汽车轮胎压力监测系统的研究和设计.pdf

分类号：!竺：密级：一一单位代码：1Q 3 堕一学号：婴业!型盟!夺肚工学火警H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y硕士学位论文M A S T E RD I S S E R T A T l 0 一论文题目：汽车轮胎压力监测系统的研究和设计学位类别：学历硕士学科专业：(工程领域)控制理论与控制工程作者姓名：导师姓名：完成时间：沈俊峰鲁照权副教授2 0 0 6 年5 月R e s e a r c hA n dD e s i g no fT i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e mA b s t r a c tA l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ee x t e n s i o no ft h er o a dt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k，a n dt h es a f e t yp r o b l e mo fp e o p l e sl i f ei sc a u s e d，a n dt h ea m o u n to ft r a f f i ca c c i d e n t si si n c r e a s e d T h ep r o p o r t i o no ft h et r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e dt i r ep r e s s u r ei sv e r yh i g h，a n dt h i sc o n d i t i o nm a k e sp e o p l ec o n c e n t r a t eo nt i r ep r e s s u r eo fd r i v i n ga u t o m o b i l e T i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gt e c h n i q u ei sv a l i dt e c h n i q u ew h i c hc a nd e c r e a s et h ea m o u n to ft r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e db yt i r ep r e s s u r e T h i sa r t i c l ea n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft i r ep r e s s u r eo nd r i v i n gs a f e t ya n dt i r eu s a g et i m e a n de x p l a i nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc i r c u m s t a n c eo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nT i r ep 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)c u r r e n t l y；T h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ec u r r e n tT 瑚Si si n t r o d u c e d，a n dt h ea d v a n t a g ea n dw e a k n e s so ft h ed i f f e r e n tt y p et i r ep r e s s u r em o n i t o rs y s t e ma r ec o m p a r e d，a n dt h ep r i n c i p l e so fv a r i o u st y p eT P M Sa r ee l a b o r a t e d：T h es t a n d a r do fc h o o s i n go i lv a r i o u sd e v i c e so fT P M Sa r ei n t