汽车轮胎压力监测系统设计毕业设计

宁夏理工学院毕业设计摘要 随着社会经济和科学技术的发展,公路交通已经成为关系国民经济命脉和社会、经济发展的重大系统,但随之而来的交通事故给人的生命安全和经济发展造成了重大损失。爆胎是引起交通事故的主要原因,保持标准的车胎气压行驶是防止爆胎的关键,胎压检测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)是由此应运而生的一项汽车安全防范系统。胎压检测系统主要用于汽车行驶过程中对汽车胎压与温度的实时检测,当出现异常状态时进行报警,从而保障驾乘者的行车安全。 本课题主要研究的是一种用于机动车辆上的轮胎压力与温度监控系统。文中提出了一种基于无线技术的轮胎压力与温度监控系统的方案，设计综合运用了检测技术、单片机技术及无线通信技术,其中发射模块能实时检测、处理轮胎的压力和温度参数,并运用无线方式将处理后的数据传输到接收模块;接收模块能校验数据并显示结果,用以告知驾驶员各个轮胎的情况。本系统采用了有效的节能措施,不仅在硬件上选用了具有睡眠功能的芯片,而且在软件设计上通过将判断功能置于发射模块中,减小了系统的发射频率,从而降低了能耗,保证了不会因为更换能源问题而频繁的拆装轮胎,提高了系统的实用性,因而具有广阔的应用前景。关键词:轮胎；无线通信技；抗干扰；节能I Abstract Along with the development of social economy and science and technology, highway traffic has become the lifeblood of national economy and the relationship between social and economic development of important system, but the resulting traffic accidents to the human life security and economic development has caused great losses. Flat Tire is a major cause of traffic accident, keep the standard Tire Pressure is the key to prevent blowout, Tire Pressure Monitoring System TPMS (Tire Pressure Monitoring System) is thus arises at the historic moment of safe guard System in a car. Tire pressure monitoring system is mainly used for the car of automobile tire pressure and temperature in the process of real-time detection, and alarm when abnormal state, thus ensuring the driving safety. The purpose of this research is to develop a kind of applied to motor vehicle tire pressure and temperature monitoring system. This paper presents a temperature of tire pressure monitoring system based on wireless technology. Integrated use of the hardware design of detection technology, micro-controller technology and wireless communication technology, the launch module can real-time tire pressure and temperature parameters detection, processing, and use wireless way to transmit data after processing to receiving module; Receiving module can check data and display the results to inform the driver of each tire. This system adopted the effective energy saving measures, not only on hardware chose chips with sleep function, but also on the software design of transmission module, by will judge function in reducing the transmission frequency of the system, reducing the energy consumption and ensure the wont change the energy problem and frequent disassembling tire, improve the practicability of the system, thus has broad