雙向式汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文+cad圖紙全套】

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　輪胎氣壓是影響汽車性能和行駛安全的重要因素。輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)能對(duì)輪胎的氣壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在輪胎出現(xiàn)異常情況時(shí)自動(dòng)報(bào)警，使駕駛者可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)的措施，是一種保障行車安全的預(yù)警系統(tǒng)。 </p><p>　　本課題所在項(xiàng)目采用了一種創(chuàng)新的系統(tǒng)解決方案，將產(chǎn)品從機(jī)的安裝位置由原來(lái)

2、安裝在輪毅上改在輪毅軸心上，主機(jī)與從機(jī)之間的信息通過(guò)微型無(wú)線網(wǎng)橋傳遞。本課題方案有效的解決了系統(tǒng)電源以及功耗問(wèn)題，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。由于安裝方式的改變，使得系統(tǒng)的維護(hù)也變得簡(jiǎn)單起來(lái)。 </p><p>　　本文的主要工作是在理解整個(gè)系統(tǒng)的前提下負(fù)責(zé)從機(jī)模塊的電路設(shè)計(jì)。論文首先介紹了目前國(guó)外TPMS的解決方案，并分析其存在的不足之處，進(jìn)而提出自己的解決方案。在詳細(xì)設(shè)計(jì)部分，本論文分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

3、兩大部分。</p><p>　　關(guān)鍵詞：TPMS；輪胎模塊；監(jiān)視器模塊；無(wú)線數(shù)據(jù)通信</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Automobile tire pressure is an important factor to affect the performance in traffic safety.

4、Tire Pressure Monitoring System (TPMS) on tire pressure and temperature in real-time monitoring can alarm in the unusual case，so that drivers can be abnormal in time and take corresponding measures to protect traffic saf

5、ety.</p><p>　　The subject of the project used an innovative system solutions for the structure，between the host and sub-machine information transfer through the micro-wireless bridge，wireless bridge develope

6、d through DCPL bus connected with the host. The program issues an effective solution of the system power and power consumption issues，improved system reliability and stability. As a result of a change in the way of the i

7、nstallation，making the system easier to maintain also.</p><p>　　In this paper，the main task is to understand the premise of the whole system when it is responsible for co-design module. Paper first introduc

8、ed the current foreign TPMS solutions，and analyze its shortcomings，and propose their own solutions. The paper is divided into two major parts，the detailed design and the hardware design.</p><p>　　Keywords:

9、TPMS；Tire Module；Monitor Module；Wireless Data Communications</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒 論3</p><p>　　1.1 課題背景3</p><p>　　1.2 輪胎安全性能的分析3</p>

10、<p>　　1.2.1 溫度對(duì)輪胎安全性能的影響3</p><p>　　1.2.2 壓力對(duì)輪胎性能的影響4</p><p>　　1.2.3 輪胎壓力過(guò)低對(duì)輪胎安全性能的影響4</p><p>　　1.2.4 輪胎壓力過(guò)高對(duì)輪胎安全性能的影響5</p><p>　　1.3輪胎經(jīng)濟(jì)性能分析5</p><

11、p>　　1.4國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r6</p><p><b>　　1.5應(yīng)用前景6</b></p><p>　　1.6課題的提出6</p><p>　　第2章 TPMS系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)8</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)概述8</b></p><p>　　2.1

12、.1 TPMS系統(tǒng)的分類8</p><p>　　2.1.2 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成8</p><p>　　2.2 國(guó)外TPMS系統(tǒng)的解決方案9</p><p>　　2.3本課題的解決方案10</p><p>　　2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求11</p><p>　　2.4.1系統(tǒng)工作環(huán)境11</p>

13、<p>　　2.4.2系統(tǒng)功能要求12</p><p>　　2.4.3系統(tǒng)技術(shù)要求12</p><p>　　2.5本章小結(jié)13</p><p>　　第3章 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從機(jī)電路設(shè)計(jì)14</p><p><b>　　3.1概述14</b></p><p>　　3.2無(wú)線通信

14、模塊的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.1無(wú)線通信芯片的選型14</p><p>　　3.2.2射頻收發(fā)芯片nRF9E515</p><p>　　3.2.3天線的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.4環(huán)形天線的工作原理17</p><p>　　3.2.5參數(shù)值的計(jì)算17</p><

15、p>　　3.3傳感器模塊的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3.1 MPXY8020A的特性結(jié)構(gòu)18</p><p>　　3.3.2 MPXY8020A管腳配置說(shuō)明19</p><p>　　3.4電源管理模塊的設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.5從機(jī)電路整體設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.6系統(tǒng)硬件的

16、抗干擾設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p>　　3.7本章小結(jié)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p>　　第4章TPMS從機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).22</p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議.22</p><p>　　4.2 RF通信軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.1 nRF9E5的工作模式23</

17、p><p>　　4.2.2 nRF9E5 shockburst 模式23</p><p>　　4.2.3 ShockBurst TX模式23</p><p>　　4.2.4 ShockBurst RX模式24</p><p>　　4.2.5待機(jī)模式25</p><p>　　4.2.6無(wú)線收發(fā)器配置26</p

18、><p>　　4.2.7片內(nèi)SPI寄存器配置26</p><p>　　4.2.8 SPI指令26</p><p>　　4.2.9 無(wú)線收發(fā)寄存器器配置27</p><p>　　4.3數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.3.1溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集27</p><p>　　4.3

19、.2測(cè)量主程序27</p><p>　　4.3.3逐次逼近法的程序設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.3.4電壓信號(hào)的采集28</p><p>　　4.5軟件抗干擾設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.6本章小結(jié)33</p><p><b>　　總 結(jié)34</b></p>&l

20、t;p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　附 錄38</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課

21、題背景</b></p><p>　　高速公路網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使車輛行駛速度得到了提高，同時(shí)也潛伏了一些交通隱患，如因車胎爆胎等原因造成的交通事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國(guó)這一比例則更高。美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，美國(guó)每年有62萬(wàn)起交通事故是由于輪胎故障引起的，而75%的輪胎故障是由于不合理的輪胎氣壓和溫度造成的。爆胎造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。怎樣防止

22、爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (英文縮寫TPMS，Tire Presusre Monitoring system)應(yīng)運(yùn)而生，TPMS主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、低氣壓、高氣壓、或溫度過(guò)高等異常情況進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全。要求之一是到2007年，所有在美國(guó)銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2000年11月1日美國(guó)總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國(guó)會(huì)關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案，要求2003

23、年后所有的新車都需把這種系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置?；貞?yīng)TREAD法案，美國(guó)公路交通安全局(附HTSA)要求到2007年，所有在美國(guó)銷售的汽車都必須安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，并提出了汽車生產(chǎn)商的執(zhí)行時(shí)間表:</p><p>　　1.2 輪胎安全性能的分析</p><p>　　導(dǎo)致輪胎故障的主要因素有:氣壓、溫度、負(fù)荷、速度、路況、環(huán)境溫度、連續(xù)行駛時(shí)間等。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，80%的爆胎都會(huì)有前兆，輪胎的溫度