r o d u c e d，a n df u n c t i o n so fv a r i o u sd e v i c e sa r ee x p l a i n e d，a n dt h e i ra d v a n t a g ea n dw e a k n e s sa r ec o m p a r e d；Ap r o j e c to fd e v i c e sc h o o s i n go fT P M Sb a s e do nP I Ci sp u tf o r w a r d：T h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h eT P M Si sa n a l y z e d，a n dt h er e q u e s to fw o r ke n v i r o n m e n ta n ds y s t e mt e c h n i q u eo ft h eT P M Si se x p l a i n e d，a n daT P M Sp r o j e c ti sg i v e n；A n da c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t，t h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sf i n i s h e d K e yW o r d s：T i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS e n s o rS a m p l e S y s t e mR e c e i v e S y s t e m插图与表格清单图1 1 轮胎气压不足与正常时的形状对比图表1 1 不同气压下的行驶里程表图1 2 气压对轮胎行驶里程影响的曲线圈图2 1计算式间接T P M S 的工作原理图图2 2 磁敏式间接T P M S 的工作原理图图2 _ 3 直接式T P M S 的原理图图2 4 机械式T P M S 的压力传感器结构图图2 5 直接主动式T P M S 的结构图图3 1N P X 系列的系统功能框图图4 1 轮胎压力监视系统的总体框图一图4 2 采样端的设计框图一图4 3 接受端的设计框图表5 2S P l 2 的测定值范围表5 3S P l 2 的测量性能图5 1S P l 2 的器件内部框图图5 2S P l 2 的引脚图表5 4S P l 2 的管脚功能说明图5 3P I C l 6 F 8 3 的引脚图图5 4T 5 7 5 4 的引脚图表5 5T 5 7 5 4 主要引脚功能表5 6 状态切换时间表图5 5T 5 7 5 4 的内部功能图图5 6P I C l 6 F 8 3 外接的天线图5 7 采样端的硬件电路图图5 8T 5 7 5 3 的引脚图表5 7T 5 7 5 3 主要引脚功能图5 9T 5 7 5 3 的器件内部框图图5 1 0 数码管原理图5 1 1 数码管管脚排列表5 8 段码表图5 1 2 动态数码管的连接方式图5 1 3 接收端的硬件电路图图6 1 采样端工作流程图图6 2 轮胎发射时序图图6 3 采样端软件流程图图6 4s e n d 0 函数流程图图6 7 数字通信与模拟通信方式抗干扰性能比较图6 _ 8 正弦载波的三种键控波形图6 9A S K 调制信号模型图6 1 0F S K 调制信号模型图6 1 1 曼彻斯特编码格式卫趣J他挎侈加鸵玛筋烈M筋筋巧拍”勰船凹凹如如如”孔鹑弘辩弘”弘弘鲫图6 1 2 接收端通信流程图图6 1 3 接收端软件流程图4 04 1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得盒胆王业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学一名：电锵签字日期：z 6 年s 月2 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒l 王些叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒E B 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)一躲讯峙签字日期：2 9。