TPMS汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现(1)

1、专：j 、 硕士学位论文 作者姓名 整拉拉 指导教师金自盎 学科( 专业) 鎏焦盏焦皇：丞绫 所在学院 焦：塾茎瞳 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 摘要 t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 即轮胎压力监视系统，主要用于对汽车胎压 进行实时自动监测，并在监测到轮胎状况异常时进行报警、甚至预警，以保障驾乘者的行车 安全。随着人们自我保护意识的不断加强和有关法律法规的出台，越来越多的人开始关注 t p m s ，也使得这项技术在最近几年有了很大的发展：从最初的以比较轮胎转速进行胎压

2、估 计的间接式t p m s 到现在广泛研究的依靠传感器直接测量的直接式t p m s 。 本文详细介绍了t p m s 系统的系统原理，框架性结构和该技术的应用现状和发展历程及 趋势；分析研究了t p m s 设计时所涉及的信源编码、射频调制、天线、多普勒效应的影响等 诸多关键技术；并以具体应用环境为研究出发点，在轮胎定位重定位、天线设计、软硬件低 功耗设计等方面做出了一定程度的创新：同时结合理论，详细给出了一个使用电池的直接式 t p m s 系统软硬件工程开发的全过程。在实验室环境下对整个系统做了软硬件测试，测试结 果表明系统的主要设计指标均达到了设计要求。 关键词：t p m s胎压子

3、午胎螺旋天线低功耗设计轮胎定位胎压趋势估计 多普勒频移 i 塑曼塑圭堕堡些型墨堑堕茎壁茎查塑壅塑三堡塞望 a b s t r a c t t p m si st h ea b b r e v i a t e df o r mo ft i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e r n w h i c hi su s e dt o g e tt h ei n t i r ep a r a m e t e r sa n dr e p o r tt h e mt oc a rd r i v e r , e s p e c i a l l yw h

4、 e nt h et i r e sa r ei nb a d c o n d i t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h em a s s ss e l f - p r o t e c tc o n s c i o u s n e s sa n dt h ed e v e l o p m e n t o fr e l a t e dl a w s ，t p m si si n c r e a s i n g l yg a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w h i c hr e s u l

5、 t si n w i d e ra n dd e e p e rr e s e a r c h e si n t oi t n o w a d a y s o l dw a y sl i k ew h e e l s p e e db a s e d ( w p b l t p m sl sg r a d u a l l ya b a n d o n e db e c a u s eo fp o o ra c c u r a c ya n da m b i g u o u sa l a r m i n g a n d p r e s s u r e - s e n s o rb a s e

6、d p s b ) t p m sh a sf o u n d 1 sp l a c e t h ea u t h o r f i r s t l y i n t r o d u c e st h e s y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r ea n dh i s t o d c f u t u r e d e v e l o p m e n to ft p m ss y s t e m 。a n a l y s i st h ed e t a i l e da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n d

7、d e i g n p r i n c i p l e s ，t h e ns t u d i e sa l it h er e l e v a n tt h e o r i e si i k es o u r c ec o d i n g 。只fm o d u l a t i o n ，a n t e n n a a n de t o b a s e d0 nt h a tf o u n d 削o n a ir e s e a r c h s o m et e c h n i c a il m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o n a r ep

8、r o p o s e d ，i i k et h er e c o g n i t i o na n dr e - r e c o g n a t i o no ft i r e s ，r e a l i z a t i o no fi o wp o w e r c o n s u m p t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g no fb o t ht r a n s m i t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a s ，e t c i nt h e e n d ，aw h o l ed e s i g n

9、p r o c e s so fap s bt p m si sd e s c d b e di ne v e r yd e t a i l ，i ti sp r o v e dt ob e w i t hg o o dp e r f o r m a n c ea c c o r d i n gt ot e s t i n g k e yw o r d s ：t p m s t i r ep r e s s u r em e d d i a nt i r eh e l i xa n t e n n a t i r er e c o g n i t i o nl o wp o w e rc o

10、n s u m p t i o nd e s i g n p r e s s u r e t r e n de s t i m a t i o n d o p p l e re f f e c t n t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 第一章绪论 自从人类文明进入工业时代，汽车就逐步成为了世界上最主要的交通工具。如何保障行 车安全一直是人们关注的焦点。学者们通过大量的调查和数据积累，总结出汽车安全与轮胎 的工作状况密切相关。因此t p m s ( 1 q r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 轮胎压力监视系

11、统 的研究成为了汽车工业的又一大热点。 1 1t p m s 系统 2 0 0 0 年，由于f i r e s t o n e 轮胎的质量事故，造成超过1 0 0 人死亡、4 0 0 人受伤， f i r e s t o n e 被迫于2 0 0 0 年8 月收回6 5 0 万只轮胎，引起美国政府高度关注。事后分析事 故主要是由于亚充气的轮胎在行驶过程中从车体分离导致了追尾1 1 1 。如果当时的汽车安装了 t p m s 系统，那么这样的惨剧就可以得到避免。提高驾乘安全性是使用t p m s 最大但不唯一 的好处，此外还具有方便性、经济性、环保等多方面益处。 1 、汽车行驶安全性要求 在汽车