24、和壓力就會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此，及時(shí)地了解和準(zhǔn)確掌握輪胎的溫度、壓力狀況，并據(jù)此采取相應(yīng)的防范措施，是預(yù)防爆胎，提高汽車安全行駛水平的有效途徑。</p><p>　　1.2.1 溫度對(duì)輪胎安全性能的影響</p><p>　　汽車輪胎在周期性載荷的作用下，其橡膠和骨架材料的滯后損失以及橡膠與骨架材料之間的摩擦?xí)?dǎo)致生熱，并使輪胎溫度升高。輪胎溫度的升高除會(huì)使橡膠強(qiáng)度降低外，還會(huì)使簾線強(qiáng)度降低。

25、當(dāng)輪胎溫度從0℃升高到100℃時(shí)，對(duì)于普通輪胎來(lái)說(shuō)，簾線的強(qiáng)度將降低20%，橡膠的強(qiáng)度則將降低50%。當(dāng)輪胎溫度高于其臨界溫度(由輪胎溫度與強(qiáng)度關(guān)系示意圖1.2.1可知，100℃以內(nèi)為正常溫度區(qū)，100℃-121℃之間為臨界溫度區(qū)，121℃以上為危險(xiǎn)溫度區(qū))時(shí)，橡膠強(qiáng)度和簾線能力將降低更多，此時(shí)輪胎極易因強(qiáng)度不足而發(fā)生 “爆胎”。所以輪胎的溫升對(duì)其安全性能和使用壽命的影響極大。汽車在高速行駛時(shí)，駕駛員即使沒(méi)有任何操作失誤，汽車也可能會(huì)突

26、然 “爆胎”，其原因就在于輪胎過(guò)熱。因此，對(duì)于輪胎的溫度參數(shù)加以監(jiān)控，當(dāng)輪胎的溫度升高到一定數(shù)值時(shí)對(duì)駕駛員提出報(bào)警，提示駕駛員采取相應(yīng)處理措施，可以有效地降低發(fā)生事故的可能性并提高輪胎的壽命。 </p><p>　　圖1.1 拉伸強(qiáng)度與溫度關(guān)系示意圖</p><p>　　1.2.2 壓力對(duì)輪胎性能的影響</p><p>　　每一種充氣輪胎，都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的充氣壓力范圍

27、。例如:高壓輪胎充氣壓力為 490kPa-686kPa，低壓胎充氣壓力為147kPa-441kPa，超低壓胎充氣壓力為98kPa- 147kPa。將輪胎按照要求進(jìn)行充氣，不但可以使輪胎達(dá)到良好的安全性能指標(biāo)，還可以延長(zhǎng)輪胎的壽命。否則，汽車在輪胎壓力異常的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，將會(huì)對(duì)輪胎的安全性能產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致爆胎?！?</p><p>　　1.2.3 輪胎壓力過(guò)低對(duì)輪胎安全性能的影響</p

28、><p>　　輪胎壓力過(guò)低是輪胎早期遭到破壞的主要原因。由于種種原因，有的車輛輪胎長(zhǎng)期在低氣壓的情況下使用，使輪胎的使用性能和壽命受到影響。實(shí)踐表明，輪胎氣壓不足，將會(huì)造成如下危害: </p><p>　　(1)長(zhǎng)期氣壓不足，會(huì)使輪胎變形增大，輪胎內(nèi)部及外胎與內(nèi)胎之間的摩擦增加， </p><p>　　使胎溫升高，導(dǎo)致輪胎材料的機(jī)械性能下降，容易造成胎體爆破； <

29、/p><p>　　(2)輪胎氣壓不足，會(huì)使輪胎側(cè)彎曲度增大，使輪胎肩部分加速磨損。如果是后輪并裝雙胎，胎側(cè)之間會(huì)出現(xiàn)互相摩擦，因而產(chǎn)生側(cè)環(huán)形磨損； </p><p>　　(3)輪胎中易嵌入石塊、玻璃和鐵釘?shù)蠕J利物，容易被劃傷刺穿，引起內(nèi)胎泄露等機(jī)械損傷； </p><p>　　(4)氣壓過(guò)低，外胎在車輛上移動(dòng)，會(huì)使胎圈磨損，并導(dǎo)致氣門嘴處撕裂或脫落； </p>

30、;<p>　　(5)輪胎在氣壓不足的情況下行駛，輪胎與地面的接觸面會(huì)增大，勢(shì)必增加輪胎與路面行駛中的滾動(dòng)阻力，致使發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分功率用來(lái)消耗在克服因輪胎充氣不足而產(chǎn)生的阻力上，因此給汽車的使用、動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能帶來(lái)一定的影響。實(shí)驗(yàn)表明，輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓15%時(shí)，油耗將要增加5%；如果氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓30%，油耗則要增加12%[2]。</p><p>　　1.2.4 輪胎壓力過(guò)高對(duì)輪胎安全性能的影響

31、</p><p>　　同樣，輪胎壓力過(guò)高也會(huì)對(duì)輪胎的安全性能造成影響。輪胎的負(fù)荷能力和氣壓都是在設(shè)計(jì)時(shí)就已給定，由于內(nèi)壓的增加，輪胎各部位的變形和所受的內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)的增加。內(nèi)壓增加使輪胎剛性加大，在載荷下的變形變小，使輪胎與地面接觸的面積減小。因此，輪胎壓力過(guò)高時(shí)，會(huì)造成如下危害:</p><p>　　(1)胎體簾線所受原始應(yīng)力增大，胎體強(qiáng)度相對(duì)下降；</p><p&g

32、t;　　(2)胎冠突出，磨損不均勻，嚴(yán)重時(shí)容易造成磨胎冠現(xiàn)象；</p><p>　　(3)胎體變硬，彈性變差，汽車行駛時(shí)，輪胎冠部受沖擊應(yīng)力大，容易產(chǎn)生冠部</p><p>　　簾線損傷，嚴(yán)重時(shí)引起輪胎爆破；</p><p>　　(4)汽車在同樣的使用條件下，輪胎緩沖性能變差，沖擊振動(dòng)變大，操縱性能變</p><p>　　差，特別是在質(zhì)量較差

33、的路面行駛時(shí)，輪胎容易產(chǎn)生機(jī)械損傷，影響行駛安全[3]。</p><p>　　1.3輪胎經(jīng)濟(jì)性能分析</p><p>　　輪胎的使用壽命，在很大程度上和輪胎的使用條件、車輛的技術(shù)性能、駕駛員的水平以及企業(yè)對(duì)輪胎的管理工作質(zhì)量等因素有直接的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)輪胎壓力低于其額定值0.03MPa時(shí)，輪胎的正常使用壽命將會(huì)減少25%；當(dāng)輪胎壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值25%時(shí)，其壽命將會(huì)降15%-25%；對(duì)