6 年s 月4 日学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：导师签签字日期：瓣r 月洲珀电话邮编致谢本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的导师的鲁照权老师悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是至U 收集资料、论文成稿，都倾注了鲁照权老师的心血，由衷感谢老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。感谢我的同学周彬和赵询，在三年的研究生阶段，无论是在学习上，还是在生活中，他们给了我很大的帮助。感谢逸夫科技楼8 0 5 A 实验室的同学们，我们在起度过一段美好的学习时光，这将成为我生命中一段难忘的回忆。感谢所有曾经帮助，支持和关心过我的人们!作者：沈俊峰2 0 0 6 年5 月1 5 日第一章绪论1 1 课题产生的背景随着汽车工业的不断发展，交通越来越便利，而随之引发的交通事故也在不断增多，其中由于轮胎的气压引起的比例非常高，这就使得人们需要对行驶中的轮胎气压进行关注。轮胎气压影响着汽车的使用性能和轮胎的寿命。当前，轮胎爆胎，疲劳驾驶，超速行驶已经成为高速公路事故的三大杀手。其中，轮胎爆胎由于其不可预测性和无法控制而成为首要因素。有人曾经用一句话来概括轮胎的重要性：当一个人坐到汽车里面以后，这个人实际上就交给了汽车；一旦汽车行驶起来，这个人实际上就全部交给了汽车。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。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的汽车轮胎气压正常与稳定和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而汽车轮胎压力监视系统(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，简称T P M S)毫无疑问将是理想的工具。在客车和轻型卡车上必须安装轮胎气压监测系统(T P M S)以便在轮胎气压低于规定值时发出警报。于是，汽车轮胎气压监测技术应运而生。1 2 课题研究的目的和意义1 2 1 轮胎压力与行车安全轮胎与行车安全息息相关。近年来汽车安全成为全球汽车界的关注热点。汽车在轮胎气压过低时行驶有如下危害：气压过低，导致轮胎接地面积增大，胎侧屈挠点改变，外层伸张，内层压缩，产生压缩应力，随着轮胎温度升高，易使胶料的物理性能受到破坏，从而导致胎面磨耗不均，轮胎生热快，造成脱层。当轮胎碰到障碍物时，由于冲击力大，胎体帘线易断裂，致使轮胎爆破；轮胎生热高，加速内胎损坏。并装双胎气压过低，相邻的两胎胎侧互相挤压、摩擦而损坏。外胎在轮毂上有时发生转动，易引起气门嘴脱落，而且驱动轮上的轮胎易损坏；轮胎滚动阻力增大，燃料消耗增加，转向性能差；在坏路面上高速行驶，造成胎冠损伤有小洞眼、花纹掉块。在气压过低的情况下继续行驶，造成胎侧内壁帘布损坏、胎肩和胎体脱离、胎里和胎体碾伤。轮胎内压长期低于标准气压，胎体变形，屈挠变形次数增加或移位导致过度疲劳生热，两胎侧帘线脱层松散。气压过高的危害性。轮胎的负荷能力和气压都是在设计时就己给定了。由于内压的增加，轮胎各部位的变形和所受的内应力也相应增加。内压增加只能使轮胎刚性增大，载荷下的变形显得较小而已。胎面胶的橡胶分子链长期处于高度伸张和应力状态下，其耐磨性显著下降，必然导致胎面胶，特别是胎面中部加速磨损。从轮胎结构看，胎冠部位帘布层顶部处于行驶面中心部位，胎内气压向外扩张的作用力在胎冠顶部达到最大值，使胎体产生较大的径向伸长变形。虽然胎面胶有一定的弧高，但由于胎面中部最先与地面接触，所受的冲击力、剪切力和磨耗也最大。如果气压过高，迫使胎面中部产生更大的凸变，胎面弧高进一步增大，胎体帘线和胎面胶都处于过度伸张状态，内应力增大，胎面与地面的接触面积减小，单位压强增加，导致行驶面中部的磨损进一步加剧。图1 1 是轮胎气压不足与正常时的形状对比图。辘螨气压不足一i E 孽蓼妻图1 1 轮胎气压不足与正常时的形状对比图1 2 2 轮胎压力与使用寿命轮胎的使用寿命，在很大程度上和轮胎的使用条件、车辆的技术性能、驾驶员的操作水平以及企业对轮胎的管理工作质量等有直接的关系。标准的气压是轮胎的生命，因此在使用过程中充气压力的过低或过高都会直接缩短它的寿命，甚至引发安全事故隐患。气压与行驶里程的关系气压过低或过高都会缩短轮胎行驶里程。