12、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、 恶性交通事故发生的重要原因之一。 据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有7 0 是由于爆胎引起的，而在美国这一比 例则高达8 0 ；轮胎压力过低和过高引起的交通事故占到总量的1 0 。8 5 的压力下降 是。缓慢刺穿”的过程。9 5 轮胎爆胎是因为轮胎在压力不足的情况下超负荷工作吲。 车辆在高速公路上行驶时一旦爆胎，驾驶员思想准备不充分极易造成车辆侧滑和不规则 翻滚，轻者自撞护栏，重则与其他行使车辆发生碰撞甚至车毁人亡后果不堪设想。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。另外，汽车现有安全措施，如a

13、b s 、 e d s 、e p s 、安全气囊等，均是“事后被动”型安保，即在事故已经发生时才起到保护人身和 汽车的安全作用，轮胎气压监视系统属于“事前主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时 报警，采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态。 2 、用户使用方便性要求 大多数用户不是每天进行必要的轮胎气压检查，而仅凭肉眼观察或用脚踢轮胎是无法正 确判断轮胎气压的。 图1 1不同充气状态下的轮胎 在长途、高速驾驶过程中经常地检查气压是必须的。t p m s 系统则可以实时显示轮胎参 数。 3 、经济性要求 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 延

14、长轮胎使用寿命：非标准气压行驶，将会使轮胎寿命缩短。科学统计表明，缺气行驶 时，车轮气压比正常值下降1 0 9 6 ，轮胎寿命将减少1 5 o 。见图1 2 。口l 辘胎竟气低于拣灌拯 差瓣瀚小汽苇的轮脯鏊肇豁奏 图1 2胎压过低与轮胎和油耗之间的关系 减少油耗：而如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，油耗也会随之上升。车轮气压比正 常值下降1 0 ，单位汽油行程数会下降2 。 避免车辆部件磨损：汽车在轮胎气压过高的状态下行驶，日积月累对发动机底盘及悬挂 系统将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，则会造成刹车跑偏，从而增加悬挂系统磨损。 基于以上三点，当前美国已经将t p m s 系统规定为继a

15、b s 、a b r s 之后第三个立法的汽 车安全电子产品。应2 0 0 0 年颁布的车辆召回促进、责任和文件提供法案( - r r e a d 法案) 的要 求。国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 颁布含有两个部分的最终准则。设立了新的联邦机动 车辆安全标准，要求机动车辆安装轮胎气压监视系统，以便在轮胎严重缺气时警告驾车者。 本标准适用于载重量不高于1 0 0 0 0 磅的所有客车、卡车、多用途载入车辆和公共汽车，一轴 双轮的车辆除外”j 。 据现在的记录，国家公路交通安全管理局暂时相信四个轮胎，低于标准气压2 5 的报警 选项最符合t r e a d 法案要求，鄄当单个轮胎

16、的胎压比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低 2 5 或者更低时，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t p m s 必须警告驾车者”j 。 同时n t h t s a 提出了汽车生产商的执行时间表：美国市场出售的汽车配备t p m s 系统 的比例：2 0 0 5 年1 0 月5 日达到2 0 ，2 0 0 6 年9 月1 日达到7 0 ，2 0 0 7 年9 月1 日达到 1 0 0 h l 。 1 2 汽车爆胎原因 爆胎是一种复杂的轮胎破坏现象，其原因是多方面的。据统计和专家分析，引起汽车爆 胎的原因主要有负荷、气压、速度、胎面温度、路面、车架、轮毂等。

17、 图1 3于午胎结构 轮胎缺气行驶是爆胎的祸根。现以无内胎轮胎( 即子午胎) 为例剖析如下：为了提高轮 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 胎的强度，在其帘布层外围加有一层钢丝( 带束层) ，这种结构的轮胎强度高，散热条件好， 只要气压状况好，非常适应高速行驶。结构如图1 3 所示。但它也有一个极大的弱点，最怕 缺气行驶。如果轮胎气压过低，轮胎变形，下沉量增大，胎温因摩擦增加而急剧升高，导致 轮胎变软强度下降；同时过热状态会加速子午胎钢丝与橡胶的老化、变形、甚至内部断裂。 这些都可能造成爆胎意外【4 j 。 综合起来爆胎主要有四大祸因： 1 、 轮胎漏气，轮胎因被铁钉或尖

