基于單片機(jī)的輪胎壓力檢測報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 目 錄1 緒論11.1 課題的提出背景及研究意義11.1.1 課題的提出背景11.2 當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.2.1 tpms 的應(yīng)用現(xiàn)狀21.2.2 當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢32 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理52.1 系統(tǒng)工作原理52.1.1 輪胎爆胎機(jī)理52.1.2 輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測算法72.2 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)82.2.1 系統(tǒng)方案論證82.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求92.2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)113 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)133.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.2 輪胎模塊設(shè)計(jì)133.2.1 核心微控制器 mc68hc908rf2143.2.2

2、 測量電路設(shè)計(jì)153.2.3 發(fā)射電路設(shè)計(jì)163.3 主機(jī)模塊設(shè)計(jì)193.3.1 核心微控制器 mc68hc908kx8193.3.2 接收電路設(shè)計(jì)203.3.3 人機(jī)接口213.4 顯示電路設(shè)計(jì)223.5 系統(tǒng)功耗設(shè)計(jì)243.6 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的抗干擾技術(shù)264 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)274.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)274.2 mc68hc908 系列微控制器的程序開發(fā)274.2.1 匯編程序框架結(jié)構(gòu)284.2.2 匯編程序框架結(jié)構(gòu)284.3 輪胎模塊的軟件設(shè)計(jì)294.3.1 輪胎模塊的監(jiān)控軟件及其中斷子程序304.3.2 傳感器測量程序及算法314.4 數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊的軟件設(shè)計(jì)324.

3、4.1 數(shù)據(jù)無線收發(fā)的通信協(xié)議334.4.2 數(shù)據(jù)無線發(fā)射軟件設(shè)計(jì)344.4.3 數(shù)據(jù)無線接收軟件設(shè)計(jì)354.5 主機(jī)模塊的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)364.6 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)375 結(jié)論395.1 本文工作總結(jié)395.2 今后待研究的問題39參 考 文 獻(xiàn)41致 謝43第 i 頁 共 ii頁1 緒論汽車時(shí)代的到來，改變的不僅僅是人們的代步方式，更有人們的生活方式乃至整個(gè)社會(huì)文化。同樣，一個(gè)時(shí)代的典型核心技術(shù)產(chǎn)品也帶動(dòng)著整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢。隨著家用汽車對現(xiàn)代家庭日常生活的沖擊，汽車的安全與環(huán)保，已不僅僅是汽車產(chǎn)品性能的體現(xiàn)，更代表著未來汽車工程科學(xué)與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展方向。智能化系統(tǒng)

4、無處不在地發(fā)揮著它們的效能，為人類社會(huì)文明進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航，同樣也被大量地應(yīng)用到汽車產(chǎn)品上。把現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展成果應(yīng)用到汽車產(chǎn)品上的汽車電子技術(shù)，必將有力地推動(dòng)安全、環(huán)保的汽車時(shí)代的到來。1.1 課題的提出背景及研究意義 輪胎氣壓實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)是一種新型的主動(dòng)直接式輪胎壓力監(jiān)測裝置，在汽車行駛時(shí)對輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測一種先進(jìn)主動(dòng)式安全裝置，國際上通常又被叫做輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，英文通稱 tire pressure monitoring system，簡稱 tpms1。輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)是當(dāng)前汽車工業(yè)領(lǐng)域汽車電子技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，符合未來汽車的智能安全及環(huán)保節(jié)能的發(fā)展方向，將成為未來汽車必備

5、的安全駕駛配備之一，具有極佳的市場前景和巨大的潛在效益。1.1.1 課題的提出背景 輪胎是汽車行駛系統(tǒng)的重要部件之一，其性能的優(yōu)劣，將直接影響汽車的行車安全和運(yùn)行效率。保持合適的輪胎壓力是每個(gè)汽車駕駛員都應(yīng)時(shí)刻關(guān)注的問題，輪胎充氣壓力超過或低于標(biāo)準(zhǔn)壓力值，輕則增加車輛油耗，縮短輪胎使用壽命，重則威脅行車安全。輪胎氣壓不足，容易導(dǎo)致輪胎內(nèi)壁簾線的松散斷裂；輪胎氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，磨損加劇，花紋底部開裂，汽車的平順性變壞，導(dǎo)致汽車操縱性能降低。行駛中如遇到障礙物的沖擊，則易發(fā)生輪胎破裂，縮短輪胎的使用壽命，影響汽車的行駛安全性。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

