配差。描述VSWR，反射系数和发射功率之间的关系如表32所示。表32VSWR、反射系数和反射功率的关系4天线的极化和带宽。天线极化是描述天线辐射电磁场矢量空间指向的参数。由于电场和磁场有恒定的对应关系，故一般都以电场矢量空间的指向作为天线辐射电磁波的极化方向。根据天线在其最大辐射方向上电场的极化形式来定义天线的极化，可以分为线极化、圆极化和椭圆极化。在同一系统中，收、发天线的极化必须相同。若接收天线的极化与入射平面波的极化一致，则称极化匹配，极化效率为1，否则，则称极化不匹配，接收功率损失。天线的各种参数，包括天线方向图、输入阻抗、增益等都和频率有关，天线的频带宽度是指其主要电气指标如驻波系数、增益、主瓣宽度、副瓣电平、极化特性、相位分布等均满足设计要求时的频率范围。若同时对几项指标都作具体要求时，则应以其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。总之，天线的带宽是一项综合性的技术指标，为了系统使用的需要，在设计时有时候得采取折中的办法。2、天线的结构对于一很小的环来说，如果环的周长远小于/4，则其方向图和环的实际形状无关，即环可以是矩形、三角形或其它形状的。TPMS系统的发射模块一般设计成矩形，据此，一般也将TPMS系统发射天线设计成矩形。这种环天线可以用细导线、薄金属板、印刷电路线或其它材料组成，在TPMS系统的应用中，为制作简单，降低成本和确保结构牢固，采用印刷电路线组成。其结构如图32所示。图32矩形环天线示意图小环天线的阻抗可以等效地用电路参数表示，如图33所示，表示辐射电阻，表示损耗电阻，L表示环结构自感，则环天线的输入阻抗为图33小环天线的等效电路面积为A的印刷电路板小环天线在波长在时，辐射电阻为环形天线的损耗电阻忽略介质损耗用环形天线周长P、线宽W、磁导率、电导率、频率F表示为环形天线的电感L用周长P、面积A、线宽W、磁导率表示为而天线的效率则可以表示为利用和失配系数以及增益G，可以把天线系统的增益表示成3、天线匹配网络一般信号源阻抗和负载阻抗不会正好共轭匹配，即，在射频电路设计中，为了实现信号源到负载无相移最大功率的传输，在信号源和负载之间以及各模块之间插入一个无源网络，通常这种无源网络被称为匹配网络，如图34所示。实际的匹配网络不仅仅可以减小功率损耗，它们还具有减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等功能。图34匹配网络示意图图34中输出匹配网络的负载是天线，而输入匹配网络的负载是下一级输入回路。匹配网络可以分为L型网络、T型网络和型网络，而L型网络一旦确定了源阻抗和负载阻抗后，则其品质因素为固定值，那么就达不到控制的要求，所以设计时从后两种匹配网络模型着手。针对MPXY83XX设计输出匹配网络，具体实现如图35所示。图35匹配网络设计目前，用于TPMS系统的发送器IC一般工作在260470MHZ的ISM公共频段，最典型的为315MHZ和434MHZ。在这里，针对MPXY83XX设计出适当的匹配网络，并给出工作于这两个频段的小环天线匹配网络的具体参数值。环形天线到发送器IC阻抗匹配的完整模式必须包括偏置电感、PAPOWERAMPLIFIERS的输出电容、引线、封装、寄生参量等，为了达到更好的设计效果，使天线的效率达到更高，在最后的调试中可以适当对匹配元件进行少许修改。具体匹配网络参数如表33所示。表33匹配网络参数设计列表表中所列匹配网络LL、L2和C3的值在采用小环天线是可行的，如果采用外部天线EXTERNALANTENNA，即图35中与电阻R1相连接的天线，则匹配网络必须相应的修改。并且，根据MPXY83XX的数据手册，设定此天线为一个50的负载。如果不是，则可以一边测试，一边适当修改图35中的C4、C5和R2参数值，从而最终获得期望的输出功率。332无线通信协议设计实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须采用基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而相应改变，即所谓的载波调制。本文设计采用无线数字调制。与模拟通信方式相比，数字通信抗干扰能力强，无噪声积累，便于加密处理，便于存储、处理和加密，并且数字通信设备便于集成化、微型化，便于构成综合数字网和综合业务数字网。