18、锐物刺扎导致渗漏气、慢撒气引起爆胎。 2 、 轮胎气压过高使胎内帘线受力过度而变形，轮胎弹性下降使汽车行驶中负荷加 大，还会加快胎冠磨损。如受到冲击很易爆裂。 3 、 轮胎气压过低，会使胎体增大变形，造成胎侧开裂，同时使轮胎接地面积增 大，加快胎肩的磨损，也会导致过度摩擦生热，使橡胶老化、帘线折断，最终导 致爆胎。特别是当汽车在高速行驶( 速度超过1 2 0 k m h ) 时，还容易产生“谐振动” 现象而引发巨大的谐振作用力，此作用力最容易导致受伤的轮胎产生突然爆胎现 象，由于此现象发生于高速行驶时，危害极大。轮胎气压缺气行驶，轮胎的下沉 量增大，在急拐弯时容易投生“胎壁着地”的现象，而胎壁

19、是轮胎最薄弱的地方，“胎 壁着地”最容易导致发生突然爆胎现象。 4 、 胎面温度超过9 5 度。当汽车高速行驶时，速度越高，胎面温度上升也越快。当温 度超过9 5 度时，胎体帘线即遭到破坏，轮胎便有爆炸的危险。 爆胎的主要原因是设计t p m s 系统的关键依据。从中可以看出，t p m s 系统必须对温度 和胎压同时监控，但是像对于温度，胎压显得更为重要。 1 3t p m s 系统的发展历史 国际市场，1 9 9 7 年，通用汽车公司开始使用间接式t p m s ；2 0 0 0 年5 月，直接式t p m s 在美国上市；2 0 0 2 年发布的世界新车资料中显示，美国福特公司的林肯大陆

20、、戴姆勒克莱 斯勒公司今年夏天上市的道奇( d o d g e ) 迷你厢型车，以及c h r y s l e r 3 0 0 m 等系列车型，都将装 设直接式t p m s 。许多欧洲的汽车厂商也已将直接式t p m s 配装于自己的中高档车型之中， 其中包括：宝马公司的z 8 、欧宝公司2 0 0 2 年版威达、雪铁龙公司的c 5 ，阿斯顿马汀公司 的超级跑车v a n q u i s h 、旁蒂克的旗舰b o nn e v i l l e s e 等等。国内汽车制造巨头也已开始考 虑将t p m s 作为原厂装备的标准配置。日本a l p s 电气2 0 0 3 年5 月从德国l q -

21、 m o b i lg m b h 获得了不使用电池的t p m s 技术并签订了独家专利授权合同，借用该技术开发的t p m s 已 通过欧洲和美国的电波法认证试验，于2 0 0 4 年6 月起提供下业样品，2 0 0 5 年量产供货9 j 。 中国也在2 0 0 0 年前后通过引进技术的方式开始了t p m s 的生产，2 0 0 2 年起，随着国外 t p m s 品牌大举登陆中国和我国汽车行业高速发展的背景下，到2 0 0 4 年我国形成在一股研 发和生产t p m s 的高潮。 目前国内t p m s 市场还处于比较艰难的发展时期。市场充满风险。但从长远来看，前景 非常看好。据预测，

22、2 0 0 7 年中国t p m s 市场将出现增长的“拐点”，今后几年我国t p m s 市 场都将保持翻倍的速度快速增长。 1 4t p m s 系统的分类和结构 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 纵观各大公司开发设计的t p m s 系统，可分为如f 两种类型，一种是间接式t p m s ( w h e e l * s p e e db a s e dt p m s ，简称：w s bt p m s ) ，另一种是直接式t p m s ( p 怕s s u r e s e n s o r b a s e d t p m s ，简称p s b t p m s ) 。

23、每个系统都有自己的优缺点：间接系 统相对便宜，使用时，已经装备了4 轮a b s ( 每个轮胎装备1 个轮转速传感器) 的汽车只需 要对软件进行升级，但是测量准确度低，在某些情况下此类系统会无法正常工作。直接系统 可提供更高级的功能和准确度，可随时测定每个轮胎内部的实际气压，很容易确定故障轮胎， 但相对价格较高。 1 、间接式t p m s 间接式t p m s 系统主要通过汽车a b s 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别， 以达到监视胎压的目的。在汽车行驶时，当轮胎的气压降低时，车辆的重量会使轮胎直径变 小，轮速变快。经过综合分析，这种变化可用于触发警报系统来向司机发出警告。此类型系

24、 统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过1 0 0 公里d , 时的情况进行 判断，也无法满足n h t s a 提出的偏离正常2 5 报警的要求1 1 q 。从市场的占有率来看，间接 式t p m s 作为t p m s 的先驱将逐步淡出。 2 、直接式t p m s 直接式t p m s 系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利 用无线通信的方式与驾驶室内监控器进行通信，显示并监测各轮胎气压，当轮胎气压过低、 过高、有渗漏或者轮胎内温度不正常时时，系统都可议自动报警。许多欧洲的汽车厂商已将 直接式t p m s 配装于自己的车型之中，其中包括：德国