气压过低，轮胎变形为外张内缩，导致生热增加，加速橡胶老化、疲劳，出现脱层现象等；气压过高，轮胎接地面积小，磨耗量增大。内压低于标准气压对轮胎行驶里程的影响见图1 2。从表1 1 可以看出，随着气压减小，轮胎的行驶里程逐渐缩短，使用寿命降低。气压()行驶里程()气压()行驶里程()l O O1 0 07 05 09 59 76 54 09 08 86 03 38 58 05 53 08 07 05 02 77 56 0表1 1 不同气压下的行驶里程表注：标准气压和标准气压下的行驶里程为1 0 0。如果在使用过程中，能够正确地按轮胎的标准气压充气，轮胎在行使过程中会均匀的摩耗；保持了轮胎的最佳负荷承载状态和良好的弹性，可以大大地延长轮胎的行使里程。气压的大小对轮胎的使用性能有直接影响。气压对行驶里程的影响见图1 3。1 0 0标8 0准錾6 0里墨4 02 0O?6 01 0 01 4 0标准内压图1 2 气压对轮胎行驶里程影响的曲线图总之，气压是轮胎的重要因素，它左右着轮胎的使用寿命和各种特性。汽车轮胎压力监视系统将可时刻监视轮胎压力状况；保持行驶中车辆每个轮胎压力足够，防止轮胎爆胎以便行车安全：并且还可节省燃油以及延长轮胎寿命。1 3 国内外研究和发展概况1 3 1 国外研究和发展概况早在2 0 0 1 年美国就通过了T R A D 法案，法案要求到2 0 0 7 年所有在美国销售的新车都必须将T P M S 作为标准配置。美国国家公路交通安全管理局(N H T S A)2 0 0 2 年颁布的法规要求监控器在轮胎气压低于生产商推荐值的2 5 3 0 时向司机报警，建议从2 0 0 4 年开始薪车应安装轮胎气压监控系统(T P M S)。继美国之后，欧洲也制定相应的法规，要求其国内的汽车厂商安装T P M S1 2】【3 l【4】【5 1。在2 0 0 4 年美国印地安纳波利斯博览会上加拿大斯马轮胎设备公司推出了世界上第二套摩托车轮胎专用T P M S；第一套是由英国M e t a s y s t e m 公司2 0 0 2年推出的。该产品能够在摩托车行驶中监测和显示每条轮胎的充气内压和温度信息，如果出现偏差，就会通过报警灯提醒骑乘者注意。日本阿尔卑斯电气公司开发的不需电池的汽车轮胎气压监测系统最近通过有关试验验证，符合欧洲及美国的电磁波相关法律规定，今后将以行驶条件及轮胎种类等因素的影响为中心进行评测，计划在欧美、日本等地进行实地试验，2 0 0 4 年8 月开始提供样品，2 0 0 6 年投入批量生产【6】，国外的T P M S 产品已经相当成熟，能够经受5 7 万公里的使用测试，现在国外的T P M S 的研发重点在于开发无源的T P M S，如采用S A W 这类无源器件的频率变化来监测轮胎压力的变化。1 3 2 中国研究和发展的概况在2 0 0 3 年1 1 月2 4 日颁布的中华人民共和国国家标准机动车运行安全技术条件(征求意见稿)中，对安装轮胎压力检测装置作出了说明：“车长大于6 米的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1 2 吨的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”，“有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发布之日起第2 5 个月开始对新注册车实施”。由于目前国家没有强制性规定必须安装T P M S 装置，而载货汽车的所有权大多属于货运公司，载货汽车轮胎数量多，安装T P M S 装置费用高昂，一般货运公司不愿意承担如此高的费用。而家用轿车轮胎使用环境远比载货汽车好，且城市路面质量高，轮胎可能造成的威胁比较小，私家车主通常不够重视。因此无论前装市场还是后装市场，T P M S 都处于尴尬的地位。但是着眼未来，国家迟早会颁布强制性T P M S 安装规定。尤其大型载货汽车，安装T P M S 是非常必要的。因此市场前景广阔，目前大部分厂家都处在研究开发阶段，出货量不高。全国开展T P M S 研究的厂家接近2 0 0 家，专业的T P M S 厂家大约为3 0 家。T P M S 的研究在中国刚刚起步。目前各厂家的重点并非是如何开拓市场，而是如何提高产品性能和质量。目前国内的T P M S 系统问题不少：车内需配备专用的主机、显示屏；需要在车内固定和接线，安装繁琐、影响美观、整车厂难以配装；不能设定标准胎压、无法保障轮胎合理使用：不具备抗干扰的清晰语音提示报警功能，会造成驾驶员视线转移；因射频效率、编码纠错性能差、在恶劣环境下漏报严重。