34、于轎車，其輪胎內(nèi)壓力每下降0.05MPa，其承載力就減少100N。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦統(tǒng)計(jì)局的車輛事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，約80%輪胎漏氣是由于輪胎氣壓不足造成的。 輪胎在設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中，根據(jù)不同的價(jià)格、最大的負(fù)荷量、最高的行駛速度以及其它的主要途徑等己經(jīng)設(shè)定了與之相應(yīng)的最佳充氣壓力，我們稱之為輪胎的標(biāo)準(zhǔn)氣壓。標(biāo)準(zhǔn)的氣壓是輪胎的生命，因此在使用過(guò)程中充氣壓力的過(guò)低或過(guò)高都會(huì)縮短它的壽命，甚至引發(fā)安全事故隱患。氣壓過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響行駛里程。氣壓過(guò)低，輪

35、胎變形為外長(zhǎng)內(nèi)縮，導(dǎo)致生熱增加，加速橡膠老化、疲勞，出現(xiàn)脫層現(xiàn)象等；氣壓過(guò)高，輪胎接地面積小，磨損量增大。如果在使用過(guò)程中，能夠正確地按照輪胎的標(biāo)準(zhǔn)氣壓使用，輪胎在行駛過(guò)程中會(huì)均勻的損耗，保持了輪胎的最佳負(fù)荷承載狀態(tài)和良好的彈性，則可以大大地延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。通過(guò)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)</p><p>　　1.4國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　國(guó)外因立法較早，其開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的TPMS較

36、為成熟，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有許多汽車配件商開(kāi)始代理銷售國(guó)外的TPMS系統(tǒng)。生產(chǎn)及正在研究TPMS的企業(yè)和廠家大概有200多家，主要有上海泰好電子科技有限公司，佛山市朗杰電子科技有限公司，深圳市瑞電通信電子有限公司，福州東球金口哨輪胎防爆有限公司，上海保隆實(shí)業(yè)有限公司，寧波億萊斯電器有限公司，昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司等。但是國(guó)內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的TPMS基本是靠引進(jìn)國(guó)外公司輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及生產(chǎn)線，核心技術(shù)都掌握在國(guó)外廠家手中，基本沒(méi)有自

37、主知識(shí)產(chǎn)權(quán)可言。因此，隨著TPMS逐漸成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TPMS意義重大。</p><p><b>　　1.5應(yīng)用前景</b></p><p>　　美國(guó)每年的汽車銷量約為1500萬(wàn)輛 (轎車/卡車).全球每年約5000萬(wàn)輛，平均每輛車需要4.2個(gè)輪胎 (不包括備用胎)。中國(guó)正在成為全球最大的新興汽車市場(chǎng)，中國(guó)汽車需求量和保有量出現(xiàn)了加速增長(zhǎng)的趨

38、勢(shì)，汽車保有量已突破2600萬(wàn)輛，汽車年銷售將突破600萬(wàn)輛，未來(lái)5年將成為僅次于美國(guó)的全球第二大汽車銷售國(guó)。汽車安全產(chǎn)品將成為中國(guó)生機(jī)勃勃的新興市場(chǎng)熱點(diǎn)，今后每年增長(zhǎng)速度可達(dá)5%。據(jù)有關(guān)部門對(duì)中國(guó)TPMS市場(chǎng)預(yù)測(cè)，2006年底市場(chǎng)容量將達(dá)50萬(wàn)套，近17億元人民幣。根據(jù)2003-2010年汽車需求預(yù)測(cè):汽車年增長(zhǎng)16%-20%，轎車年增長(zhǎng)19%一24%。綜合以上分析，預(yù)計(jì)，中國(guó)汽車保有量在今后幾年將以16%以上的速度增長(zhǎng).美國(guó)、歐洲已

39、先后立法，要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車全部安裝TPMS，因此，對(duì)TPMS的需求量與日俱增。而美國(guó)的人工每小時(shí)工資差不多是中國(guó)工人的日工資，面對(duì)量大的產(chǎn)品需要降低生產(chǎn)成本，TPMS的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國(guó)，今后幾年內(nèi)中國(guó)必將成為TPMS的生產(chǎn)大國(guó).為與世界先進(jìn)國(guó)家同步，我國(guó)關(guān)于汽車安裝TPMS這樣的生命安全保障預(yù)系統(tǒng)的法規(guī)遲早也會(huì)出現(xiàn)。目前，我們國(guó)內(nèi)己有數(shù)百家設(shè)計(jì)公司、生</p><p><b>　　1.6課題的提

40、出</b></p><p>　　國(guó)內(nèi)TPMS的發(fā)展處于剛起步階段，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的TPMS基本是靠引進(jìn)國(guó)外公司輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及生產(chǎn)線。而經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，國(guó)外TPMS也有其不足之處，一般只能適應(yīng)車輛定性監(jiān)測(cè)使用，因此，現(xiàn)在仍然沒(méi)有作為一個(gè)成熟的產(chǎn)品被大范圍推廣使用。為了彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)對(duì)于TPMS自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)研發(fā)的空白，本課題組在充分研究國(guó)外TPMS的基礎(chǔ)上，總結(jié)出現(xiàn)有國(guó)外TPMS

41、存在的主要問(wèn)題，進(jìn)而提出一種新型解決方案，具體方案描述見(jiàn)第二章。本論文所做的主要工作是在熟悉整個(gè)系統(tǒng)的工作原理的條件下，研究輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從機(jī)電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第2章 TPMS系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　2.1.1 TPMS系統(tǒng)的分類</p><p

42、>　　目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是認(rèn)wheel-Speed Based TPMS(簡(jiǎn)稱:WSBTPMS，或稱為間接式TPMS，這種系統(tǒng)是通過(guò)汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。該類型系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是較直接式便宜，對(duì)于己經(jīng)裝備了4輪ABS的汽車，主要缺點(diǎn)是：首先無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100公里/小時(shí)的情況進(jìn)行判斷；其次是準(zhǔn)確率低，目前還不能確定故障輪胎，并且系統(tǒng)的校準(zhǔn)極

43、其復(fù)雜；此外，它無(wú)法用于未裝備ABS的汽車。</p><p>　　另一種是Pressure Sensor Based TPMS(簡(jiǎn)稱：PSB TPMS，或稱為直接式TPMS)，這種系統(tǒng)利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過(guò)無(wú)線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上。監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高

44、時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，駕駛員由此可以采取相應(yīng)措施，以免爆胎事故的發(fā)生。本論文研究的是直接式TPMS，如無(wú)特別說(shuō)明，文章后面提到的TPMS均指直接式TPMS[5]。</p><p>　　2.1.2 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　目前，直接式TPMS系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分組成:安裝在汽車輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊RTPM(Remote Tire Pressure Monitor