25、宝马的z 8 、法国雪铁龙的c 5 、英 国阿斯顿马汀的超级跑车v a n q u i s h 、林肯大陆、克莱斯勒与道奇( d o d g e ) 迷你箱型车以 及c h r y s l e r3 0 0 m 与c o n c o r d el i m i i e d 客车、旁蒂克的旗舰b o n n e v j l l es e 等等，梅赛德 斯- 奔驰s 级轿车最新的改进也将t p m s 作为选装件。图1 4 是一个集成了遥控车锁装置的 直接式t p m s 系统的构架。 蓖1 4 集成了遥控车锁装置的直接式t p m s 系统的实现 图中的l f t x 实现了低频唤醒功能。发射模块

26、在汽车轮胎内的安装有二种方式，一是利用紧 箍扣安装在轮毂上，这是晟早的办法，但振动后会移位。二是利用气门咀安装，这是目前使 用最多的。见图1 5 。无论采用哪种方式，安装完t p m s 发射模块都必须对轮胎重新做动平 衡检验。 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 图1 5 胎压遥测模块安装位置 目前直接式t p m s 主要可分为两大类。 1 、使用电池方案。即固定于轮胎内部的胎压遥测模块用自带电池供电工作。这也是当前市 场的主导类型。 其中的胎压遥测模块功能性框图如图1 6 。 图1 6胎压遥镕l 模块框图 由以下几个部分组成：( 1 ) 具有压力( 温度、加速度、电

27、压) 检测和后信号处理a s i c 芯片组合的智能传感器s o c ；( 2 ) 4 8 位单片机( m c u ) ；( 3 ) r f 射频发射芯片；( 4 ) 电池； ( 5 ) 天线。因为轮胎内恶劣的工作环境，所有组件、材料都要满足- 4 0 c l j + 1 2 5 的使用温 度范围。 t p m s 传感器是一个集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、数字信号处理单元、 和电源管理器的片上系统模块。为了强化胎压检测功能，有不少t p m s 胎压遥测模块内还增 加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗，和带1 2b i t a d c 、4 k b y t ef l a

28、s h 、2 k r o m 、 1 2 8b y t er a m 、12 8b y t ee e p r o m 及其它功能的a s i c 数字信号处理单元或m c u 。这些 功能芯片使得t p m s 传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且 还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、节省电能等功能。电源管理器确保系统实现低功耗， 使一节锂电池可以使用3 - 5 年。 t p m s 的压力传感器都是用基于m e m s 技术来设计生产的，主要有硅集成电容式压力传 感器，如m o t o r o l a 的m p x y 8 0 2 0 、m p x y 8 0 4

29、0 ；硅压阻式压力传感器，如g en o v a s e n s o r 的n p x l 、n p x 2 ，i n f l n e o n s e n s o n o r 的s p l 2 、s p l 2 t 、s p 3 0 。硅压阻式压力传感器采用 高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，其测量精度能达 0 0 1 0 0 3 f s 。 对于r f 发射芯片t p m s 的工作频率北美标准为3 t5 m h z ，欧洲标准为4 3 3 9 2m h z ， 5 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 韩国为4 4 8m h z ，已有人建议新标

30、准为8 6 8m h z 。其发射功率义不能超过1 0 d b m ，否则要 接受无线电管制。工作模式有a s k 、f s k ，其中f s k 抗干扰较好。 图1 7 为中央监视器功能框图。 图1 7中央监视器框图 t p m s 中央监视器主要由u h fa s k f s kr f 接收l c 和信号处理m c u 、键盘、l c d 显示器 组成。r f 接收l c 和m c u 可独立封装，也可集成在汽车仪表箱内，带控制键盘的l c d 能实 时显示每个轮胎的压力、温度，和每一个轮胎的i d 识别码，以及详细的报警信息。由于接收 系统是工作在汽车车厢内，其环境温度是常温而且变化不大

31、，电源可以使用汽车的1 2 v 或 2 4 v 电源，因此对器件选用只要是工业级即可，省电的要求也不高。 r f 接收i c 选用时一般考虑需要较高的接收灵敏度，以提高t p m s 的工作效率和降低整 个系统的生产成本，a t m e l 的t 5 7 4 3 、i n f i n e o n 的t d k 5 2 1 0 的标称灵敏度都达- 10 0 d b m 以 上。这种使用电池的直接式t p m s 系统有两个主要缺点。 电池的使用时间直接影响整个胎压遥测模块的使用时间。一旦电池耗尽，模块即须更换。 因为从安全性考虑，轮胎内部电路需要做成密封，更换电池和把传感器从轮胎内取出的成 本较