当然，数字通信信道频带较宽，但是随着宽频带信道光缆、数字微波的大量利用以及数字信号处理技术的发展，带宽已经不是主要问题了。在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波，这是因为正弦信号形式简单，便于产生和接收。数字调制也有调幅、调频、调相三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。因为无线信道条件的恶劣，目前大多数无线接收解调芯片对频移键控FSK和幅移键控（ASK都利用本地稳定的相干载波信号，采用相干调制方式即同步检测法。另外，MPXY83XX也只提供两种调制方式ASK和FSK。L、调制方式选择决定误码比特率大小的主要因素是功率信噪比SN，由于信号功率是整个已调波序列的信号平均功率，在同样载波幅度A时，大一倍。也就是说在相同的误码率情况下，FSK较ASK可节省2倍信噪比，即在同样信噪比下，FSK比ASK有更佳的性能即更低的误码率。在数字通信中，人们所关注的是尽可能降低误码率，所以针对本文设计选择FSK调制方式比较合适，且其实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。2、编码方式选择通信协议是通信的关键技术之一，是关系到通信性能的因素之一。一般情况下，通信内容按照一定的编码方式由一系列连续码型实现，因此，通过获得通信码型序列，并根据其分析出通信的起始标志、通信编码的方式、编码规则以及信息码传递的内容是获得通信协议的关键。本系统设计采用曼彻斯特编码MANCHESTER形式MPXY83XX提供曼彻斯特编码和二相编码两种方式，曼彻斯特编码是一种超越传统数字传输极限的编码解码方法，其第一个优点是它的同步性，解决了常规方法里没有时钟的缺点。曼彻斯特编码是将普通NRZ非归零二进制数据与其位率时钟相异或相同，见图39。图39曼彻斯特编码由图可以看出，若传送信息为“1”，曼彻斯特编码由高电平跳变到低电平；若传送的信息为“0“，则编码由低电平跳变至高电平；如果有连续的“L“或“0“信息出现，则曼彻斯特编码保持“1或“0“时跳变，即经过编码后，信息“0“与时钟一致，信息“1与时钟相反，也就是说曼彻斯特编码是一种相位调制。当NRZ数据始终未为“0或“1“时，由图可看出曼彻斯特编码信号的频率与位率时钟相同，为。当NRZ数据总是“0”和“1“交替变化时，曼彻斯特编码信号的频率是位率时钟的一半L2时，且与NRZ数据频率相同，相位提前90。曼彻斯特编码的最大传输频率是时钟频率F，最小频率是时钟频率的一半F/2。因此，曼彻斯特编码不仅使传输信号的信息内容增加，而且也将NRZ信号的频带上移，见图310所示，同时去除了NRZ数据中零频率成份。图310曼彻斯特编码将频带上移综上所述，曼彻斯特编码是将基带的NRZ信号，经过时钟调制后，变为频带传输信号。它不仅去除了NRZ信号中接近零频率的分量，更时候远距离传输，而且增加时钟信息，具有良好的抗干扰能力和自同步能力。但由于每一个码元都别调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的12。同时由于是用方波中心的跳变沿来传递信息，所以存在极性反转而引起译码错误的可能。比如一串“111111”序列，只要误判脉冲有半比特时间的误差，将被译成“000000”。而需要帧同步来避免这种情况的发生。3、通信协议数据帧格式在无线通信中，数据帧通常是由一些具有特定含义的字节组合在一起构成的。它主要包括指示通信打包类型的包类型字节；表明包长度的字节；表明通信的发起者、接收者和目的地的地址字节；表明数据包内容的载荷字节及对内容进行校验的校验字节。此外，通信协议的一个最重要的事就是能够识别噪声和有效数据，噪声是以随机字节出现的，并没有明显的结合方式，噪声源可能产生任意字节的组合，在无线通信的过程中最好能通过一种协议能有效的抑制噪声、发现有效的数据。因此在无线通信中必须在数据包之前加上前导字节，其主要的作用在于使接收机稳定、便于带串行外设接口SERIALPERIPHERALINTERFACE，SPI的异步接收机准确发现起始位。