45、ing)和安裝在汽車駕駛臺(tái)上的中央監(jiān)視器（LCD顯示器）。遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)測(cè)量得到的信號(hào)調(diào)制后通過(guò)高頻無(wú)線電波（RF）發(fā)射出去。中央監(jiān)視器接受RTPM模塊發(fā)射的信號(hào)，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。如果輪胎的壓力和溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器根據(jù)異常情況，發(fā)出不同的警報(bào)信號(hào)，提醒駕駛者采取響應(yīng)措施。一般一個(gè)TPMS系統(tǒng)有4個(gè)或5個(gè)（包括備用胎）RTPM模塊。</p><p>　　中央監(jiān)視

46、器主要有六個(gè)部分組成：（1）背光LCD顯示器；（2）主機(jī)穩(wěn)壓電路；（3）核心CPU；（4）按鍵及蜂鳴器報(bào)警裝置；（5）接口；（6）天線。主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。</p><p>　　圖2.1 主機(jī)模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　從機(jī)模塊有五個(gè)部分組成：（1）具有壓力、溫度、電壓檢測(cè)和后信號(hào)處理ASIC芯片組合的智能傳感器SOC；（2）4-8位單片機(jī)（MCU）；（3）RF射頻發(fā)射芯片；（4

47、）鋰電池；（5）天線。從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2 國(guó)外TPMS系統(tǒng)的解決方案</p><p>　　目前市場(chǎng)上提供TPMS配套的方案很多，芯片廠商包括飛思卡爾、英飛凌、GE、Atmel、Maxim、東芝、飛利浦等公司。飛思卡爾和英飛凌目前具有胎壓傳感器、RF射頻及接收器、MCU的完整產(chǎn)品線，其他

48、半導(dǎo)體公司主要提供胎壓傳感器、RF、MCU的若干配套方案。市場(chǎng)上的TPMS方案能見(jiàn)度較高的主要由三家芯片供貨商主導(dǎo)：飛思卡爾、GE、Infineon。結(jié)果分析比較，在眾多的解決方案中它們的整體方案是一樣的，即將傳感器、無(wú)線發(fā)射模塊部分安裝在每個(gè)輪胎的氣門嘴上或是輪轂上，整個(gè)模塊有一塊鋰電池供電，將采集到的信號(hào)發(fā)射給主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)安裝在汽車的駕駛室內(nèi)，接受信號(hào)將壓力信號(hào)顯示在液晶屏幕上，并判斷是否需要報(bào)警，以提醒駕駛員采取相應(yīng)措施。不

49、同的廠家解決方案的區(qū)別是每個(gè)部分使用的芯片有不同廠家生產(chǎn)，采用的技術(shù)渠道、加工工藝不一樣。</p><p>　　縱觀國(guó)內(nèi)外這幾年TPMS產(chǎn)品的發(fā)展變化，可以看出，國(guó)外TPMS發(fā)展主要集中在智能傳感器研究上，TPMS發(fā)射模塊將向集成化、單一化。無(wú)源化方向發(fā)展。</p><p>　　智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工技術(shù)制作的壓力傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含模數(shù)

50、傳感器、取樣/保持、SPI接口、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號(hào)處理ASIC單元，模塊具有可編程性，及可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置。他是由MEMS傳感器和ASIC電路兩塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里。在封裝上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測(cè)量電橋；同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具

51、有16-32位獨(dú)特的ID碼。適用于TPMS的智能傳感器還有、硅集成電容式傳感器，如飛思卡爾的MPXY8020、MPXY8040和硅阻式壓力傳感器，如GE Novasensor的NPX1、NPX2[6]。</p><p>　　2.3本課題的解決方案</p><p>　　如果按照目前國(guó)內(nèi)外TPMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，我們分析出有幾個(gè)問(wèn)題無(wú)法克服。目前國(guó)內(nèi)外該產(chǎn)品的從機(jī)一般式安裝在輪轂上或氣門嘴上，

52、主機(jī)安裝在駕駛室內(nèi)，從機(jī)要將采集到得數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電波發(fā)送到主機(jī)接受裝置，無(wú)線信號(hào)要繞過(guò)車身才能被主機(jī)接收，由于汽車為金屬外殼，對(duì)無(wú)線信號(hào)由一定得屏蔽作用，所以通信可靠性比較低。經(jīng)過(guò)分析，我們總結(jié)出現(xiàn)有國(guó)外輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（1）輪胎從機(jī)模塊安裝在輪轂上，可靠性較低，扒胎維護(hù)十分困難。</p><p>　　（2）輪胎從機(jī)模塊安裝在輪轂上，輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)徑

53、向加速度的變化影響胎壓的測(cè)試精度。</p><p>　?。?）輪胎從機(jī)模塊旋轉(zhuǎn)過(guò)程中信息發(fā)射角度和主機(jī)的相對(duì)位置不斷變化，與主機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊可靠性低，抗干擾性差。</p><p>　?。?）輪胎從機(jī)模塊安裝在輪轂上，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能使用一次性鋰電池供電，車輛長(zhǎng)期告訴行駛電源故障率高，維護(hù)十分困難。</p><p>　?。?）該輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般這適用于車輛定性監(jiān)測(cè)使用，沒(méi)

54、有普及使用。</p><p>　　由上可以看出，目前TPMS產(chǎn)品不能在大范圍推廣開(kāi)來(lái)的根本問(wèn)題不是處在傳感器上，傳感器的集成度在上訴問(wèn)題也不能完全克服。因此，本課題在研究國(guó)外TPMS 的基礎(chǔ)上提出一種新的方案。將從機(jī)模塊安裝在輪轂軸心，在每個(gè)輪胎從機(jī)模塊附近都裝有一個(gè)RF無(wú)限網(wǎng)橋，網(wǎng)橋通過(guò)一組DCPL總線與主機(jī)相連。從機(jī)模塊通過(guò)壓力、溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MCU處理后通過(guò)射頻芯片無(wú)線發(fā)射給RF無(wú)線網(wǎng)橋接

55、收，然后由無(wú)線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)通過(guò)DCPL總線傳輸給安裝在駕駛室內(nèi)的主機(jī)。當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送信息時(shí)，則是將信息通過(guò)DCPL總線傳遞給各個(gè)網(wǎng)橋，由無(wú)線網(wǎng)橋?qū)⑿畔l(fā)送給從機(jī)模塊。</p><p><b>　　具體創(chuàng)造方案如下：</b></p><p>　　（1）從結(jié)構(gòu)上對(duì)輪胎輪轂軸心進(jìn)行了設(shè)計(jì)，改變了以往將TPMS從機(jī)安裝在輪轂或氣門嘴上的做法，而是將從機(jī)安裝在輪轂軸心，從機(jī)通過(guò)

56、輪轂上的導(dǎo)孔監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部的氣壓和溫度信號(hào)，這樣就便于安裝和拆裝維護(hù)。由于將從機(jī)的安裝位置放到了軸心附近，極大降低徑向加速度對(duì)壓力傳感器的影響，提高了測(cè)量精度和可靠性，同時(shí)也克服了由于從機(jī)安裝在輪轂上為產(chǎn)生的輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)從機(jī)和主機(jī)之間相對(duì)位置變化較大的問(wèn)題。</p><p>　?。?）本系統(tǒng)的無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送的信號(hào)不是繞過(guò)車身發(fā)送給主機(jī)的接收系統(tǒng)，而是發(fā)送給安裝在輪轂附近的無(wú)線微型網(wǎng)橋，由無(wú)線微型網(wǎng)橋通過(guò)DCPL現(xiàn)場(chǎng)