application prospects. Key words: tire；wireless communication technology sensor； anti-jamming； save energyI 目录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 研究背景11.2 轮胎压力与温度监控系统现状21.3 轮胎压力与温度监控系统研究意义31.4.2 论文的结构安排42系统总体设计52.1 TPMS 系统分类及其工作原理52.1.1 间接式 TPMS52.1.2 直接式 TPMS52.1.3 间接式和直接式TPMS的比较与选择62.2 直接式 TPMS 总体设计62.2.1 系统组成62.2.2 系统设计要求72.2.3系统功能要求82.3 系统硬件的总体设计82.3.1 轮胎模块的总体设计92.3.2 主机模块的硬件总体设计92.4 系统软件的总体设计93 轮胎模块设计113.1 轮胎模块硬件设计113.1.1 芯片介绍123.1.2 MPXY8300 传感器工作模式133.1.3轮胎模块电路设计143.2轮胎模块软件设计163.2.1编程工具的选用173.2.2通信协议173.2.3胎压模块软件设计183.3天线设计194 主机模块设计214.1主机模块硬件设计214.1.1 核心微控制器 STC12C5416AD214.1.2 接收电路设计214.2显示及报警电路设计234.2.1 显示电路设计244.2.2 报警电路设计254.3主机模块的软件设计264.3.1主机模块主程序设计264.3.2参数设定模块274.3.3报警处理模块285 总结与展望295.1工作总结295.2展望29参考文献31致谢32附录 控制系统C程序代码33II 1 绪论 环保、节能、安全是当今汽车发展的三大主题，作为影响人民生命财产全和国家经济命脉的重要因素的汽车安全性是汽车设计过程首要考虑的问题，汽车轮胎气压保持正常值是车辆舒适性和行驶安全的保证。轮胎气压高于正常值时，与地面接触面积减少，摩擦系数降低，便会导致车辆侧滑、颠簸、爆胎，危及行驶安全；轮胎气压低于正常值，轮胎内部就会开始分离、脱层、最后导致爆胎1，在低速状态下行驶就会因轮胎变形过大而伤胎。因此，及时地了解和准确掌握轮胎的温度、压力状况是避免爆胎，提高汽车安全行驶水平的有效途径2。国外因立法较早，TPMS(Tire Pressure Monitoring System)成为标配，市场占有率高。中国国家标准管理委员会2008年发布的中国TPMS标准意见征求稿,标TPMS成为汽车的标准配件是必然的趋势。 TPMS对汽车轮胎压力、温度的监测技术主要有直接式和间接式两种形式。直接式是利用安装在轮胎里的智能传感器来直接测量轮胎的气压、温度、电池电压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器随时显示轮胎的气压、温度、电池电压，当轮胎出现异常情况时，系统就会自动报警；间接式是借助防抱死制动系统(Antilock Braking System, ABS)的轮速传感器来比较车轮转速，从而估算两个轮胎胎压的差别，当某个轮胎胎压低于预先设定的初始值时，向司机报警。目前在 TPMS 轮胎压力监测系统的研究中存在三个技术难点：低功耗实现、无线信号传输、射频天线设计。 本课题进行直接式汽车轮胎压力与温度监测系统的研究。针对该系统目前存在的技术难点，设计本文的系统方案，目的是实现一种可以实时监测行驶车辆轮胎内部气压、温度的预警系统。1.1 研究背景 汽车在高速行驶过程中，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3，在高速公路上发生的交通事故有70%80%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。 轮胎监测系统（TPMS）主要用于在车辆行驶时实时地对轮胎压力和温度进行自动监测，对轮胎漏气、低气压、高气压进行预警，以保障驾乘者行车安全，是驾驶员、乘车人的生命安全保障预警系统。 中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车的需求量和保有量出现了加速增长的趋势。因此，我国 TPMS 需求与日俱增，TPMS 的研究具有重要的社会意义和经济价值。为与世界先进国家保持同步，我国关于汽车安装 TPMS 的法规也将会出台。目前我们国内已有很多家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。因此一套安全、可靠、方便、成本低廉的轮胎监测系统将有广阔的应用前景4。1.2 轮胎压力与温度监控系统现状 目前市场上主流 TPMS 的实现方式是利用安装在每一个轮胎内部的轮胎监测模块来直接测量轮胎的压力、温度，并通过无线传输的方式发送到安装在驾驶室的中央控制模块。中央控制模块实时显示每个轮胎的压力、温度，驾驶员可以直观的了解各个轮胎的压力、温度等状况，当轮胎压力、温度太低或者太高，系统会自动报警，提醒驾驶员，防止事故发生。TPMS 的性能主要取决于轮胎监测模块的实现方式。根据轮胎监测模块供电方式的不同，TPMS 可以分为有源 TPMS 和无源TPMS。 (1) 有源 TPMS，指 TPMS 的轮胎监测模块使用专用锂电池供电。本课题研究的轮胎压力与温度监控系统即是一种有源轮胎监测系统。 有源 TPSM 的轮胎监测模块有以下几个部分组成：压力温度传感器、微控制器、射频芯片、低频唤醒芯片、电池以及天线组成。 