当轮胎模块中的MCU决定要发送数据由传感器采集到的温度、压力等数据时，通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块，随后发送数据帧，其数据帧格式如下表34所示。表34数据帧格式其中状态位反映了轮胎检测模块的电池电压、快速或者慢速无线发射等信息。在实际的通信过程中，定义不同的状态位对应的含义如表35所示。表35状态位定义34TPMS检测发射模块的安装一般的TPMS包括4个以上发射模块一个轮胎里面安装一个和1个TPMS接收模块安装在驾驶室。为了提高系统的接收和抗干扰能力，系统安装时可以在汽车底盘安装接收天线。在车身上的具体安装图如图311所示。图311TPMS安装示意图涉及到发射模块的具体安装位置和形式可以分为两种一种是通过改装气门嘴，将传感器模块安装在气门嘴位置上。如图312，这种方式由于要替代原厂的气门嘴，整个模块必须经过轮胎部件的相关设计和生产认证，手续比较繁杂，这是其一缺点，此外，这种安装方式还要求能通过汽车行驶速度为200KMH时的离心力测试。另外一种则是利用钢带将模块紧箍在轮毂上，此方法实现容易，安装简便，为大多数厂家或用户采用。钢带跟模块之间的绑定可以设计一个具有限位导槽的塑胶外壳，PCB板可以固定在此导槽内，这种方式的缺点就是轮胎内热有可能引起钢带的膨胀，导致检测模块的松动和移位。当然，无论采取那种方式，安装完发射模块都必须对轮胎重新做动平衡检验。图312传感嚣模块气门嘴内置安装方式35本章小结本章主要进行轮胎检测模块的硬件设计，包括轮胎状态的检测、数据的初步处理和RF发射，涉及到系统低功耗的处理措施和为了保证无线通信的可靠性，进行了无线通信协议编码方式、调制方式等、发射天线天线结构和匹配网络的详细设计。此外，介绍了轮胎检测模块在汽车轮胎上的安装方式。第4章中央接收与处理模块的硬件设计中央接收与处理模块的功能主要包括RT接收、数据处理、LCD显示、外置编码存储器数据读入、通信以及智能识别轮胎系统是否安全，并提供不同等级的报警信号等。41中央接收与处理模块总体设计中央接收与处理模块原理图如图41所示。由专门的RF接收芯片进行RF的接收、信号解调和初步处理，然后通过同步串行接口SPI发送给控制处理微控制器。微控制器进行进一步的信息融合和数据处理，完成结果显示并根据一定的预警算法判断何时给出何种报警信号。为了适应汽车电子发展的需要，本系统还设计有CAN通信功能，便于与车载ECU通信，实现对汽车更优化、人性化的控制。此外，为了调试的方便和满足用户更多的需求，设计了系统和PC之间的通信接口。按键设置主要完成功能选择和预警阈值的设定。图41中央接收与处理模块设计图42核心微控制器及RF接收单元设计S08系列是FREESCALE迄今推出的集成度最高、扩展性最好的8位微控制器，具有更高性能，更低开发成本和能够节省更多的开发时间，同时也降低了主板空间，在汽车电子应用中具有更高可靠性，也能满足汽车级电子产品工作温度范围。根据系统设计性能的要求以及产品性价比，兼顾整个系统开发层面的因素，综合考虑选择控制器FREESCALE的8位汽车级微控制器MC9S08DZ60。RF接收芯片选择由FREESCALE推出的单片集成PLL调谐UHF数据接收器MC33594。FREESCALE还提供经过优化的HCS08微控制器专用CODEWARRIOR集成开发环境50版。MC9S08DZ60主要性能特点如下1片内60KBFLASH，4KBRAM，多达2KB的EEPROM；2内置1个CAN，2个SCI，1个SPI，1个12C总线接口；3系统CPU工作频率达到40MHZ；4工作电压范围27V55V；52个定时器脉宽调制器TIMERPULSEWIDTHMODULATER，TPM；6多功能时钟生成器MULTIFUNCTIONALCLOCKGENERATOR，MCG；7实时计数器REALTIMECOUNTER，RTC等。微控制器最小系统单元具体设计原理图如图42所示。图42最小系统单元原理图图42中，PTF4、PTF5、PTE0、PTEL作为外置编码存储器接口电路用于轮胎ID定位，在后面有具体介绍；PTA0PTA7、PTB0PTB7作为LCD液晶操作接口；PTD2PTD6作为按键输入，PTD7作为按键输入中断信号，设计中只要有任意按键按下，则给微控制器产生一个外部中断，此引脚为了抗干扰的需要，引入了一级RC低通滤波；微控制器利用SPI口工作在从机状态与外部RF接收芯片MC33594进行通信，获取轮胎参数数据。