直接式T P M S 产品无线信号传输的稳定性可靠性不足，电池寿命问题，传感器寿命和耐久性问题。此外，T P M S 零组件主要靠进口，缺乏自主知识产权的产品【7 1。1 4 本论文的内容简介全文的章节安排如下：第一章：主要说明了轮胎压力监测系统出现的背景和研究的目的和意义，分析轮胎的压力对于行车安全和轮胎的使用寿命的影响，介绍了目前国内外轮胎压力监测系统的研究和发展情况：第二章：介绍了目前轮胎压力监测系统的分类，比较了不同类型轮胎压力监测系统的优点和缺点；说明了各种类型轮胎压力监测系统的工作原理；还4介绍了基于S A W 的无源的最新的轮胎压力监测技术；第三章：说明了轮胎压力监测系统中所使用的元器件的选用标准，介绍了若干种元器件的性能，并且比较了它们之间的优点和缺点，最后从中进行选择，给出了一种轮胎压力监测系统的元器件选用方案；第四章：分析了轮胎压力监测系统的功能需求，说明了轮胎压力监测系统对于工作环境和系统技术的要求，设计了轮胎压力监测系统的总体框图和其中的采样端，接收端的原理框图。第五章：根据第三章所选择的元器件和第四章所设计的原理图，分析元器件的工作特性，给出轮胎压力监测系统采样端和接收端的硬件设计图；第六章：根据第四章所做的轮胎压力监测系统的功能需求分析，给出了采样端和接收端的工作流程图，并且设计了采样端和接收端的软件流程图；第七章：总结了本论文所做的工作，说明了设计和研究中的不足之处，对今后还需要加强和改进的关键问题进行了展望。第二章T P M S 的分类及工作原理介绍根据工作原理的本质区别可以将轮胎压力监测系统分为直接式T P M S(P r e s s u r e S e n s o rB a s e dT P M S，简称：P S BT P M S)和间接式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)。2 1 间接式T P M S间接式T P M S 工作原理的本质在于在压力监测的过程中压力信号由轮胎至车体是非接触性传输或者气压值并非有传感器直接给出。目前常见的间接式T P M S 有计算式间接T P M S 和磁敏式间接T P M S。2 1 1 间接计算式T P M S计算式间接T P M S 是通过汽车系统的速度传感器比较轮胎之间的转速差别，来监测两轮胎压力的相对变化以达到监控胎压的目的。它的优点是耐用性强、可靠性高，不需要电池，也不存在受到无线电波的干扰的问题，不需要对汽车轮胎改装，成本比较低：它的缺点是无法对两个以上轮胎同步变化的状态和速度超过1 0 0 公里小时的情况进行判断。在汽车行驶过程中，轮胎的弹簧常数随轮胎气压的变化而发生变化。利用4 个车轮上安装的A B S 车轮传感器产生的波形信号并经过V S C(V e h i c l eS t a b i l i t yC o n t r o lS y s t e m)处理，求出轮胎的共振频率，由此可得轮胎的弹簧常数，在根据轮胎气压和弹簧常数成严格正比关系，最后求出轮胎气压，控制流程如图2 1所示【8 1。轮胎在V S C 控制范围内刁竺V S C C P UA B SA速度1 1 1 排除共振外的杂波-1 设置开关传感器波形处理2 椎算轮胎弹簧常数的变化3 对气压低的判断和处理灯_图2 1 计算式间接T P M S 的工作原理图2 1 2 磁敏式间接T P M S图2 2 为磁敏式间接轮胎气压监视系统组成框图。其中轮胎气压传感器安装在车轮轮毂上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化(由此可见，虽然这里采用了气压传感器，气压值并非有传感器直接给出，故将其归为间接式)，从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。电子控制单元由单片机和外围接口组成，单片机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样，并将数据送人存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎气压值及其状态，通过接口芯片和驱动器，驱动显示报警装置在面板显示轮胎气压或在压力异常时进行声光报警嶂J。气霍信厂压尔号j A D|电子驱l 显示传装处1 转换刮控制b动二刮报警感置理l 单元I器I 装置器L J图2|2 磁敏式间接T P M S 的工作原理图2 2 赢接式T P M S直接式T P M S 工作原理的本质在于是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接测量轮胎的压力和温度，并对各轮胎气压进行显示及监控。