压力温度传感器是一个集成了压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理的片上系统。为了增强传感器功能，不少传感器还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗及其它功能的数字信号处理单元。 (2) 无源 TPMS，指TPMS的轮胎监测模块不使用电池供电。目前有两个发展方向，一种是利用 RFID 读头端的发射功率为轮胎监测模块供电，另一种是利用汽车行驶中的机械能为轮胎监测模块供电。 射频识别技术（RFID）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（近距离的电感耦合和远距离的电磁耦合）传输特性，其中电感耦合的依据是电磁感应定律，电磁耦合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，即标签端（Tag）和读头端（Reader）。在无源TPMS 中，标签端依附于轮胎监测模块，读头端依附于中央控制模块5。1.3 轮胎压力与温度监控系统研究意义 TPMS 系统在提高汽车行驶安全性，减少生命财产损失以及减少能耗等方面都具有非常重要的研究意义，其具体优点体现在以下几个方面6： (1)事前主动型安保 汽车现有安全措施，如 ABS、EDS、EPS、安全气囊等，均是“事后被动”型安保，即在事故发生后才起到保护人身安全的作用。而 TPMS 属于“事前主动”型安保，即在轮胎出现危险征兆时及时报警，驾驶员可采取措施，将事故消灭在萌芽状态。 (2)延长轮胎使用寿命 统计表明：轮胎气压不足行驶，车轮气压比正常值下降 10%，轮胎寿命减少 15%。TMPS系统实时监测每个轮胎的动态瞬时气压，当轮胎气压出现异常时能及时自动报警，从而减少车胎的损毁，延长轮胎使用寿命。 (3)减少燃油消耗，利于环保 实验显示，轮胎气压低于标准气压值 30%，油耗将上升 10%。如果轮胎气压过高，抓地力就会下降，轮胎磨损加快。油耗上升不仅增加车辆运行费用，而且增加废气排放，对环境的污染加大。车辆安装了 TPMS 系统，就能及时发现车胎气压异常，有效避免上述现象的发生，不仅降低油耗，而且还可减轻对环境的污染。 (4)可避免车辆部件不正常的磨损若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，从而增加悬挂系统的磨损。安装了TPMS 系统，便能有效避免上述现象的发生。1.4 本文研究内容和结构1.4.1 研究内容 该系统实现的功能：将通过在轮胎内部安装的压力和温度传感器，中央控制单元对轮胎内部的温度、压力值进行采集、处理后通过无线通讯的方式将数据发送给驾驶室内部的中央监视器。中央监视器对轮胎的数据进行分析，如果发现轮胎的状态异常，则通过声光报警提示驾驶员进行处理。针对上述系统功能，本课题的主要研究内容如下：(1)分析直接式 TPMS 的工作原理，并深入分析了该系统的关键技术、国内外现状以及发展趋势。 (2) 综合分析国内汽车各方面综合因素，设计系统的总体方案。 (3) 轮胎模块硬件和软件的设计。 (4) 主机模块硬件和软件的设计。1.4.2 论文的结构安排 第一章：介绍汽车轮胎压力监测系统的提出背景和研究意义，当前的技术应用现状和未来的发展趋势，给出本文的研究内容和结构安排。 第二章：介绍系统主要工作原理。在对系统方案的论证基础上，确定系统的软硬件技术性能要求和实施方案，确定系统的总体设计方案。 第三章：轮胎模块硬件和软件的设计。以 Freescale(前Motorola半导体部)的 MPXY8300系列传感器、微处理器、发射芯片三件集成一体芯片为核心，构建轮胎模块；与主机模块搭建实现系统对轮胎状态信息的测量、无线传输、状态监控和异常报警。 第四章：主机模块硬件和软件的设计。主要介绍MPXY8300系列微控制器的基础上，以接收芯片MC33594、微控制器 STC12C5416AD芯片为核心，构建主机模块；实现系统对数据的测量、模拟/数字转换、无线射频传输控制、系统状态监控和显示报警等功能。 第五章：总结与展望。对本设计的总结与展望。2系统总体设计 汽车轮胎压力监测系统(TPMS)是一种采用无线传输技术，利用固定于汽车轮胎内的微型无线传感装置采集轮胎压力和温度的数据，并将数据传送到驾驶室内的接收机中，以数字化的形式实时显示轮胎压力和温度的相关数据，并在轮胎出现危险征兆时进行报警的汽车主动安全系统。主要功能是在汽车行驶时实时的对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎快速漏气、高低气压和高温分级报警，从而达到预防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和经济行车。 针对在汽车恶劣的工作环境下，设计满足国内外TPMS 标准的技术指标(中国的标准高于国外标准)7，综合目前市场存在的经典方案，分析了其中的关键技术，本文设计一种具有高度集成性、高可靠性、低功耗性的轮胎压力监测系统。2.1 TPMS 系统分类及其工作原理 目前TPMS主要有两种实现方式：间接式TPMS系统和直接式TPMS系统。2.1.1 间接式 TPMS 间接式 TPMS 系统是与车辆的防抱死系统(ABS)一起使用的。ABS 采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。间接式 TPMS 的检测原理如图 2.1 所示。图2.1间接式TPMS检测原理2.1.2 直接式 TPMS 直接式TPMS系统主要由安装在轮胎上的轮胎监测模块和安装在汽车驾驶台上的中央监视器两个部分组成。