6、命將會(huì)減少約 25%；當(dāng)輪胎壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值 25%時(shí)，其壽命將會(huì)降低 15%20%；對于轎車，其輪胎壓力每下降 0.05mpa，其承載力就減少 100n1。根據(jù)德國聯(lián)邦統(tǒng)計(jì)局的車輛事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，約 80%的輪胎漏氣是由于輪胎氣壓不足造成的?？梢?，標(biāo)準(zhǔn)的輪胎壓力對汽車的正常行駛極其重要，這在汽車高速行駛時(shí)顯得更為突出。 當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，如果輪胎壓力低于標(biāo)準(zhǔn)值，輪胎會(huì)急劇升溫而脫層，最后導(dǎo)致輪胎破裂漏氣。另外，如果前輪左右輪胎的氣壓不同，其后果是汽車的行駛方向不穩(wěn)定；如果后輪左右輪胎的氣壓不同，會(huì)造成局部超載而加劇輪胎的磨損；由于氣壓不同的雙輪胎并裝，使氣壓高的輪胎負(fù)荷過重而出現(xiàn)早期磨損或爆胎。

7、安全專家指出：時(shí)速超過 160 公里以上，爆胎而造成的死亡率幾乎接近 100%。在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有 70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例高達(dá) 80%，每年有 26 萬起交通事故是由于輪胎壓力偏低、偏高或滲漏引起的，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生命危害。 綜上所述，本文的研究意義主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車越來越多地進(jìn)入普通家庭，汽車行駛的安全性也越來越為人們所重視。潛在的巨大市場需求和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上的技術(shù)可行性條件成熟，使得研究輪胎壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)已刻不容緩。 最后，隨著美國政府出臺(tái)對汽車輪胎壓力監(jiān)測產(chǎn)品強(qiáng)制性安裝的法規(guī)，歐洲和日本也處于

8、建議安裝階段，使得這一技術(shù)的應(yīng)用前景極為看好。良好的應(yīng)用前景和巨大的市場規(guī)模將有力地推動(dòng)該技術(shù)的推廣，并取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2 當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（tpms）技術(shù)早在上世紀(jì) 80 年代就已提出，但由于當(dāng)時(shí)缺乏有效的技術(shù)條件和成熟的市場環(huán)境，而僅停留在設(shè)想層面上。隨著近幾年來汽車工業(yè)和交通事業(yè)的發(fā)展，汽車的速度越來越高，擁有汽車的家庭越來越多，由輪胎爆胎引發(fā)的大量交通安全事故使這一課題成為研究熱點(diǎn)。結(jié)合新的無線射頻應(yīng)用技術(shù)和集成電路工藝，研制 tpms 已經(jīng)提到日程上來。1.2.1 tpms 的應(yīng)用現(xiàn)狀 在 tpms 及相關(guān)技術(shù)的研究發(fā)面，西方汽

9、車工業(yè)發(fā)達(dá)國家在近幾年都取得了相應(yīng)的進(jìn)展，出現(xiàn)了一批新產(chǎn)品。早在 1996 年豐田就有一種系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的 mark型車上。但該系統(tǒng)不能直接測量輪胎壓力，并存在容易產(chǎn)生誤差的因素，數(shù)據(jù)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性也存在不足。2002 年，約翰遜公司的輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)被國際汽車工程（ael）評為當(dāng)年 20 個(gè)最有價(jià)值的汽車產(chǎn)品之首。這個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的車內(nèi)后視鏡、四個(gè)胎壓傳感器和發(fā)射、接收設(shè)備。系統(tǒng)工作時(shí)胎壓數(shù)據(jù)是通過集成在輪胎氣門閥內(nèi)的發(fā)射機(jī)傳送給風(fēng)擋內(nèi)的集成接收機(jī)，然后在后視鏡上利用射頻技術(shù)顯示出來。這個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)可以將每個(gè)輪胎的壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，有較高的實(shí)用性和可行性。此外，還有一