57、總線與主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這樣就縮短了無(wú)線發(fā)射模塊與接收模塊的通信距離，而且無(wú)線信號(hào)也不用繞過(guò)車身傳送到主機(jī)上，這樣一方面可以減小從機(jī)模塊的發(fā)射頻率，降低系統(tǒng)功耗，另一方面可以降低外界信號(hào)對(duì)從機(jī)模塊無(wú)線信號(hào)的干擾，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　（3）功耗問(wèn)題一直是傳統(tǒng)TPMS產(chǎn)品較難解決的問(wèn)題之一，傳統(tǒng)TPMS產(chǎn)品采用一次性鋰電池供電，且安裝在輪轂上或氣門嘴上，車輛長(zhǎng)期告訴行駛電源故障較高，

58、當(dāng)電池電量耗完更換電池時(shí)需要扒胎維護(hù)，很不方便。目前通常采取的省電措施是使系統(tǒng)大部分時(shí)間在睡眠狀態(tài)，當(dāng)汽車啟動(dòng)時(shí)或進(jìn)入高速行駛狀態(tài)下喚醒系統(tǒng)。啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行自檢、自動(dòng)喚醒，高速行駛時(shí)按運(yùn)行的速度確定檢測(cè)時(shí)間周期。</p><p>　　（4）主機(jī)與從機(jī)之間的信息交互通過(guò)中間的微型無(wú)線網(wǎng)橋來(lái)連接，網(wǎng)橋與從機(jī)模塊之間通過(guò)無(wú)線收發(fā)方式進(jìn)行信息傳輸，與主機(jī)之間通過(guò)DCPL現(xiàn)場(chǎng)總線連接[7]。</p><p&

59、gt;<b>　　2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　2.4.1系統(tǒng)工作環(huán)境</p><p>　　為了實(shí)時(shí)測(cè)得汽車行駛時(shí)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊需要安裝在汽車輪胎內(nèi)部，工作在輪胎封閉環(huán)境中。由于現(xiàn)有輪胎大多數(shù)為真空子午胎，沒(méi)有內(nèi)胎，因此目前該產(chǎn)品一般固定安裝在輪轂上。由于在汽車行駛過(guò)程中，輪胎時(shí)鐘處于告訴旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而在數(shù)據(jù)的傳輸方式上不能采

60、用有線方式。結(jié)合汽車行駛中的復(fù)雜環(huán)境，能夠讓駕駛員及時(shí)可靠的得到預(yù)警報(bào)警信息，通過(guò)無(wú)線射頻通信方式來(lái)傳輸輪胎數(shù)據(jù)信息是最佳選擇。</p><p>　　2.4.2系統(tǒng)功能要求</p><p>　　本課題研究的是新型的直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在汽車行駛的狀態(tài)下通過(guò)置于輪毅軸心的測(cè)量模塊獲取輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)射頻發(fā)射模塊將此信息發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)橋再傳輸?shù)降今{駛室內(nèi)，在液晶顯示器上顯示

61、各輪胎的當(dāng)前狀況，使駕駛員可以直觀地掌握各輪胎的信息。當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力過(guò)高或過(guò)低、溫度過(guò)高或變化過(guò)快時(shí)，向駕駛員發(fā)出聲光報(bào)警；此外，系統(tǒng)還應(yīng)對(duì)電源電量不足和輪胎漏氣等狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和行車安全。</p><p>　　綜上所述，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能:</p><p>　　(1) 可以由用戶選擇車型以及相應(yīng)的壓力、溫度闡值。通過(guò)按鍵，用戶可以選取不同的車型，設(shè)定不同的氣壓報(bào)普上

62、下限值。</p><p>　　(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)輪胎的壓力、溫度狀況.當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍、溫度過(guò)高或變化過(guò)快時(shí)，點(diǎn)亮指示燈并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)替，在液晶顯示器上顯示該輪胎當(dāng)前的異常狀況，提醒駕駛員及時(shí)檢查并進(jìn)行處理。</p><p>　　(3) 對(duì)輪胎漏氣異常進(jìn)行處理.漏氣異?？煞譃?“快漏氣”與 “慢漏氣”，針對(duì)兩種情況發(fā)出不同的報(bào)警，提醒駕駛者采取相應(yīng)的措施。</p>

63、<p>　　(4) 對(duì)各個(gè)發(fā)射模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若規(guī)定時(shí)間(如1分鐘)內(nèi)未收到相應(yīng)輪胎發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)則發(fā)出報(bào)警，以便于駕駛者判斷故障原因.</p><p>　　(5) 系統(tǒng)還可記錄一段時(shí)間的報(bào)警數(shù)據(jù) (氣壓、溫度和電壓)和報(bào)警時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)類似飛機(jī)黑匣子的功能[8]。</p><p>　　2.4.3系統(tǒng)技術(shù)要求</p><p>　　由于本課題采用的方案可以較好地

64、解決目前國(guó)外輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一些不足之處，特別是對(duì)電源以及功耗的要求不再像以前那樣苛刻，因此，設(shè)計(jì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單起來(lái)。由于發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、溫差變化大和不便隨時(shí)檢修的環(huán)境下，所以挑選的組件必須具備高標(biāo)準(zhǔn)的可靠度和穩(wěn)定性，能工作在-40℃到+125℃ 溫度范圍內(nèi)。</p><p>　　結(jié)合前文所述，系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到如下要求:</p><p>　　(1)體積小，重量輕，特別是測(cè)量與發(fā)射模塊的體

65、積和重量要盡可能的小，便于保持輪胎的平衡。</p><p>　　(2)功耗低，時(shí)效長(zhǎng)，尤其是測(cè)量與發(fā)射模塊的功耗要盡可能的低。</p><p>　　(3)射頻收發(fā)時(shí)抗干擾和抗噪聲的效果要好，發(fā)射的有效距離要適當(dāng)。</p><p>　　(4)壓力測(cè)量的精度要達(dá)到一定要求，以便能準(zhǔn)確報(bào)警。</p><p>　　(5)系統(tǒng)要有較寬的溫度范圍，適合不

66、同地區(qū)不同季節(jié)的使用。</p><p>　　(6)安裝簡(jiǎn)單，更換方便。</p><p>　　(7)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮成本。</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先從整體上介紹了目前國(guó)外TPMS系統(tǒng)的分類及結(jié)構(gòu)組成，然后介紹了目前國(guó)外TPMS系統(tǒng)的解決方案及發(fā)展趨勢(shì)，并分析了該解