轮胎监测模块由压力/温度传感器、微控制器(MCU)、射频(RF)发射器组成，中央监视器由 RF 接收器、MCU 以及 LCD、按键、报警模块等组成。一般情况下，一辆轿车或面包车的 TPMS 系统有4或5个(包括备用胎)监测模块，一辆卡车有836个监测模块，本系统设计主要面向四轮轻型汽车的轮胎状态监测，其安装位置示意图如图2.2 所示，固定在每个车轮中的压力、温度传感器直接测量每个轮胎的气压和温度，然后通过RF发射器将传感器数据发送到中央监视器。中央监视器接收到轮胎监测模块发射的信号后进行分析，并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。如果胎压或温度出现异常，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。图2.2直接式TPMS检测原理2.1.3 间接式和直接式TPMS的比较与选择 间接式TPMS的优点是只要具备ABS系统，就可以增加TPMS的功能，另外所需的只是软件，因此成本比较低。但是间接式 TPMS 有以下几个主要缺点：无法同时监测到同轴两轮胎、同侧两轮胎以及四个轮胎全部漏气的情况；不能对温度进行测量；受速度影响较大，一般不能超过100km/h；轮胎重新安装或者TPMS 复位后，TPMS传感器标定比较麻烦。 相比于间接式TPMS，直接式TPMS具有很多优点，如能在任意瞬时监测4个轮胎内的压力和温度大小，测量精度和准确度均高于间接式TPMS且不受行驶速度的限制等。但是它也存在一些弊端，比如，直接有源式TPMS的监测模块质量较大，安装在轮胎内会打破原先的动平衡，而且成本比较高；在恶劣潮湿的环境下，电池会出现漏电现象，使得系统使用年限缩短。而基于SAW的直接无源式 TPMS主要优点是传感器部分不需要电池供电，而且质量较小，目前已经开发出的实验传感器只有5g左右，同时可在高低温等恶劣环境下工作，但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中，这需要各轮胎制造商建立共同的标准才有可能实现8，因此，无源式TPMS短期内还难以流行。2.2 直接式 TPMS 总体设计2.2.1 系统组成 本课题所要实现的TPMS为直接式电池供电的TPMS。TPMS主要由两个模块(见图 2.3)组成：安装在汽车每个轮胎内部的轮胎模块和安装在汽车驾驶室中的主机模块。轮胎模块一般由传感器、微控制器和射频发射芯片组成，负责压力和温度数据采样、处理和射频发送。主机模块一般由射频接收芯片、微控制器、数据显示屏和按键组成。负责压力和温度数据接收、显示、报警和系统设置。轮胎模块和主机模块之间采用射频无线通信。图2.3TPMS模块布局示意图2.2.2 系统设计要求 由于现在汽车轮胎大多是没有内胎的子午胎，因此，将TPMS的轮胎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汽车级的要求来选用元器件。而对于中央监视器，由于其安装在汽车车厢内，环境温度变化不大，电源可以使用汽车的12V24V电源，因此器件的选用只要是工业级即可，省电的要求也不高。轮胎监测模块设计的具体要求为：低功耗、介质兼容性以及无线信号传输的可靠性。 (1)低功耗 在TPMS实际使用过程中，不可能频繁地拆卸轮胎来为监测模块更换电池，故需要做到轮胎监测模块与轮胎同寿命。本设计采用降低功耗的方法是利用拥有内置加速度计的传感器来检测轮胎是静止的还是运行的，只有当车辆运行时，系统才进行相应的检测和传输，当车辆处于停车状态时，TPMS可以休眠或以很低的频率运行以节省电量。一般的车辆在公路上行驶的平均时间大约占总使用时间的15%，即车辆处于停车状态的时间比真正行驶的时间要长得多9，因此这种方法可以大幅度降低TPMS的功耗。 (2)介质兼容性 组件除了要尽可能的低功耗外，传感器的介质兼容性和可靠性对TPMS而言至关重要，如果没有这些关键特性，整个系统的精确性和可靠性将成问题。所谓传感器介质兼容性，主要指的与不同种类的介质，如水杨酸、污水、磷酸钠等接触时所表现出来的不受干扰性。因为轮胎模块是置于轮胎内部的，所以电子组件面对的将是轮胎内部的恶劣环境，包括40+125的宽工作温度范围以及潮湿、灰尘和刹车油等其他介质的侵袭10。TPMS传感器特别容易被腐蚀，因为它的压力进气口必须与空气接触才能监测周围的压力，而好的介质兼容性可以确保传感器能得到全面保护。 (3)无线信号传输的可靠性 TPMS需要着力解决的另一个关键技术是无线信号传输的稳定性和可靠性，特别是高速行驶时的信号传输的稳定性。由于高速行驶及工作环境比较恶劣，而且汽车内电子产品丰富，信号会出现漂移及时有时无的情况；另外在使用手机、汽车音响等产品时，信号相互会有干扰，信号的稳定性会受到影响，因此，屏蔽和抗干扰等问题就显得尤为重要。RF发射/接收IC选用时一般需要较高的接收灵敏度，以提高TPMS的工作效率并降低整个系统的生产成本。第一代TPMS的发射器芯片设计运用的是ASK调制技术，通过SAW共振器产生合适的发射频率，这样的ASK系统非常便宜，但是载有发射器的车轮转动会导致接收场强发生变化，为此，目前的TPMS在晶体振荡器和PLL合成器的基础上运用FSK调制方式来产生中心频率和频率牵引。在许多OEM应用中，FSK即使在轮子高速运转时都能提供可靠的RF通信。2.2.3系统功能要求 直接式TPMS系统需要实现的主要功能有： (1) 实时监测每个轮胎的压力、温度、电压情况； (2) 可设定每个轮胎的压力报警上下限； (3) 当某个轮胎的压力过高、过低时，显示该轮胎的ID，温度和压力，并发出声光报警；当某个轮胎内部压力急速下降，并发出快速漏气报警； (4) 轮胎保养换位后，各轮胎ID可重设； (5) 可手动读取各轮胎当前压力值。