32、高，所以该模块就是一种一次性产品。一般情况下只有和轮胎一起更换。一般的公路 车行驶3 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 k m 需要换一次胎，折合到时间4 至5 年必须更换。所以系统中胎压 遥测模块的使用寿命也应该达到4 至5 年。另外，也正是由于封闭性，所以自产品下生产 线之刻起，遥测模块便开始耗电，所以产品实际使用寿命应该为出厂值减去安装之前的消 耗。所以对这种类型的t p m s 系统而言，低功耗设计至关重要。 胎压遥测模块质量较大。仅电池的重量一般就在1 0 9 左右。胎压遥测模块的安装会使轮胎 质量分布不均匀，偏在车轮的内侧或外侧。从而引起车轮中高速时产生偏摆振动。若要使重 量

33、均匀分布就必须进行轮胎动平衡校正。这也是所有直接式t p m s 系统安装后必须做的 一步。未装轮胎时，轮辋的不平衡度应不大于0 0 4 - 0 0 5 n m 装上轮胎后，车轮的不平衡度， 应不大于0 10 0 12 n m 。轮辋边缘允许的平衡块重量不大于7 0 9 ”。对轮胎而言，外来物 质量越大，动平衡越难做，一旦超出配重可调节范围，必将会导致车辆高速行驶时的抖动。 2 、无电池方案。即轮胎内部传感器不使用电池供电。目前有两个发展方向，能量来源 分别为r f i d 中读头的发射功率和汽车行进过程中的机械能。 无线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi

34、d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种非接触式的自动识别 技术，其基本原理是利用了射频信号和空间耦合( 近距离的电感或远距离的电磁耦合) 传输 特性，其中电感耦合依据的是电磁感应定律，而电磁耦台则是以雷达原理为模型，发射出去 的电磁波碰到目标后反射同时带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。射频识别系 统一般由两个部分组成，即电子标签( t a g ) 和阅读器( r e a d e r ) 7 1 。在t p m s 系统中，t a g 6 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 即附着于胎压遥测模块，r e a d e r 则

35、由接收模块来完成 3 1 。 以r f i d 技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是其中的一员。该 公司和西门子v d o 汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带r f i d 卡传感器。 该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具 有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记 录。采用无电池方案的厂家，除了美国固特异轮胎橡胶公司之外还有开始提到的日本a l p s 。 其公布的系统结构如下： b i d i r e c t i o n a lr fs i g n a l 2 4 g h z

36、 图1 8a l p s 无电池t p m s 系统示意图 该产品的胎压遥测模块仅重6 克( 不包括阀重) ，可以正常工作的温度范围为4 0 c 到 1 5 0 ，调制部分使用了跳频技术以实现高传输可靠性。经测试，其支持的最大行驶速度达 到3 3 0 k m h 恻。 据时代光华通过对国内上百家t p m s 企业大规模调研后显示：目前国内从事t p m s 研 发和生产企业有5 0 多家，9 0 以上的t p m s 产品是直接式产品，气门嘴安装是大多数产品 采用的安装方式。从技术来看，t p m s 技术主要来自于m o t o r o l a 、i n f i n e o n 、g e

37、等三家外资 企业。 1 5 论文的结构 本文作者本着学以致用的科学研究态度，在对t p m s 现状和发展趋势做了充分的分析之 后对所涉及的关键技术展开了深入地研究，并将研究成果付诸于实践，实现了一个使用电池 的直接式t p m s 系统。 文章共分六个章节： 第一章为概述，介绍了t p m s 系统的框架性体系结构、历史发展和技术趋势、应用环境、 设计依据等。 第二章对t p m s 系统关键技术进行了研究。对信源编码、射频调制、天线技术、轮胎定 位和多普勒频移对信号接收的影响等方面做了详尽的数值分析和研究，并在对实际无线传播 环境进行分析后，提出了一种具有一定创性意义的天线结构。 第三章提

38、出了一个直接式t p m s 系统的设计要求。在比较和分析了目前该领域主要实现 方案后确定了本系统工程实现采用的设计方案。并简单介绍了系统设计过程中涉及的主要工 具软件。 第四章和第五章则详尽介绍了一个使用电池的直接式t p m s 系统的软硬件实现。在第二 章主要理论的支持下，结合工程应用思考和经验，介绍了硬件关键电路设计，软件构架及算 法的实现过程。 第六章给出了系统的部分软硬件测试结果，验证了本t p m s 系统设计具有一定的优越性。 并对t p m s 的发展和作者后续研究工作做了进一步的展望。 7 ；j o t p m s 汽午眙压监测系统的关键技术研究和工程实现 即附着于胎压遥测

39、模块，r e a d e r 则由接收模块来完成1 3 。 咀r f i d 技术作为研发智能轮胎的基础，美国固特异轮胎橡胶公司就是其中的一员。该 公司和西门子v d o 汽车配件公司合作，成功研发出一种钮扣电池般大小的带r f i d 卡传感器。 该传感器除了能够感知轮胎内的气压、胎体温度的变化并发射反映这种变化的信号外，还具 有标识轮胎的功能，也就是说，它既可用于轮胎气压监测，还可以用于轮胎历程可追溯性记 录。采用无电池方案的厂家，除了美国固特异轮胎橡胶公司之外还有开始提到的日本a l p s 。 其公布的系统结构如下： t r a n s p o n d e ry 豢誊? 镬銮f 逐圈