10、些同類相關(guān)產(chǎn)品問世，如西門子 vdo 汽車配件公司自主開發(fā)的輪胎哨兵（tire guard）監(jiān)測裝置，英國 a.i.r.汽車配件公司生產(chǎn)和銷售的輪胎守護(hù)神（tire shield）監(jiān)測裝置；法國米其林集團(tuán)公司與威柏可（wabco）公司合作開發(fā)的一種輪胎充氣內(nèi)壓監(jiān)測裝置，是專供商用車使用的監(jiān)測裝置；德國 beau 公司與美國 lear 公司聯(lián)合推出的輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，將電子門鎖裝置與系統(tǒng)集成在一起，是近期推出的一種極具價(jià)格競爭力的整體解決方案。從最近發(fā)布的世界新車資料中得知，林肯大陸、奔馳、寶馬、標(biāo)志、道奇等中高檔車均安裝了 tpms。從以上這些目前國際市場上的汽車輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)品來看，

11、通過對輪胎壓力的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)預(yù)防輪胎行車故障進(jìn)而提升汽車安全性能，已成為當(dāng)前汽車安全技術(shù)的新發(fā)展方向，也揭示了一種新的行車安全防范理念。美國及歐洲一些技術(shù)先進(jìn)國家開展輪胎壓力監(jiān)測裝置技術(shù)的研究很早，而輪胎壓力監(jiān)測裝置技術(shù)在中國的發(fā)展還很滯后。目前，國內(nèi)輪胎壓力監(jiān)測裝置的相關(guān)產(chǎn)品雖然推出較多，但據(jù)對相關(guān)市場的調(diào)查了解，都是技術(shù)性能不甚完善、可靠性較差的簡易系統(tǒng)產(chǎn)品，要么系統(tǒng)工作壽命極短，要么系統(tǒng)在低溫或高溫環(huán)境下失效，要么工作可靠性較差，在這方面的技術(shù)成熟產(chǎn)品基本還是空白。性能可靠、功能完善、技術(shù)成熟的均是一些國外公司品牌產(chǎn)品的代理，如來自日本的汽車輪胎壓力監(jiān)測裝置“汽管嚴(yán)”，但價(jià)格高昂。因此，研

12、制性能可靠、技術(shù)完善且價(jià)格能為當(dāng)前多數(shù)國內(nèi)消費(fèi)者所接受的輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)品很有必要。1.2.2 當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢當(dāng)今的汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)方式上可以歸類為直接輪胎壓力監(jiān)測裝置和間接輪胎壓力監(jiān)測裝置2。直接輪胎壓力監(jiān)測裝置，要求在每個(gè)輪胎內(nèi)使用壓力傳感器，并安裝無線發(fā)射器，用于將壓力信息從輪胎內(nèi)部發(fā)送到中央接收器模塊上的主機(jī)系統(tǒng)。間接輪胎壓力監(jiān)測裝置，要求使用車輛防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（abs）來確定輪胎壓力變化。abs 是通過車速傳感器來確定車輪是否抱死，從而決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)。對于在 4 個(gè)輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統(tǒng)來說，此類軟件的升級可以用于監(jiān)測車速的變化，輪胎壓力變

13、低也會(huì)導(dǎo)致車速發(fā)生變化。當(dāng)輪胎壓力降低時(shí)，車輛的重量會(huì)使輪胎直徑變小，這反過來會(huì)導(dǎo)致車速發(fā)生變化。經(jīng)過正確計(jì)算，這種車速變化可用于輪胎壓力判別，并觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)來向司機(jī)發(fā)出警告。每個(gè)系統(tǒng)都有自己的優(yōu)點(diǎn)。直接系統(tǒng)可以提供更高級的功能，使用中可以隨時(shí)測定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際瞬壓，很容易確定故障輪胎。間接系統(tǒng)相對便宜，使用間接系統(tǒng)，已經(jīng)裝備了 4 輪 abs（每個(gè)輪胎裝備 1 個(gè)輪速傳感器）的汽車只需對軟件進(jìn)行升級。根據(jù)美國交通部門的統(tǒng)計(jì)，在2000年時(shí)，安裝了abs系統(tǒng)的車輛已占總車輛數(shù)的67%。但是，目前這類系統(tǒng)沒有直接系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，它根本不能確定故障輪胎，而且系統(tǒng)校準(zhǔn)極其復(fù)雜。此外，在某些情況下此