2.3 系统硬件的总体设计轮胎压力与温度监控系统是通过先进的传感技术，在汽车行驶过程中，利用传感器来直接测量轮胎的气压和温度，并通过无线调制发射到驾驶室的控制台上，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压和温度状况，并对轮胎漏气、低气压和高温进行自动报警，以保障行车安全。还可以延长轮胎的使用寿命，有效降低油耗，能保持最佳车辆性能。通过对TPMS方案设计分析，确定本文系统的总体设计方案如下文所述。2.3.1 轮胎模块的总体设计 轮胎模块实现系统的两个主要功能：信号采集处理和信号发射。从压力传感器出来的信号，由微处理器完成采样。然后由微处理器进行数据分析处理，再进行软件编码，将数据流送给射频发射电路；信号经过调制、编码后发射给接收系统。轮胎模块设计框图如图2.4。 图2.4轮胎模块设计框图2.3.2 主机模块的硬件总体设计 主机模块包括解调电路、接收数据处理、声光报警及人机接口四部分，如图2.5所示。解调电路由轮胎发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给微处理器串行接口。微处理器再进行译码，从数据流中提取各轮胎的位置和压力值；然后作出相应的处理，如更新当前压力值，声光报警等。人机接口部分要包括LED指示，按钮等。LED主要起指示轮胎位置和显示当前安全状况。按钮则可以进行系统的功能读取当前轮胎压力大小。 图2.5主机模块设计框图2.4 系统软件的总体设计 系统软件的设计就是为了在硬件电路基础上实现系统的应用智能化，系统软件设计的质量直接关系到系统技术性能的好坏。在汽车轮胎爆胎预警系统的软件设计中，必须要考虑到系统应用的实际情况和具体技术性能要求，才能设计出符合现场要求的应用系统。 汽车轮胎爆胎预警系统的软件设计根据硬件模块划分，也分为轮胎模块软件设计和主机模块软件设计两大部分，为了开发的便利，其中双方涉及到数据无线收发功能的部分又可以合为无线收发模块。图2.6是系统软件的功能框图。 图2.6系统软件的功能框图 从图中可以看出，轮胎模块的软件需要具有 3 种主要功能：测量、处理数据和发射。轮胎模块是由一块锂电池供电，锂电池的电池容量通常为750mAh因此需要综合考虑效率与时间，以得到高效率的算法，才能保证系统长期有效地可靠运行。主机模块虽然没有严格的耗能标准，但接收效率和监控算法仍很重要，因为好的算法可以使主机模块电池使用寿命更长11。 软件总体分为4个运行模式：调试模式(工厂诊断用)、初始化模式、睡眠模式（休眠）和测量模式。下面对4个运行模式的功能进行介绍： (1) 调试模式主要执行产品出厂的一些内部测试和诊断功能。具体包括传感器测试和射频测试两部分。 (2) 初始化模式接收主机给定的ID码和级别判定阀值。 (3) 睡眠模式以最低的功耗运行，响应系统的运行要求。 (4) 测量模式测量模式主要完成以下功能： (1) 定时测量轮胎压力、温度； (2) 压力在不同级别区域内有报警时，同一个级别只上报一次； (3) 压力无变化，固定间隔时间段上报一次压力、温度； (4) 保证系统可靠性，系统每隔一定时间复位一次； （5）不同级别报警同时出现，则以高温、高压、低压级别的优先级报警。3轮胎模块设计 汽车轮胎压力监测系统的硬件电路按系统功能划分，可分为轮胎模块和主机模块两大部分。轮胎模块整体安装在轮胎内，主要完成轮胎压力和温度数据的采集、数据的初步处理以及信息的无线传输功能。主机模块安置于汽车驾驶室内，主要完成信息的无线接收、数据处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。系统硬件功能框图如图 3.1 所示。图3.1系统硬件功能框图 在系统的工作运行中，轮胎模块始终处于封闭环境中，驾驶室内的系统主机必须依靠无线方式来完成数据信息的传输，才能将轮胎的状态信息实时地提供给驾驶员。因此，轮胎模块与主机模块之间的无线通信是实现系统功能的关键，同时，这也是系统硬件设计工作的重点之一。3.1 轮胎模块硬件设计 在不断高速旋转的轮胎内部这样的封闭工作环境中，要求轮胎模块功耗低、体积小、重量轻。因此，在设计中尽量减少芯片外围器件的数量，设计面积较小的轮胎模块电路。三件合一高度集成芯片MPXY8300为轮胎模块的核心部件，从功能、性能上都满足系统要求。根据轮胎模块实现的系统功能，可细分为核心微控制器、测量电路和发射电路3个部分。微控制器 MPXY8300为轮胎模块的控制和数据处理核心单元，集成传感器、微控制器、射频发射模块一起完成轮胎的压力和温度测量，数据处理及内部自带的射频发射器与其匹配的外围器件一起构成发射电路。如图3.2所示 图 3.2胎压模块功能框图3.1.1 芯片介绍MPXY8300 是 Freescale 公司的20引脚集成芯片，它在一个芯片上集成了可变电容式压力传感单元、温度传感单元、加速度传感单元和数字接口电路（具有唤醒特性），能够同时对轮胎的压力和温度数据进行测量和处理，并实现测量结果的数字化输出，以无线射频的方式发射出去，该芯片具有 2.1V3.6V 的宽范围工作电压，工作温度为40125，功耗低，能够在封闭的轮胎内部可靠工作12。该器件包含以下四个小器件，它对每个小器件都使用了最佳的处理技术。(1) 内置8位HCS08 微控制器(MCU)；(2) 内置RF发射器器件(RFX)； (3)压力/温度传感器件(P-CHIP)； (4)内置Z轴和X轴加速传感器(g-Cell)。MPXY8300工作流程如图3.3所示。MCU使用标准的串行外设接口(SPI)和RFX进行接口连接，从而在RFX内形成独立的数据和地址总线结构。