40、b i d i r e c d o a a t 酶s i g a a t 3 4 g i z 幽18a l p s 无电他t p m s 系统示意例 该产品的胎压遥测模块仅重6 克( 不包括恻重) ，可以正常工作的温度范围为- 4 0 - ( 2 到 1 5 0 c ，调制部分使用了跳频技术以实现岛传输可靠性。经测试，其支持的最大行驶速度达 到3 3 0 k m h 6 。 据时代光华通过对国内上百家t p m s 企业大规模调研厉显示：目前国内从事t p m s 研 发和生产企业有5 0 多家，9 0 以上的t p m 8 产品是直接式产品，气门嘴安装是大多数产品 采用的安装方式。从技术来看

41、，t p m s 技术主要来自于m o t o r o l a 、i n f i n e o n 、g e 等三家外资 企业。 5 论文的结构 本文作者本着学以致用的科学研究态度，在对t p m $ 现状和发展趋势做了充分的分析2 后对所涉及的关键技术展开了深入地研究，并将研究成果付诸于实践，实现了一个使用电池 的直接式t p m s 系统。 文章共分六个章节： 第一章为概述，介绍了t p m s 系统的框架性体系结构、历史发展和技术趋势、应用环境、 设计依据等。 第二章对t p m s 系统关键技术进行了研究。对信源编码、射频调制、天线技术、轮胎定 位和多曹勒频移对信号接收的影响等方面做了详

42、尽的数值分析和研究，井在对实际无线传播 环境进行分析后，提出了一种具有一定创性意义的天线结构。 第三章提出了一个赢接式t p m s 系统的设计要求。在比较和分析了目前该领域主要实现 方案后确定了本系统工程实现采用的设计方案，并简单介绍了系统设计过程中涉及的主要工 具软件。 第四章和第五章则详尽介绍了一个使用电池的直接式t p m s 系统的软硬件实现。在第二 章主要理论的支持下，结合工程应用思考和经验，介绍了硬件关键电路设计，软件构架及算 法的实现过程。 第六章给出了系统的部分软硬件测试结果，验证了本t p m s 系统设计具有一定的优越性。 并对t p m s 的发展和作者后续研究工作做了

43、进一步的展望。 7 a t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 第二章t p m s 系统关键技术研究 2 1 信源编码方式 为t p m s 系统选用曼彻斯特编码。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一个跳变，高到 低的跳变表示”从低到高跳变表示0 。该跳变做数据信号的同时提供时钟信号。还有一种 蔫分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示0 或- 有跳变为0 ，无跳变为”1 。对不归零序列0 0 110 1 的曼彻斯特，差分曼彻斯特编码结果如图2 1 所示： ii b l 曼彻斯特编码 l i liii lii li iilli 1r 1 巾ir

44、 1 向i ! 。 幻差分蔓彻斯蒋编码 图2 1曼彻斯特编码 在信源编码中使用曼彻斯特编码的原因主要有以下几个 1 、曼彻斯特编码的占空比为1 ：1 。故编码后序列没有直流分量。避免因为接收机中 放大器的零漂及后端积分比较器对信号直流电平判断错误的而造成解码电路的 误判。 2 、曼彻斯特编码可以为接收电路提供同步信号，是一种非常典型的自同步编码方 式。所谓自同步就是指能从数据信号波形中直接提取同步信号的方法。 3 、曼彻斯特编码后码字是有限的，只可能是十六进制数5 ，a ，6 ，9 的各种组合。 所以只要将数据帧同步码取为这些组合以外的某一个序列，就可以完全避免帧头 的误判( 虚警) 。 4

45、、曼彻斯特编码比较简单，适合处理能力比较弱的系统使用。 可见，曼彻斯特编码不仅实现方式简单，而且具有良好的抗干扰性能和自同步能力。但 由于每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1 ，2 。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“0 0 0 0 0 0 ” 序列，只要判决出脉冲有半比特时间的误差，就将被译成“11 1 ”( 表示随意码字) 。更 甚者，当实际信号为0 、1 交变序列，如“0 10 10 1 ”时，接收端解码器将会认为数据无效! 这正 是需要帧同步来杜绝的情况。 为了在t p m s 系统中正确接收数据，数据帧头

46、部需要开销前导码和帧起始定界码。前导 码用于实现收发双方时钟的同步。 8 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 2 2 射频调制方式比较与选择 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f s k ，a s k 都利用本地稳 定的相干载波信号，采用相干解调方式。下面假设信道中只存在加性噪声，比较a s k tf s k 调制系统的抗噪声性能 2 2 1 a s k 调制解调系统 对于二进制的振幅键控系统，在个码元的持续时间内，其发送波形可以表示为 墨( r ) 一 _ ：萎霎：，篙 其呐( r ) i f 竺：? 笺t ： i 为二进制码元的宽度 调制后波形如图2