它的优点是在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时可以及时向车载无线接收器报警，有效防止爆胎；可以同时监测所有轮胎的状况，并且系统对汽车的行驶速度没有要求：缺点在于无线电波容易受到干扰，感应模块需要的电池存在使用寿命的问题。目前直接式T P M S 主要有直接主动式T P M S 和机械式T P M S，它们的区别在于传感器的类型。直接主动式T P M S 的温度压力传感器一般是植入轮胎内部，而机械式T P M S 的温度压力传感器一般是安装在轮胎的气门芯上p j。|=I=l压发铲央力传卜射控装带U感置监器一兀圈2 3 直接式T P M S 的原理图直接T P M S 还可以分为单向通信系统T P M S 和双向通信系统T P M S。目前大多数直接式T P M S 都是单向通信系统，即只存在从轮胎电子模块到接收机的单向信息通路，轮胎模块工作在完全自主的模式下。轮胎模块监测到胎压温度的变化或出现异常时，就发信息给接收机，但它无法确保接收机能够正确接收到此信息。由于汽车在实际行驶过程中，轮胎气压总是在一定范围内波动变化的，为了检测到轮胎气压的准确状态。程序设计成在2 0 0 次的连续采样次数内，若有连续的2 0 次采得的气压值都属于同一个胎压状态，则认为气压状态是稳定(未必是正常的)的，就可以将该胎压状态发送出去；若在2 0 0 次的连续采样次数内，没有连续的2 0 次采得的气压值都属于同一个胎压状态气压状态，则说明此时气压不稳定，就必须重新开始新轮的连续2 0 0 次采样1 9 J。目前还有学者提出了一种三度E M 的模拟方法，使得设计开发人员能够在初期的设计和研发阶段评估在不同测试环境下T P M S 的性能【l。除单向通信外，还有一种双向通信系统。双向通信是指系统的遥感传感器及射频收发模块响应车体内射频收发和信息处理模块发来的状态报告要求，立即向车体内射频收发和信息处理模块报告轮胎目前的工作状况，遥感传感器及射频收发模块具备无线射频收发功能，永远处于待机状态，无条件地接受车体内射频收发和信息处理模块的指挥。还可以根据传感器将T P M S 分为内置式T P M S 和外置式T P M S。内置式T P M S 是将压力传感器和信号发射部分直接固定在车轮钢圈上，主要用于真空胎，一般为汽车生产厂或轮胎生产厂选用，需根据各厂商的不同车型或轮胎胎压要求进行订制，可解决汽车厂商的一体化要求。外置式T P M S 安装简单，适用于各种轮胎，但安装后需对轮胎的平衡性等指标进行调校，以达到安全目的。2 2 1 机械式直接 r P M$机械式直接T P M S 将系统分为轮胎模块和中央接收模块两部分。其中轮胎模块由压力传感器，控制器和发射机组成；中央接收模块由接收机，控制器和显示报警部分组成。机械式的T P M S 与其他的T P M S 的主要区别在于其压力传感器部分使用的是机械式压力传感器【1 1 1，其示意图如下：图2 4 机械式T P M S 的压力传感器结构图机械式压力传感器工作原理如下：把传感器的B 部位旋入到轮胎的气门嘴上，空心螺柱顶开气嘴的心轴气体外溢，通过空心螺柱中心孔传到密封垫上部的气室中，再通过密封垫导柱作用到弹簧上，弹簧受压收缩，铜垫片随着导柱的向下移动和铜外壳在其接触处产生定的距离，导线E，F 断开，当轮胎的气压低于标准气压的某个值时，此时弹簧依靠自身的弹力推动导柱向上移动，直至铜垫片和铜外壳接触，导线E，F 接通，无线发射模块得电，发射信号，接收模块得到信号，发出声光报警。2 2 2 直接主动式T P M S目前大多数厂家所研制和汽车所使用的都是直接主动式T P M S，其原理框图如图所示【1 2 1。T P M S 系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块(采样端)和安装在汽车驾驶台上的接收和显示模块(监测端)。直接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度的模块，将测量得到的信号调制后通过高频无线电波(R F)发射出去。一个T P M S 系统有4 个或5 个(包括备用胎)T P M S 监测模块。接收模块接收T P M S 监测模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出报警信号，提醒驾驶者采取必要的措施。