P-Chip和 g-Cell均与MCU进行接口连接。 图3.3 MPXY8300 工作流程为了实现低功耗及20引脚的超小外形封装(SOIC)，MPXY8300还进行了优化设计，特别是其内部自带射频发射器，非常适合应用于本系统的设计。MPXY8300的20管脚SOIC封装管脚输出如图 3.4 所示 图3.4MPXY8300的20管脚SOIC封装管脚输出MPXY8300其主要特性如下13： (1)集成温度压力传感器压力传感器，信号输出给ADC； (2)集成315/434MHZ锁相环射频发送器；(3)内置Z轴和X轴加速度传感器，信号输出给ADC；(4)8位MCU自带512B的RAM16KB的FLASH；(5)过温保护；(6)供电电源电量测量；(7)电池低功耗设计；(8)内置LFO驱动的低功耗唤醒定时器和周期复位。3.1.2 MPXY8300 传感器工作模式 温度通过ADC10通道1中内置的VB传感器进行温度测量，采用固件子例程可以获得温度测量值，固件子程序将正确的位排序，获得与温度有关的电压，然后将其转换为规定的转换函数。这个测量的输出可以用作过温关闭机制，在温度非常高的情况下(可能对电池造成过度压力)防止RF发射，节省电能。 电压测量可以在内部带隙上进行，估算VDD上的电源电压；内部带隙提供内部带隙电压参考的目的是测量电源电压，ADC转换器采用通道直接进行电压测量，因为带隙参考总是在 ADC 转换过程中加电，采用固件子例程可以获得基于带隙参考计算的VDD电压测量值，这个子程序将正确的位排序，获得与电压测量值，然后将其转换为转换函数。 加速度测量包含一个模拟接口(ACI)与加速度传感单元连接。控制单元上的控制位运行ACI给g-Cell 供电，获得电压，然后由ADC进行转换。g-Cell的信号调整先是电容到电压的转换(C-V)，然后是交换式电容放大器。这个放大器有可调的偏移和增益修正(由修正寄存器设置)。超精密压力传感器、C-V 转换器、采样保持器、缓冲和修正寄存器都在MCU上，g-Cell是单独的硅器件，与 P-Chip，RFX 和 MCU分开安装在同一个封装中14。如表 3.1，传感器的几种工作模式是通过引脚 BKGD的输入电压来选择的。测量结果模拟到数字的转换是通过8级门限电平比较，采用连续逼近算法来实现的。以电压方式存储测量结果的采样电容器，其电压能保持到足够完成一次8位的A/D转换。表 3.1 MPXY8300的工作模式S1S2工作模式工作电流串行数据计数器压力测量系统温度检测系统A/D输出比较LFO晶体00空闲/复位OFFOFFOFFON工作01压力检测OFFOFFOFFON复位10温度检测OFFONOFFON复位11数据输出OFFOFFONON工作3.1.3轮胎模块电路设计 发射电路是实现轮胎模块与主机模块之间通信的硬件连接，主要由超高频(UHF)发射器、外围电路、匹配网络和天线构成。MPXY8300微控制器内部集成射频发射模块MC33493内核，与主机模块的射频接收器MC33594相对应的射频接收芯片进行无线通讯。MC33493内部简化图如图 3.5所示图3.5MC33493内部简化图MC33493是一种 PLL 调谐的低功耗 UHF 发射器。通过几个数字输入针脚，微控制器可以控制不同的运行模式，电源电压在1.9V到3.4V之间，可由一块锂电池供电，内部振荡器VCO完全集成了相位频率监测器和环形滤波器，外接的晶体振荡器为发射器的锁相环提供参考频率，通过VCO后得到数据发射所需的输出频率15，准确的发射输出频率可由式(3-1)得出： （式3-1）其中为RF载波频率，单位为MHz;为外部晶振频率，单位为MHZ；AFREQ为AFREQ二进制加权值的十进制；AFREQ控制位通过RFX复位清零。MC33493 发射载波频率根据理想载波频率所需的外部晶振，CF 控制位选择最佳VCO设置和为DX上提供给MCU的500kHz 参考时钟提供正确的分频。对任何载波频率来说，还必须按如下表3.2选择外部晶体，所以所需外部晶振为 22.0586MHz。CF控制位通过RFX复位清除。表3-2频带选择及附加分频器比率CF控制位输入电平频段（MHz）锁相环（PLL）分频比晶体振荡器频率（MHz）低电平31519.671316.0132高电平43419.671322.0586发射机MPXY8300的内部集成模块MC33493提供一个数字输出引脚 (DATACLK)给微控制器，用于给串行输入数据提供参考同步脉冲，CKREF 控制位控制通过 Dx 信号给 MCU 的参考时钟的输出；建议初始化RF传输之前清除CKREF位，以降低杂散噪声；CKREF控制位通过 RFX 复位清零16；如表 3.3 所示，发射器为输入数据提供的同步时钟选择的两种模式。表3.3同步时钟启用信号CKREF控制位输入电平时钟模式0时钟信号禁用1时钟连接到MCU一个完整的发射/接收电路不仅仅只是UHF发射/接收器及其外围器件的简单连接，还要有适合数据发射/接收的匹配网络(Matching Network)和天线（Antenna）。图 3.6 是射频发射/接收电路基本结构框图。图3.6射频发射/接收电路基本结构框图在射频电路设计中，为实现最大功率传输，在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。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。天线是无线射频通信系统中不可或缺的组成部分。无线通信是靠空间的电磁波来传递信息，而电磁波的产生和接收都必须由天线来完成。图3.7 是具体的轮胎模块发射电路图，给出了超高频(UHF)发射的外围电路和匹配网络的具体连接。 