67、決方案存在的不足之處，最后在借鑒國(guó)外TPMS的基礎(chǔ)上針對(duì)分析出來(lái)的不足之處提出了自己的解決方案，并針對(duì)此方案設(shè)計(jì)了主要完成的功能及技術(shù)要求。由于本人在此課題中主要負(fù)責(zé)從機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)，因此后面兩章將分別描述從機(jī)模塊硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　第3章 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從機(jī)電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1概述</b></p><

68、;p>　　本課題輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從機(jī)電路主要由以下三部分組成：無(wú)線通信微處理器模塊、輪胎壓力/溫度檢測(cè)模塊、電源管理模塊。其中無(wú)線通信模塊為從機(jī)模塊的控制和數(shù)據(jù)處理單元，負(fù)責(zé)接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的各種命令數(shù)據(jù)，讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)濾波處理后發(fā)送出去；輪胎壓力溫度檢測(cè)模塊即傳感器模塊，負(fù)責(zé)檢測(cè)輪胎內(nèi)部壓力和溫度信號(hào)，將采集到的信號(hào)以數(shù)字量形式傳送給數(shù)據(jù)處理單元；電源管理模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)從機(jī)模塊提供電源，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)喚醒系統(tǒng)。

69、</p><p>　　從機(jī)系統(tǒng)各模塊工作流程如下:汽車停止時(shí)，從機(jī)模塊處于休眠狀態(tài)，汽車移動(dòng)時(shí)，由慣性發(fā)電裝置產(chǎn)生脈沖信號(hào)喚醒系統(tǒng)，系統(tǒng)喚醒后首先進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)傳感器模塊檢測(cè)輪胎壓力、溫度信號(hào)，MCU將采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理后和電池電壓信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)存里，電池電壓信號(hào)通過(guò)內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器獲得。然后從機(jī)等待主機(jī)命令將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　3.2無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)&l

70、t;/p><p>　　3.2.1無(wú)線通信芯片的選型</p><p>　　無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在射頻模塊設(shè)計(jì)中的選擇是至關(guān)重要的，正確選擇可以減小開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng).選擇無(wú)線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素:</p><p>　　(1)收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼。采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會(huì)需要較高的技

71、巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的一半。而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，編程也方便。</p><p>　　(2)收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件如變?nèi)莨芤约奥暠頌V波器等。</p><p&g

72、t;　　(3)功耗。大多數(shù)無(wú)線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。</p><p>　　(4)發(fā)射功率.在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。但是也應(yīng)該注意，有些產(chǎn)品號(hào)稱的發(fā)射功率雖然較高，但是由于其外圍元件多，調(diào)試復(fù)雜，往往實(shí)際的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)稱值.</p><p>　　(5)收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。

73、較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。</p><p>　　通過(guò)查詢，目前無(wú)線收發(fā)芯片有許多種，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，我們希望選擇我們熟悉的以8051內(nèi)核的無(wú)線收發(fā)芯片，因?yàn)槲覀兪煜eil的C51，同時(shí)熟悉8051的結(jié)構(gòu)。與8051兼容的無(wú)線收發(fā)芯片目前共有4種，但主流的是chipcon公司的cc1O10，Nordic公司的nRF24El/nRF9E5。&

74、lt;/p><p>　　通過(guò)查閱資料， nRF9E5工作在433MHz和868MHz-930MHz之間。雖然Nordic的無(wú)線單片機(jī)存儲(chǔ)器較小，只4K，但由于采用較好的電源管理方式和快速的SHOCKBURST技術(shù)，且價(jià)格較ccl010低一些，考慮到該系統(tǒng)的工作頻率，本課題的無(wú)線收發(fā)芯片選用Nordic的nRF9E5[9]。</p><p>　　3.2.2射頻收發(fā)芯片nRF9E5</p&g

75、t;<p>　　nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級(jí)FR芯片，其內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、5051兼容微控制器和4輸入10位80KbpsA/D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片，采用32腳QFN封裝，芯片尺寸為5mm x5mm ，工作電壓1.9V -3.6V。nRF9E5 由頻率合成器、功率合成器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，外圍元件少，不用外加聲表面振蕩器，天線可采用P

76、CB環(huán)形天線或單端鞭狀天線，發(fā)射功率最大為10dbm。接收靈敏度為460dbm，在開(kāi)闊地傳輸距離一般可達(dá)600m以上。在地形復(fù)雜時(shí)會(huì)縮短距離，這與使用環(huán)境、干擾、系統(tǒng)調(diào)諧有關(guān)。nRF9E5采用SPI(串行外設(shè)接口)與微控制器通訊，它自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))校驗(yàn)，使用極為方便，只需將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收機(jī)地址送給nRF9E5，nRF9E5自動(dòng)完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)發(fā)送，接收到正確的數(shù)據(jù)包時(shí)，自動(dòng)移去字頭、地址和C

77、RC校驗(yàn)碼，然后通知微處理器讀取數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　(1)微控制器</b></p><p>　　nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)8015稍有區(qū)別。典型的區(qū)別是：nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令周期為4到20個(gè)指令周期。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源:ADC中斷、SPI中斷、RADIOI中斷、RADI02中斷和喚醒定時(shí)器中斷。片

78、內(nèi)控制器還有3個(gè)與8052相同的定時(shí)器。1個(gè)和8051相同的串口，可以用定時(shí)器1和定時(shí)器2來(lái)作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外，還擴(kuò)展了2個(gè)數(shù)據(jù)指針，以方便于從XRAM區(qū)讀取數(shù)據(jù)。微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM 引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從EEPROM加載到1個(gè)4KB的RAM中，這個(gè)4KB的RAM也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用。NRf9E5的程序代碼必須要從片外存儲(chǔ)器裝載，默認(rèn)

79、使用的存儲(chǔ)器為帶有SPI 接口的EEPROM，nRF9E5的大部分寄存器和標(biāo)準(zhǔn)8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如ADCCON、SPICTRL、PODIR、POALT、ADCSI、ATIC、PWMCOY、RCAPZL、RCAPZH等。nRF9E5中的PO、Pl和PZ口寄存器地址和標(biāo)準(zhǔn)5051</p><p>　　(2)CKLF時(shí)鐘、RTC喚醒定時(shí)器和WTD</p><p>　　n

80、RF9E5內(nèi)有一個(gè)低頻的時(shí)鐘CKLF，該時(shí)鐘常開(kāi)。當(dāng)晶振開(kāi)始工作后，CKLF頻率為4KHz；晶振不工作時(shí)，CKLF是一個(gè)低功耗RC晶振器，只要VDD>1.8v，其連續(xù)工作.RTC喚醒定時(shí)器、WTD(看門狗)和GPIO 喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片低功耗工作時(shí)能夠完成這三個(gè)功能。RTC喚醒定時(shí)器是一個(gè)24位可編程控制的遞減計(jì)數(shù)器，WTD則是一個(gè)16位可編程控制遞減計(jì)數(shù)器。RTC喚醒定時(shí)器和WTD的循環(huán)周期一般在300us-