采样端结构图图2 5 直接主动式T P M S 的结构图监测端结构图2 3 基于S A W 的无源T P M S基于S A W 的无源T P M s 仍然属于直接主动式T P M S，但是它与一般的直接式T P M S 的区别在于该系统在采样端不需要电池，因此将它作为一种特殊的系统列出来进行介绍。表面声波(S u r f a c e A c o u s t i c W a y e，S A W)是由英国物理学家瑞利在1 8 8 5 年发现的。他发现在弹性晶体的表面上尚存在一种形式的波动，称为表面声波。并以波动数学理论证明其现象，故此表面声波亦称为瑞利波。只是当时他的研究结果，并没有引起任何在实务发展上的回响。直到1 9 6 5 年，加州大学柏克莱分校的R M W h i t e 与F M V o l t m e r 两位教授，将指状电极(I n t e r d i g i t a lT r a n s d u c e r s：I D T)结构制作在压晶体管的表面，并成功的产生了表面声波讯号后，才正式开启了表面声波组件的应用。由于S A W 组件可藉由不同的电极结构设计来产生不同的频率响应，故此后的3 0 年，S A W 组件被广泛的运用在各类通讯领域的振荡器、谐振器及滤波器等电路中。另外一方面，S A W 在感测技术的发展上，也具有相当的潜力，因为S A W 组件的敏感度高，当晶体受到扰动影响，所产生的频率漂移都在数百K H 间，利用目前的量测仪器，可精确侦测到l H z 的微小变化量。M e l e x i s 的T P M S 方案，正是利用了S A W 的这些特性。它们的方案在每个轮胎内放置3个S A W，然后，以发信机发射R F 信号给这些S A W，由于轮胎内的压力或温度都有变化，所以S A W 发射回的信号频率就有了变化，天线接收到变化的R F 信号后，再送到D S P 进行处理，根据特定的算法就可以知道轮胎内的压力、温度情况。由于S A W 是无源器件，所以无需电池。这个方案的关键就是S A w 对温度、压力的变化要有对应的数据，目前T r a n s e n s eT e c h n o l o g i e s 公司、E p c o s 等都提供这种元件。1 0第三章元器件选型T P M S 系统开发所用的元器件分别位于接收端和采样端两个部分。接收端部分是安装在驾驶室内的，由三部分组成，它们分别是显示屏L C D L E D，4 8 位单片机M C U(M i c r oC o n t r o lU n i t)及射频收发芯片R F(R a d i of r e q u e n c y)。由于驾驶室内的温度一般与天气温度相当或者略高，所以元器件的选择除了性能外，温度范围一般要求达到商用级标准即可。采样端一般安装在轮胎内部或者气门芯上，现在绝大多数方案都选择安装在轮胎内部。采样端也由三部分组成，它们分别是整合了具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理A S I C 芯片组合的智能传感器、M C U 及射频收发芯片R F、锂亚电池和天线等。由于汽车轮胎现在大多都是没有内胎的真空子午胎，因此，将T P M S 的轮胎压力监测模块安装在轮毂上是十分方便和容易的，但是汽车在高速跑动时轮胎内环境和温度是十分恶劣的，压力、温度、湿度变化特别大，所以该模块的设计要按军级产品的要求来选用元器件，按工业产品的要求来制订生产工艺，然而它是一个量大面广的汽车通用安全产品，要按消费电子产品来定价。3 1 传感器智能传感器是整合了硅显微机械加工(M E M S)技术制作的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含模数转换器(A D C)、取样保持(s H)、S P I 口、校准(C a l i b r a t i o n)、数据管理(D a t a)、I D 码的数字信号处理A S I C 单元或M C U，模块具有掩膜可编程性，即可以利用客户专用软件进行配置。它是由M E M S 传感器和A S I C M C U 电路二块芯片，用集成电路工艺做在一个封装里。为了满足需要，当代的T P M S 基于压力的传感器，包含了专门用来调节压力和温度信号的A S I C I 】。所谓的A S I C 就是一个专用集成电路，指能被对半导体物理和半导体工艺不是很了解的工程师设计使用的一种芯片。下面比较分析几种传感器的特性和优缺点，并做出适合本方案的最佳选择。目前提供传感器的主要有英飞凌、飞思卡尔和G E 三家。