图3.7轮胎模块电路图3.2轮胎模块软件设计 软件设计分成两个部分：发射模块软件设计和接收模块软件设计。除了通讯协议外，这两个部分的软件设计没有直接的联系。软件设计语言采用C语言。本节主要介绍了使用语言编程的优点，描述了系统两个模块之间的通讯协议，并对发射模块的工作流程进行了详细的说明。发射模块的软件设计包括数据的采集、判断、传输等几大功能。3.2.1编程工具的选用 C 语言是一种从汇编语言向高级语言过渡的语言，因此它既有某些汇编语言的影子，又有高级语言的特征。C 语言具有丰富的位操作运算符，允许直接访问物理地址，能实现汇编语言的大部分功能。C 语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相差不大，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且 C 语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。因此本系统编程语言选用 C 语言。3.2.2通信协议无线数据通信双方之间的通信协议是指数据帧的构成方式,通讯协议的合理性是影响数据传输可靠性的重要因素之一。在本系统发射模块和接收模块之间进行无线通信时,数据都是以数据帧的格式传输。在无线数据传输中,数据帧中数据字节的表示方式一般有两种,一种是二进制字节方式,一种是十六进制的ASCII方式。二进制字节方式中,字节代表其本身,而十六进制ASCII方式则是由两个字节表示一个实际数据字节,因此其效率只有二进制字节方式的一半,但采用ASCII方式可以避免数据字节与标志字节相混淆,因此可靠性比较高。在本系统中,采用的是十六进制ASCII方式17。本系统数据传输率为9600kPs,可由软件选择设定;对于MC33594来说,一组报文包括报头、ID、头字以及数据。在使用前ID的值存储在配置寄存器CRZ中。ID字像数据一样发送。报头可以按需放在ID前,或者头字前,或者数据前面。报头的内容要确定,否则它可能会被MC33594当成ID或者头字。在FSK调制下,报头可以是4个“1”或者“0”曼彻斯特编码。头字是固定的4位曼彻斯特码0110或者它的补码。数据是以EOM(end-of-message)字结尾,它由2个不归零码组成。如果在解码中,MC33594收到的是头字的补码,则它解码后输出的数据也是以原数据的补码形式出现的。如图3.8所示数据帧完整信息示例。图3.8 数据帧完整信息示例下面将描述系统的通讯协议。为了方便起见,MC33594的报头,ID以及头字统一用报头表示,这样报头将是4个字节16位。数据是按帧发送的,每帧数据组成如表3.4所示表3.4 帧数据报头设备ID压力温度状态校验和结束字16位32位8位8位8位8位2位 报头设置成0xFB86。由上面所述可知,MC33594的报头占4位,可以设置“1111”;ID采用其默认值“10111000”,该值存在CR2中,可以根据需要进行改变;头字是固定的4位“0110”。头字是整帧数据报头的最后部分,它不会被解码。也就是说MC33594输出的数据从设备ID开始。设备ID是32位长。这个ID用于标定产品信息。前16位保留用于以后扩展,现在先设置为0xFF;后16位分别标定产品信息和轮胎编号。轮胎编号占两位。数据帧被接收后,MCU将检查这些ID,如果m与设定不符,数据会被丢弃。ID符合后,数据被保存用于以后处理(显示或者输出)。压力代表了由传感器测量的压力数值,它是个8位的值。温度代表了传感器测量的温度数值,它也是个8位数值。8位数字状态代表了发射模块所处于的状态,这包括模块的供电情况、传输方式等18。校验和是8位数据,它的存在可以减少发射模块或者是接收模块以及传输噪声所引起的数据错误的几率。它的值取决于前面的设备ID、压力、温度以及状态位,它等于它们和的相反数。这样,当MCU接收到数据并检验时,如果从设备ID开始到校验和所有的数据相加结果为零,则说明数据传输正常。2位停止位是NRZ编码,它的内容没有实际意义,也不会通过SPI总线传出,它只是代表整帧数据的结尾。MC33594接收到这2位后自动停止接收数据。3.2.3胎压模块软件设计软件设计是胎压检测系统研究工作的重要组成部分。本系统轮胎温度和压力数据的读取与输出,数据的串行通信和数据的分析、显示、报警等都必须通过软件功能来实现。因此,开发性能优良、工作稳定的应用软件是使整个系统能够正常和可靠运行的前提基础。系统中的四个发射模块最终是安装在车胎上的,而最影响发射模块工作的是电源供电问题。因此为了减少功耗,系统采用定时中断的方式对压力、温度数据进行采集,即只有在定时中断到来时才采集数据,在其他时间系统都处于空闲状态。根据发射模块的功能,可将发射模块软件设计分为数据采集设计和数据处理传输设计两个阶段。为避免多个发射模块同时向接收模块发送数据时造成数据冲突而丢失数据,应在每个随机时间间隔内发送多个数据帧,但这又将缩短电池的使用寿命,并增加了接收器软件的复杂性。解决方法是每次发送2个数据帧,并且每隔3秒发送3-4个数据帧。胎压模块软件的总设计流程图如图3.9所示:在数据采集阶段,系统首先初始化,然后进入等待状态。当定时中断到来时,采集数据,并比较决定是否发射压力、温度数据。a代表从采集数据子程序的返回入口,b代表当定时中断到来时进入采集数据子程序入口,详见后面的采集数。图3.9轮胎模块软件的总设计流程图 车辆启动，MPXY8300中的加速度模块相应，当达到一定值时，唤醒温度压力监测模块。系统首先初始化 MPXY8300，测量温度压力值，判断测量值是否在阀值范围内。