81、80ms ，默認(rèn)為lms，RTC喚醒定時(shí)器也能作GPIO的輸出源，也就是說(shuō)，當(dāng)RTC喚醒定時(shí)器初始化時(shí)間發(fā)生溢出時(shí)，能夠產(chǎn)生一個(gè)用作GPIO輸出的程序脈沖。</p><p>　　(3)可編程GPIO喚醒功能</p><p>　　PO口的任何一個(gè)引腳都可以用作紅RFgES的喚醒信號(hào)，喚醒信號(hào)的產(chǎn)生可以設(shè)置在各引腳的上升沿或者下降沿或者兩個(gè)邊緣都有。另外，各引腳可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)“濾波”功能，用

82、來(lái)抑制噪聲產(chǎn)生的誤判。DEBOUNCE相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，在穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率作用下，輸入轉(zhuǎn)變輸出。觸發(fā)方式可以是上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)或上升沿下降沿均觸發(fā).邊沿觸發(fā)的延遲時(shí)間是2個(gè)時(shí)鐘周期。</p><p>　　本系統(tǒng)就是采用此喚醒功能，在汽車開(kāi)動(dòng)時(shí)將系統(tǒng)從機(jī)模塊喚醒。汽車開(kāi)動(dòng)時(shí)，安裝在輪毅軸心上的慣性發(fā)電裝置會(huì)產(chǎn)生脈沖，將此脈沖信號(hào)引到PO口則可以實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即開(kāi)機(jī)功能。</p><p>

83、;<b>　　(4)射頻收發(fā)器</b></p><p>　　nRF9E5收發(fā)器通過(guò)內(nèi)部并行口或內(nèi)部SIP口與其它模塊進(jìn)行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF9E5相同的功能。收發(fā)器通過(guò)片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)(DR)、載波檢測(cè)信號(hào)(CD)和地址匹配信號(hào)(AM)能夠作為微控制器的中斷信號(hào)。nRF9E5工作于433/868MHz頻段。收發(fā)器由1個(gè)頻率合成器、1個(gè)功率

84、放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻率和其它射頻參數(shù)可通過(guò)SH接口編程配置。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11mA；接收模式下為12.5mA。為了節(jié)能，可通過(guò)程序控制收發(fā)器的開(kāi)/關(guān)[10]。</p><p>　　3.2.3天線的設(shè)計(jì)</p><p>　　天線是電磁波沿傳輸線路和在空間進(jìn)行傳播的接口，在通信路徑中非常重要的一部分。天線是互易器件，也就是說(shuō)，同一種設(shè)計(jì)既可以做發(fā)射天線也

85、可以做接收天線，性能都一樣的好，本系統(tǒng)的天線就是既用作發(fā)射也用作接收。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，發(fā)射天線的任務(wù)是將沿著傳輸線傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換成在空間傳播的電磁波，也就是將這些電磁場(chǎng)發(fā)射到空間去。在接收端，空間中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)引起天線中的導(dǎo)線產(chǎn)生電流，因此一些能量從這些電磁場(chǎng)中傳播到與接收天線相連接的傳輸線中，并到達(dá)接收機(jī).天線的設(shè)計(jì)是一個(gè)很精密的工作，一個(gè)良好的天線需要考慮頻帶、阻抗、增益等問(wèn)題。</p><p>　　一個(gè)天線能

86、定義為任何導(dǎo)體，他載送一脈沖和交流電流，這個(gè)電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)將產(chǎn)生脈沖或隨著電流的變化而變化。如果另外一個(gè)導(dǎo)線放在附近，通過(guò)這個(gè)電磁場(chǎng)，另一個(gè)線將導(dǎo)出一個(gè)電流，這個(gè)電流和原始電流一樣，只是弱一些。本系統(tǒng)的天線采用環(huán)形 PCB天線，環(huán)形天線和人體非常相似，有普通的單極或多級(jí)天線功能。環(huán)形天線體積小、可靠性高、成本低，是微小型通信產(chǎn)品的理想天線.</p><p>　　3.2.4環(huán)形天線的工作原理&

87、lt;/p><p>　　典型的環(huán)形天線是由電路板上的銅走線組成的電回路構(gòu)成，也可能是一段制作成環(huán)形的導(dǎo)線。其等效電路相當(dāng)于兩個(gè)串連電阻與一個(gè)電感的串連，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。假設(shè)流過(guò)天線回路的電流為I，那么的消耗功率，即RF功率為為大于。電阻是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為，如果那么損耗的功率比實(shí)際發(fā)射的功率大，因?yàn)檫@個(gè)天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射

88、功率和損耗功率之和。實(shí)際上，環(huán)形天線的設(shè)計(jì)幾乎無(wú)法控制和，因?yàn)槭怯芍谱魈炀€的導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)線的大小決定的，而是由天線所圍面積大小決定的[11]。</p><p>　　3.2.5參數(shù)值的計(jì)算</p><p><b>　　(1)電阻值的計(jì)算</b></p><p>　　環(huán)形天線的發(fā)射電阻的計(jì)算公式為：</p><p>&

89、lt;b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中A為環(huán)形天線所圍的面積，單位為米；為無(wú)線電的波長(zhǎng)，可以通過(guò)發(fā)射頻率和光速計(jì)算出，其單位為米。由該公式可以計(jì)算出的大小在毫歐的范圍內(nèi)。</p><p>　　環(huán)形天線的損耗電阻大小的公式為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p&

90、gt;　　式中為環(huán)形天線的周長(zhǎng)，為PCB的走線寬度，為，為PCB板走線的電導(dǎo)率，典型的銅電導(dǎo)率為s/m。</p><p><b>　?。?）電感值的計(jì)算</b></p><p>　　圖中的第三個(gè)元器件就是環(huán)形天線的電感。天線的電感性主要是磁效應(yīng)而產(chǎn)生的結(jié)果。通常，即使是簡(jiǎn)單形狀的天線的電感系數(shù)計(jì)算公式也是很難得到的。目前，計(jì)算導(dǎo)體電感率的公式也比較多，但一般都是比較冗

91、長(zhǎng)的?，F(xiàn)給出一個(gè)簡(jiǎn)單而相對(duì)準(zhǔn)確的公式：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　?。?）阻抗匹配</b></p><p>　　為了使天線達(dá)到發(fā)射電磁波的目的，必須對(duì)其參數(shù)進(jìn)行匹配，使天線回路發(fā)生震蕩。在回路中加入電容，使得天線回路阻抗值最小。在這個(gè)諧振電路(如圖3.2.4所示中)，電容C的

92、值的計(jì)算公式為:</p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　計(jì)算該諧振電路的品質(zhì)因數(shù)的公式為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中為回路中的總電阻，不僅包括和，而且還包括實(shí)際電路中電容產(chǎn)生的電阻效應(yīng)，一般的陶瓷電容在UHF頻段范圍內(nèi)的電