MC33594内含660KHZ的中频带通滤波器、完整的压控振荡器、可消除镜像的混频器、曼彻斯特编码时钟再生电路以及完整的SPI接口、在运行模式下电流消耗仅为5MA，睡眠模式电流消耗为115A、数据传输速率为111KBS、最快唤醒时间为LMS、RF接收灵敏度可达106DBM，可用于设计315MHZ434MHZ的OOKFSK接收电路。MC33594芯片内部结构可分为射频部分和控制部分。射频部分由能消除镜像干扰的混频器、660KHZ的中频带通滤波器、自动增益控制级和OOKFSK解调器组成；控制部分则包含有数据管理器、配置寄存器、串行接口、状态控制器等。MC33594的串行接口采用MOTOROLA公司开发的三线制SPI串行外部接口总线协议。通过SPI接口可对超高频UHF接收器的数据解调类型、数据率、UHF频段、ID控制字等进行初始化编程，接收到的数据也可以在数据管理器工作时从SPI端口输出。MC33594与微控制器之间的通信一般通过SPI进行，其SPI接口通过以下三个输入输出引脚来实现操作串行时钟SCLK；主控输出受控输入MOSI；主控输入受控输出MISOD。微控制器可通过引脚STROBE选通MC33594，也可让MC33594内部工作在等待休眠循环模式下来降低功耗，在引脚STROBE上加高电平就能将处于休眠状态的MC33594激活。当接收电路工作在315MHZ频段时，应选择9864375MHZ晶振；工作在434MHZ时，选13580625MHZ的晶振。RF接收单元具体原理图如图43所示。图43RF接收原理图在图43中由L1、C10、C11构成天线匹配网络，电容C2的选取与RF接收方式有关，在OOK模式下，为固定的100士10NF；在FSK模式下其容量与通信的DATARATE有关，两者之间对应关系如表41所示。表41C2与通信速率的关系表FSK模式电源管理主要指中央接收处理系统的电源供应。因为系统只能从车载12VDC取能，并根据系统设计参数需要，选择微控制器工作电压为5VDC。此外，由于设计有CAN通信接口，为了提高系统的稳定性，采取CAN通信接口的光耦隔离措施，那么电源管理单元需要提供与微控制器系统5VDC隔离的另外一路5V直流电源。综上，为了兼顾提高电源利用效率，减少不必要的损耗因为如果采用一般的线性稳压器件，则会导致有7V的压差损耗在该器件上，发热量大，选择TI公司的开关电源管理芯片TPS54233。TPS54233具有35V至28V的宽输入电压范围，可调输出电压低至08V，支持高达2A的连续输出电流，高效率，固定300KHZ的开关频率，典型L雌的关断静态电流，可调慢启动限制浪涌电流，可编程UVLO阈值，能提供瞬态过电压保护、循环周期电流限制、频率倍回和热关机保护、外围器件简单的SOIC8封装。电源管理单元主要原理图如图44所示。图44电源管理原理图图44中，为了使输出电压纹波较小，性能较好，输出滤波电容C4可以选择性能较好的钽电容，根据需要容量可以选择4709F，而二极管D1则必须选用肖特基二极管。通过DCDC0505隔离模块所得到的5V电源专为CAN通信驱动芯片使用。43差错检测技术设计TPMS实时监测轮胎状态，并给予驾驶员相应提示以避免交通事故的发生，这就要求系统具有高可靠性、高准确性。因此，除了轮胎检测模块中的传感器要求达到一定的精度外，还要求无线通信的稳定性和一定的抗干扰能力，从而保证接收数据的准确即接收和发送数据一致。射频信号在传输过程中，由于无线信道的传输特性不尽理想，本身固有的衰弱和时变特性以及无处不在的加性噪声干扰，使得在接收端不可避免产生误码干扰。要提高通信的可靠性，除了前面所讲述的选择合适的调制解调方式外，必须通过信道编码，即差错控制编码来提高通信系统的可靠性。差错控制是针对于干扰信号破坏了传输信号的内在结构或者码元的前后关联性，使得接收端在受到消息后无法明确恢复原理信码的情况，而在传输的信息中增加一定的冗余量，使其内部关联性加强。这样，即使信号受到干扰使内部结构遭受一定程度的破坏后，在接收端仍可根据其前后的关联性或规律习惯正确地还原出原来的信息。信道编码就是为了提高通信的可靠性，通过加入特定的、有规律的冗余码元来减少比特差错率，以降低信息传输速率为代价，以有效性换取可靠性。