47、 2 ( 圈中三角波实际为正弦波) ，a s k 调制，相干解调系统框图2 3 厂 能舻一 y i ( 图2 3相干解调a s k 调制系统 在每一段时间( 0 ，t ) 内观察，输入端的波形可以表示为 y l ( 小黜删嚷；嚣 式中心( r ) 是u ，( t ) 经传输后的波形。为简明起见，我们认为信号经传输后有固定的损耗且 未产生畸变，则 u 胁1 0 a c o s c o d 0 其 铲t 而n if t l 表示加性高斯白噪声。当带通滤波器恰好可使信号完整的通过，则它即滤去了带外 的高斯自噪声，输出 巾，州苗? 蛤震等 式中n ( r ) 为高斯自噪声带通后的噪声。 n ( f )

48、 - n 。( f ) c o s n i f 一“，( t ) s i n o 口, t 时 时 可以看作一个窄带高斯过程，且它可以表示成 9 - t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 巾，- 臁$ 篡蒿獬i 鬈：筹 相干解调后的输出 球) 一协旦鬃；葛 考虑n 。( f ) 是方差为吒( 带通滤波器输出噪声平均功率) 的零均值高斯随机噪声，则系统信 蚍肌专，可得 。- p ( 五 x 2 ) - p ( a + 。一h 2 。o ) 假设e ( 1 ) p ( o ) ，系统总误码率 只- 扣书珂( 鼍州，叫击) 】 6 为判决门限，取最佳厶一三，得到 只一1 ( 1-

49、 纠壶卜1 咖 2 2 2 f s k 调制群调系统 f s k 用个载频表示“0 ”，另一个载频q 表示“n 载频之间的切换在瞬间完成a 已 调信号的数学表达式： 卅删兹；篙 吣( r ) _ f 缸掣j 豁正 ( f ) - a c 。o s e 0 2 t 0 其 1 舭= 届硝一目( 1 _ ，) 1 d 一2 亡。 f - 三_ l ：o 0 2 肌m 、f 2 z + 4 3 4 1 0 “4 z * 1 0 。* 1 1 + 1 0 5 所以，钢层厚度只要超过0 1 m m 就可以对电磁波起屏敝作用。 1 3 i 叩 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 波在

50、介质中的阻抗 z ：r f l + 1 r：盟：2”*434106*4a10-700210-3。343t10-2q 22 由此可见轮毂对于微波可以视为短路。于是轮毂也成为发射天线的一部分，反射一部分电磁 波，从而改变天线方向性。 4 、钢丝层对电磁波传播的影响 子午胎对电磁波传播的影响可以从两方面分析，首先把子午胎钢丝层之间的空隙看成一 个长度为钢丝层直径的矩形空气波导，考虑这个空气波导的影响；其次是钢丝层的影响。由 于钢丝也是电的良导体，正如前面分析轮毂一样，它相对于微波可以看作短路。所以也对波 的传播特性有着不确定的反射影响。 。f 面重点分析空气波导对微波传播的限制作用。 k ：t 传播

51、方向z ( a ) 图2 9 ( a ) 参考坐标系) t e l 0 模在波导中的传播方式 先来看矩形波导的色散方程，假设波沿着z 轴正方向传播。 再一一 其中珊为频率；，u 为波导介电常数，磁导率：a ，6 为矩形波导宽边，窄边长度。 t t t ，l 代表波导的模式：满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布叫做波导的模式，不同 的模式有不同的场结构。掰挖用以区分场在横截面驻波半波数的个数。 l 一0 ，表示电场在 芹方向没有分量；n 一0 ，表示电场在y 方向没有分量。 图2 9 ( b ) 示意的是一个t e l 0 模在矩形波导中传播时电场和磁场的形式。实线为电场矢 量，虚线为磁场矢

52、量。 由这个方程可知，对于一定尺寸的波导和一定形式的波模式，横向传播常数 七墨为一个常数，这样，当0 3 由小变大时，将出现三种情况： 1 ) t 2 2 肛，k ：为虚数，则波的传播因子e 业4 成了衰减因子，说明波不能传播。 2 ) t 2 导。0 6 9 ，得到4 0 6 9 m 。 。 m ， 2 因为a 的物理意义，所以所有t e m 0 波都能无障碍通过。 但是，从图2 7 可以看到，对一个空气波导的垂直极化波对另一个波导而言确可能是水 平极化，而胎压遥测模块是跟随轮胎转动的，为了尽景减少接收盲点，就需要电磁波在透过 轮胎后的方向图是全向的。所以。追求单纯的极化方式并不利于天线的方