93、阻值為0.2歐到0.8歐之間。為了使天線達(dá)到更好的效果，通常把電容C拆開(kāi)為兩個(gè)電容Cl和C2，通常，C2遠(yuǎn)大于Cl，在本設(shè)計(jì)中，C1用來(lái)調(diào)節(jié)共振頻率，而C2調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配[12]。</p><p>　　3.3傳感器模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　TPMS中輪胎從機(jī)模塊的壓力傳感器是基于MEMS技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，主要有硅MEMS電容壓力傳感器。硅電容式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體應(yīng)力差動(dòng)

94、電容一電變換測(cè)量電路。</p><p>　　壓力傳感器是一個(gè)片上系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部典型架構(gòu)包括整合了硅微機(jī)械加工的壓力傳感器、溫度傳感器。電容式傳感器是由MEMS壓力傳感器和半導(dǎo)體SOC電路，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的.在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。</p><p>　　3.3.1 MPXY

95、8020A的特性結(jié)構(gòu)</p><p>　　MPXY802OA是汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種理想傳感器，它是摩托羅拉公司于2003 年推出的汽車輪胎壓力溫度監(jiān)測(cè)傳感器芯片，內(nèi)部集成了壓力和溫度傳感器、SPI串行數(shù)據(jù)接口、DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模擬值比較電路、待機(jī)喚醒電路等。它具有檢測(cè)0kPa-637kPa壓力和-40℃-125℃溫度的能力。該器件具有8個(gè)引腳，采用SSOP超小型封裝，同時(shí)還內(nèi)置一個(gè)媒介保護(hù)過(guò)濾器和用于低

96、功耗的耐壓監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　氣壓信號(hào)的采樣分兩步完成:首先是把采樣電容上的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后用開(kāi)關(guān)式電容放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，以提高采樣的準(zhǔn)確度。電容放大器帶有溫度補(bǔ)償電路，采樣偏移量可調(diào)，并且可以通過(guò)在EPROM寄存器中寫入校正值進(jìn)行采樣信號(hào)的校正。氣壓信號(hào)值的大小通過(guò)電壓比較器確定。在氣壓轉(zhuǎn)換前，外部微控制器通過(guò)數(shù)字接口輸入8位極限值。片內(nèi)8位DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)把該值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓

97、，電壓比較器把采樣的電壓值與該值進(jìn)行比較，在OUT引腳輸出比較后的結(jié)果。當(dāng)采樣值高于輸入值時(shí)，OUT引腳為高電平，反之，為低電平，溫度信號(hào)的采樣由帶有正溫度系數(shù)的薄膜電阻完成。由圖可見(jiàn)，通過(guò)2路開(kāi)關(guān)，可選擇傳感器工作于氣壓采樣狀態(tài)或溫度采樣狀態(tài)，溫度信號(hào)的采樣過(guò)程與氣壓信號(hào)的采樣過(guò)程相似。</p><p>　　片內(nèi)集成了1個(gè)低頻率、低功率的5.4KHz晶體振蕩器，1個(gè)14級(jí)的分頻器。通過(guò)14級(jí)分頻，可在OUT引腳

98、得到周期性(一般3s)的輸出信號(hào).該信號(hào)還可以用作微控制器的中斷源。此外，片內(nèi)還集成了一個(gè)10級(jí)的分頻器，通過(guò)該分頻器，傳感器可每隔52min使外部微控制器復(fù)位1次，以防程序長(zhǎng)時(shí)間跑飛。</p><p>　　3.3.2 MPXY8020A管腳配置說(shuō)明</p><p>　　各引腳的具體功能如下:</p><p>　　其中DATA、CLK引腳用于外接MCU的串行數(shù)據(jù)輸入

99、，即SIP接口；OUT引腳具有雙重功能，當(dāng)處于測(cè)量方式時(shí)，OUT端是比較器輸出，用于檢測(cè)逐次逼近的結(jié)果:RST為復(fù)位引腳；VDD、VSS是正負(fù)電源引腳；S1、S0引腳用于控制其操作模式，通過(guò)S1、S0的組合可以有以下4種工作方式:</p><p>　　(1)待機(jī)工作方式(S1=0，S0=0)</p><p>　　在待機(jī)工作方式下，MPXY8002A內(nèi)部處于最低的功耗狀態(tài)，只為低頻振蕩器、S

100、PI、DAR、喚醒脈沖和復(fù)位脈沖分配器電路供電。</p><p>　　(2)壓力測(cè)量方式(S1=0，S0=1)</p><p>　　在壓力測(cè)量方式下，器件內(nèi)的多路開(kāi)關(guān)連接到MPXY8020A 的采樣電容。初始化這種方式以后，考慮開(kāi)關(guān)電路的穩(wěn)定，至少應(yīng)在500m以后才能執(zhí)行讀數(shù)據(jù)程序。</p><p>　　(3)溫度測(cè)量方式(S1=1，S0=0)</p>

101、<p>　　在溫度測(cè)量方式下，器件內(nèi)的多路開(kāi)關(guān)連接到MPXY8020A的采樣電容。讀數(shù)方式與壓力測(cè)量方式基本相同。</p><p>　　(4)讀數(shù)據(jù)方式(S1=1，S0=1)</p><p>　　由于器件沒(méi)有直接數(shù)據(jù)輸出功能，必須借助外接的MCU完成測(cè)量數(shù)據(jù)輸出的任務(wù).在讀數(shù)據(jù)方式下，MCU初始化MPXY8020A為測(cè)量壓力、溫度工作方式之后，利用SPI串行接口，通過(guò)逐次逼近程

102、序，將預(yù)測(cè)值串行送入MPXY8020A 的內(nèi)部DAC，同時(shí)檢測(cè)MPXY8020A 的OUT引腳狀態(tài)，得到逼近的8bit的壓力/溫度值。</p><p>　　S0 、S1 、DATA、CLK四個(gè)引腳都內(nèi)置了施密特觸發(fā)器，以提高芯片的抗干擾性，并且這四個(gè)引腳都內(nèi)置了下拉電阻，所以當(dāng)它們被懸空時(shí)，都為低電平[13]。</p><p>　　3.4電源管理模塊的設(shè)計(jì)</p><p

103、>　　功耗問(wèn)題一直是目前TPMS系統(tǒng)難以解決的問(wèn)題，由于本系統(tǒng)將輪胎從機(jī)模塊安裝在輪毅軸心上，使得在模塊中安裝慣性發(fā)電裝置成為可能，使系統(tǒng)的電能有了源源不斷地補(bǔ)給，從而可以從根本上解決電源問(wèn)題。當(dāng)汽車高速運(yùn)行時(shí)，由慣性發(fā)電裝置給系統(tǒng)供電。同時(shí)也要考慮到汽車緩慢運(yùn)行或速度不穩(wěn)時(shí)的系統(tǒng)供電情況，這時(shí)，我們?cè)诶锩婕恿艘粋€(gè)可充電鋰電池，當(dāng)遇到發(fā)電不穩(wěn)的時(shí)候系統(tǒng)自動(dòng)切換到電池供電。在車輛正常行駛情況下，慣性發(fā)電裝置會(huì)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，因此，