差错检测控制方式一般包括三种自动重传请求AUTOREPEATREQUEST，ARQ方式、前向纠错FORWARDERRORCORRECTION，FEC方式和信头差错控制HEADERERRORCONTROL，HEC方式。ARQ方式需要反馈信道，译码简单，对突发错误和信道干扰比较严重时有效，实时性不够高；FEC方式不需要反馈控制通道，能单向通信，可进行一对多的通信，硬件上译码设备较检码设备复杂；HEC方式又称混合纠错方式，这种方式集ARQ和FEC方式的特点于一身，能最大限度检错和纠错，实现起来复杂，在TPMS中，采取ARQ方式，由于无线通信的单向性，所以这里的差错控制只具有检错功能。差错检测是一种能够发现或检测到差错的方法，其前提是进行检测冗余编码，基本思想就是在发送原始信息后根据一定的规则插入特定的冗余信息，接收端根据既定的规则来检测是否满足双方约定的条件。差错检测方法一般有奇偶校验、校验和、循环冗余码校验CYCLICALREDUNDANCYCHECKING，CRC几种方法，比较各检测方法如表42所示。表42差错检测方法比较为了确保数据通信的可靠性，采用CRC校验。为了确保数据通信的可靠性，采用CRC校验。CRC校验码就是在一个K位二进制信息码元之后附加一个R位二进制校验码序列，从而构成一个总长为NKR的二进制码元序列。发送端利用CRC算法计算出待发送数据的CRC校验码，并附加在待发送数据的末尾，一起发送出去。接收端接收并检查数据和CRC码之间的数学关系，并判断是否正确，若不正确，则说明数据在传输过程中出现误码，可以给用户予以提示。44人机接口硬件设计人机接口HUMANMACHINEINTERFACE，HMI包括LCD显示、按键输入两部分。LCD显示主要包括显示每个轮胎的ID识别码在界面上分别显示为前右、前左、后右、后左、其对应的压力、温度、声光报警、通信状态、当前时间、检测模块当前电池余量等。根据人机界面所显示的内容要求，选择通用型带汉字字库图形点阵式液晶显示模块，北京青云科技公司提供的LCM24064LED背光，有黄绿模式、蓝模式、黑白模式可以选择，每屏可以显示4行，每行15个汉字，液晶与微控制器之间采用并行通信方式，微控制器通过PTA0PTA7和PTB0PTB7完成对液晶显示屏的操作，其中PTA口作为控制线，PTB口作为数据线；综合简约和功能需要设置5个按键上、下、左、右、确认，外加一个电源按钮P，来完成系统的开关机、数据的输入采用增减的方式、功能的选择等。为了提高显示的可靠和稳定性，LCD和微控制器间的连接线均进行一级RC低通滤波理设计。按键电路除了进行防抖和滤波处理外，采取中断函数扫描按键的方式，即所有按键信息都经过与门芯片连接到微控制器的外部中断口，这样，任意键按下都会给系统产生一个中断信号，在中断程序里进行键值扫描。LCD初始界面如图45所示，具体功能参数界面如图46所示，胎压预警阈值和时间设置界面如图47所示，轮胎ID识别设置界面如图48所示。图45主显示界面图46具体数据显示界面图47胎压预警阀值、时间设定界面图48轮胎ID设置界面45联机通信单元设计联机通信主要实现TPMS与其他车载或外部设备之间的信息共享问题，比如当TPMS与车载ECU通信，将轮胎的情况压力大小、温度高低、是否泄露气等实时反映给ECU，而ECU则根据此信息修改对汽车的驱使动作，达到更舒适、安全甚至省油的目的；当TPMS与车载电控稳定系统ELECTRONICSTABILITYPROGRAM，ESP或ABS信息共享。将车轮实时行驶状态包括停止、运动状态、速度大小甚至是转弯情况反馈给它们，优化控制达到行车更安全和稳定的目的；当TPMS通过USB接口与外部设备进行通信，比如PC，则可以进行历史数据的查询和分析等功能。451与ECU通信设计车载ECU可以称为行车电脑或车载电脑现在不但在发动机上有应用，在其它许多地方也都可以发现它的踪影，例如防抱死制动系统、4轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统和多向可调电控座椅等。而现在汽车电子在这方面的发展趋势则是TPMS和ECU的联合使用，由TPMS给ECU提供轮胎状态信息，由ECU综合判断以进行更优化性能的控制。另外，汽车电子的应用环境具有一定的复杂性，车载电子设备的通信也成了比较关键的问题，德国BOSCH在