其中英飞凌主要提供的芯片有S P l 2，S P l 2 T，S P 3 0 飞思卡尔主要提供的芯片有M P X 8 0 2 0 4 0：G E的N P X l 和N P X 2。1 英飞凌的S P l 2。S P l 2T S P 3 0S P l 2 是一种压力电阻传感器，用于在1 0 0 K p a-4 5 0 0 K p a 范围内进行压力测量的压力传感器件。它采用加速度作为转动指示，更具有一个数字串行通信口，可以方便地应用在单片机系统中以适应更加复杂的控制要求，S P l 2 具有1 4 脚的稽简封装，同时它的工作也不需要其它的外部器件。S P l 2 T 的电池电压与温度测量规格与S P l 2 是相同的，但是为了适应重型车辆的需求，S P l 2 T 压力传感测量和加速传感测量与S P l 2 不同。S P 3 0 作为英飞凌的产品，它与S P l 2 与S P l 2 T 区别是将传感器与M C U 集成封装在一起，是英飞凌公司在未来几年内所重点推出的针对与T P M S 的传感器芯片。2 飞思卡尔的M P X 8 0 2 0 4 0M P X 8 0 2 0 4 0 是集成了电容式压力传感器和可变电阻式温度传感器，采用S S O P 8 封装。它作为飞思卡尔的产品，优势在于飞思卡尔在T P M S 系统技术开发上比较成熟，可以提供基于该芯片的比较成熟的T P M S 开发方案。3 G E 的N P X 系列G E 一直致力于传感器产品的开发，比较成熟的产品是N P X l，它集成了压力、温度和电池电压传感器和一个1 2 5 K H z 低频唤醒电路，其内部还集成了一个F l a s h R O M 单片机。N P X 2 在N P X l 的基础上增加了一个加速度传感器，进一步降低P C B 空间，增强传感器模块的智能性。图3 1N P X 系列的系统功能框圈N P X 的基本性能与参数如下所列：1)8 位R I S C(精简指令)微处理器2 11 2 位A D C；3)4 k 字节闪存(E-R O M)；4】4 k R O M 系统程序；5)1 2 8 字节R A M；6)1 2 8 字节E E P R O M；7)双通道L F(低频)接口电路：8)L F、定时、加速度传感器、外部(运动开关)4 种唤醒方式；9)运行、空闲、停机、热保护停机4 种工作状态：1 0)压力、温度、加速度和电池电压的测量、补偿和校准；1 1)兼容轮胎压力介质；1 2)4 5 0、7 0 0 和1 4 0 0 k P a 压力范围；1 3)压力和温度传感器断线检测；1 4)芯片内置温度传感器：15)电池电压测量；1 6)电池管理最小化功耗；1 7)芯片内置高温停机功能：1 8)看门狗时间间隔定时器。由于G E 的N P X 系列需要专门的开发工具，在开发成本上会大大提高；飞思卡尔的M P X 8 0 2 0 4 0 在中国国内的代理商较少，不易购买，且性价比不高：在英飞凌的S P l 2 系列中，由于目前致力与开发的是商用型汽车，因此S P l 2 比较适合。3 2M C U P l CM C U P I C 的选择要求是低功耗和汽车级使用温度，选其功能够用即可。为使M C U 能够达到电流预算的所有功能，断电模式最重要。时钟系统是M C U 功耗的关键，应当用可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要，因为C P U 会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。大多低功耗M C U 都具有“即时启动”时钟，其可以在不到5 1 0 u s 时间内为C P U 准备就绪。某些M C U 具有双级时钟激活功能，该功能在高频时钟稳定化过程中提供一个低频时钟，其可以达到1 毫秒。C P U 在大约1 5 u s 时间内正常运行，但是运行频率较低，效率也较低。下面比较分析几种M C U 的特性和优缺点，并作出适合本方案的最佳选择。1 P I C l 6 F 8 3 4 由于具有F L A S I-I 工艺特性(电可擦写)，所以它极适合于那些可能会经常改动程序编码的应用，例如用户可以随时改动已经出厂的产品中的单片机程序以增加或调整产品的功能。另外它内部的F L A S H 型数据存储器不仅有掉电保护数据的功能，更重要的是它是由单片机内部进行控制操作的，即外部电路无法对其进行读写，所以有极高的数据保密性，这使得P I C l 6 F S X在加密性产品如智能I c 卡密码锁，电子防盗系统等方面有很广