如果正常，则进入设定的定时延时省电模式，直到延时设定时间到达，把相应的温度压力等数据打包编码，通过射频调制，发送出去；如果温度压力值不正常，则直接打包异常数据并编码，通过射频调制，发送出去19。3.3天线设计 天线的基本功能是将发射机(或传输线)送来的高频电流或(导波)能量转变为无线电波并传送到空间；在接收端，则将空间传来的无线电波能量转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的作用，天线性能的好坏直接影响到无线通信的效果。 由于轮胎模块要安置在轮胎内进行参数监测，限制了天线尺寸，因此设计性能良好的电小天线非常重要，本文采用法向模螺旋天线代替以前采用的短偶极子天线以提高效率。系统中发射器与小天线匹配非常重要，如果两者失配，造成的能量损耗非常大，直接影响到发射模块的有效发射距离。 胎压监测模块是跟随轮胎转动的，为了尽量减少盲点，就需要电磁波在透过轮胎后的方向图是全向的。而当天线辐射方向图确定了以后，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。为了达到匹配，需要在输入前端加匹配网络，当匹配后，反射系数 r 虽然会降到很低，反射功率减少，但是匹配网络也消耗了一部分功率，这就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天线结构的改变反过来会影响天线的方向图。螺旋天线是一种比较好的选择，它可扩大发射和接收的角度，有效的克服静动态盲点。 设定移动通讯的使用频率为434MHz段。若发射频率为434.12MHz，则接收机的工作频率为434.08，取频段中心频率为434.1MHz 时，工作波长0.691m。 根据法向模螺旋天线的基本原理，并通过上述公式计算出中心频率为434.1MHz 螺旋天线的几何参数：螺旋轴向长度为 11.8mm ，线圈半径为 6.4mm，圈数为 5 匝，螺旋线径为 0.8mm，接地高为 1mm20。4主机模块设计 根据主机模块的实现功能，将其细分为核心微控制器、接收电路、人机接口和显示及报警电路四个部分详述。其中，实现信息显示和声光报警功能的系统外围显示及报警电路将在下节介绍。4.1主机模块硬件设计 根据主机模块的实现功能，将其细分为核心微控制器、接收电路和显示及报警电路四个部分详述。其中，实现信息显示和声光报警功能的系统外围显示及报警电路。4.1.1 核心微控制器 STC12C5416ADSTC12C5416AD是主机模块的核心器件之一，作为主机模块的微控制器，实时接收并处理射频接收器收到的轮胎测量数据，并控制显示及报警电路的工作，同时留有一个可与PC机通信的RS-232接口。尽管STC12C5416AD也有内部时钟发生器，但其串行通讯接口(SPI)要求非常精确的定时，所以，还是需要一个外部晶体振荡器。STC12C5416AD的工作电压有2个，3V或5V均可，工作温度范围40125。但为了统一主机模块电路的工作电压，方便电源电路的设计，STC12C5416AD 采用5V的工作电压21。STC12C5416AD 的 I/O 口资源较少，但因为其具有可靠的性能、较低的价格和符合设计要求的芯片内部资源，是本系统芯片选型的合适对象。4.1.2 接收电路设计MC33594是与MC33493相对应的单片集成PLL调谐UHF数据接收器。该芯片内含660kHz的中频带通滤波器、完整的压控振荡器(VCO)、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，可用于设计315MHz/434MHz 的OOK/FSK接收电路。芯片MC33594是采用LQFP24封装，其引脚结构如图4.1所示。图4.1 MC33594 引脚结构MC33594芯片内部结构可分为射频部分和控制部分，射频信号通过 LNA(低噪音放大器)放大，进入I/Q Mrs (输出/输入混频器)模块后，经IF Filter (中频滤波器)得到频率为300500MHz波长的信号再经放大、调制解调，最后通过 SPI总线与外围微控制器相连接。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 OOK/FSK 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。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9.864375MHz晶振；工作在434MHz时，选20.0586MHz的晶振。图4.2是胎压接收显示模块MC33594 的接收电路图。 图4.2接收显示模块 MC33594 的接收电路与发射电路相对应的是，接收电路同样工作在434MHz 频段，MC33594的50匹配网络由L1、L2、L3、C3、C4、C5、C6、C7组成。这些参数将相应的阻抗天线匹配到MPXY8300功率放大器的输出阻抗，从而提高天线的强度。 C8、C9、C10、C11为滤波电路，降低噪声，提高可靠性。U2为晶振，我们选用自由频率段433.92为调制频率，相应的晶振值为24MHz。射频接收单元采用MC33594,它是一个UHF接收器。处理芯片采用STC12C5416AD芯片,显示单元采用LED灯来显示。接收到的数据由MC33594按一定格式通过SPI接口传送到STC12C5416AD中进行处理,并通过LED灯的点亮来对相应轮胎进行报警。4.2显示及报警电路设计显示及报警电路实现系统的信息显示及声光报警功能。电路由液晶显示模块、I/O扩展芯片、5个发光二极管(LED)及蜂鸣片构成，驾驶员可通过液晶显示的信息获知各轮胎的状态，并通过LED和蜂鸣片的报警提示获知故