53、向性。 2 3 2 t p m s 天线设计原则 t p m s 天线只有设计成符合本系统的要求才有真正的应用价值。需耍从天线方向图、增 益、效率、极化特性等多角度考虑天线设计。在讨论t p m s 天线设计原则之前，先简单介绍 设计相关的天线基本参数 天线效率：彳正。瓦争毒 辐射效率小乏 圈2 1 0天线参数示意图 1 5 p ，a d ：辐射功率 p r e f ：输入端反射功i p 。：天线接收功率 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 ff 单端口网络散射系数：s l l i r = 二l + 只。 方向性系数：定义为在相同的辐射功率下，天线在空间某点产生的电场强度

54、的平方与理想无 旃雌源天线在驴点产生的电场强度平方的魄啪卅一4 z r z 等t 磐式 中( 只) 距离天线r 处( 极坐标为( ( 口，) ) ) 的时间平均坡印廷功率密度，e i 为该点电场强度 幅值。 天线增益：g a - 一- e q 从这些基本概念可以看到，具有全向方向性特征的天线是不可能获得高增益的，而当天 线辐射方向图确定了之后，天线在空间固定某点的增益与天线输入端匹配程度和天线辐射效 率成简单的正比关系。有时候为了达到匹配，会在输入前端加匹配网络，此时s 参数可能 非常理想但是对系统而言匹配网络增大了功率的损耗相当于降低了天线总效率。同时 输入端匹配的改变以及为提高辐射效率而对

55、天线结构的改变会反过来影响天线的方向图。所 以天线，特别是尺寸受限的电小天线，设计本身就是一个权衡得失的过程。 弗利斯功率传输方程描述了天线系统中，发射天线的输入功率产、收发天线( 最大) 增 益g r a , 、波长和通信距离r 与接收天线最大接收功率即资用功率e 2 _ n 鄯j 关系。其分 ， 贝形式为： p ( d b m ) 一只( 砌) + q ( d b ) + g ，( d 8 ) 一2 0 l o g 。月( _ b 雄) 一2 0 l o g t 。，( 纰) 一3 2 “” 式中括号内的是变量单位。取p 一0 d b m ，r 一0 0 0 5 k m ，一4 3 4 m

56、 h z ，可得 只- g + g ，一3 9 1 9 目前的接收芯片灵敏度都在8 0 d b m 以上，所以从这个公式看，由于t p m s 系统所要求的 收发距离很近，所以对天线的要求并不高。但是。这是一个非常理想的公式，即认为系统处 于电磁波传播途中没有任何损耗、收发天线最大波束对准、极化方式相同且匹配的最佳接收 条件下。而t p m s 系统传播环境是比较恶劣的，见2 3 1 分析，所以仍需要尽可能的提高天线 性能。 2 3 2 1 发送端天线 1 方向图：接收天线始终位于发射天线上方，如果发射天线固定不动，则其方向图最佳为 最大波束向上且偏向汽车驾驶台：但是四个轮胎中的发射天线是要跟

57、随轮胎转动的。所 以方向圈最好能具有一定的全向性。 2 效率。天线效率越高越好。要求辐射效率高并且输入端匹配度高。 a 极化特性。考虑到天线的旋转以及后面将讨论的轮胎结构，为了减少接收盲点，应尽可 能的实现圆极化或椭圆极化。 2 3 2 2 接收端天线 天线是可逆的，所以可以将接收天线视作发射天线考虑。 1 方向图：t p m s 系统中由于车底盘和车门的金属结构，一般的，电磁波只能从车窗透 过。接收天线置于驾驶台上，正好与车窗同高。所以设计时应尽可能的增大水平方向增 t p m s 汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现 益。因为其他方向的电磁波虽然反射后也可以透过车窗，但是期间会有能量损

58、失。 2 效率。效率分析和发送端的分析相同。 3 极化特性。为了实现最佳接收，接收天线的极化方式应与来波的极化方式匹配。所以也 应该设计成圆极化或椭圆极化。极化方式失匹意味着接收信号能量很小甚至没有，一个 纯垂直极化的天线根本无法接收一个纯水平极化的来波。 2 3 3 t p m s 天线设计 根据前一小节的分析以及t p m s 系统的微型性，将t p m s 天线设计为全部( 部分) 发 向模螺旋天线加倒f 结构是比较可取的。 2 3 3 1 螺旋天线 螺旋线能大大地减小电磁波延螺旋线轴向传播的相速，作为一级近似，电磁波延螺旋线 轴向轴向传播的相速和电磁波在自由空间的相速之比等于螺旋线的螺距和每匝周长之比。从 另一个角度考虑，螺旋线增加了感抗，所以即使在轴线方向上天线的长度远小于普通谐振单 极天线或偶极子天线，也很容易满足谐振条件，与相同轴长的单级天线相比，有定的效率 优势。 1 螺旋天线结构 螺旋的结构如图2 1 1 c = * o ( c ) 图2 1 1 ( a ) 参考坐标系( b ) 螺旋天线结构c ) 螺旋单周长展开 用来描述螺旋天线的参量有： d ： 螺旋直