14、類系統(tǒng)會(huì)無法正常工作：例如同一車軸的2個(gè)輪胎氣壓都低。2 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理輪胎是汽車行駛系統(tǒng)的重要部件，其性能的優(yōu)劣，將直接影響汽車的驅(qū)動(dòng)性、通過性、平順性、穩(wěn)定性、安全性和舒適性等。在汽車高速行駛過程中，輪胎爆胎是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。因此，汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的研制在提高行車安全、延長輪胎壽命等方面都有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。本章主要來介紹汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理。2.1 系統(tǒng)工作原理2.1.1 輪胎爆胎機(jī)理目前，國內(nèi)由輪胎故障引起的突發(fā)交通事故的直接原因主要是輪胎充氣壓力的不足或過高。同時(shí)，國內(nèi)的輪胎爆裂突發(fā)交通事故中也

15、存在著其它人為因素影響。由于技術(shù)解決方案是有針對性地解決技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的問題，所以，對汽車高速行駛狀態(tài)下存在的輪胎結(jié)構(gòu)選用不當(dāng)、實(shí)際行駛速度高于輪胎規(guī)定速度、輪胎花紋過度磨耗、胎體意外損傷及違規(guī)超載等因素，這里不作討論范圍。（1）充氣壓力對輪胎爆胎的影響氣壓是輪胎的生命，掌握輪胎的標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，并按標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力對輪胎充氣是非常重要的。輪胎制造商在設(shè)計(jì)制造各種規(guī)格的輪胎時(shí)，已確定了它的最大負(fù)荷和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，充氣壓力過高和過低都會(huì)縮短輪胎的使用壽命。試驗(yàn)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)減少約 25%；當(dāng)輪胎壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值 25%時(shí)，其壽命將會(huì)降低 1

16、5%20%。充氣壓力過低，輪胎胎體變形過大，會(huì)產(chǎn)生過度屈撓運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)層受到的壓縮力與外層受到的伸張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許屈撓極限，造成輪胎過度生熱，從而導(dǎo)致橡膠老化加速和簾布層脫層，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)率购熅€折斷，輪胎瞬間爆破。同時(shí)充氣壓力過低，輪胎的接地面積增大，胎肩的磨損加劇。如果雙胎并裝中有一條輪胎氣壓不足，行駛中大部分負(fù)荷將集中到另一條輪胎上，常常會(huì)造成這條輪胎嚴(yán)重超載。就車輛來說，輪胎充氣壓力過低，會(huì)造成輪胎側(cè)偏剛度下降，拖矩增大，車輛的制動(dòng)性能變壞，在高速行駛的條件下遇到緊急情況會(huì)非常危險(xiǎn)3。氣壓過高，輪胎簾線受到過度的伸張變形，胎體彈性降低，車輛高速行駛時(shí)受到的動(dòng)載荷（震動(dòng)、應(yīng)力來不及分散）增

17、大，如再受到?jīng)_擊，輪胎會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂或爆破。氣壓過高，輪胎的接地面積還會(huì)相對減小，以致胎冠中部在加快磨損的同時(shí)溫度急劇上升，使胎冠容易爆破。氣壓過高還會(huì)致使輪胎減震性能變劣，導(dǎo)致車輛底盤部件損壞，使輪胎接地附著力下降，車輛的制動(dòng)效果降低，成為高速行車的安全隱患。在汽車高速行駛過程中，輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，將加大胎側(cè)的彎曲變形，輪胎會(huì)急劇升溫而脫層，削弱輪胎的強(qiáng)度及承載能力，導(dǎo)致輪胎內(nèi)壁簾線的松散斷裂，最后導(dǎo)致輪胎的漏氣或爆胎；輪胎氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，輪胎與路面接觸面積減小，輪胎胎面中部區(qū)域承受的壓力增大，使輪胎磨損加劇，形成花紋底部開裂。又由于此時(shí)輪胎剛度增大，起不到應(yīng)有的緩沖作用，增大了輪胎與路面

18、間的動(dòng)載荷，使汽車的平順性變差，導(dǎo)致汽車操縱性能降低4。另外，如果汽車前輪左右輪胎的氣壓不同，其后果是汽車的行駛方向不穩(wěn)定；如果汽車后輪左右輪胎的氣壓不同，會(huì)使氣壓高的輪胎負(fù)載過重而出現(xiàn)磨損或爆胎。保持適合的輪胎氣壓不但可以保證輪胎的工作壽命，減少不必要的燃油消耗，更對汽車的安全行駛起著關(guān)鍵作用。（2）溫度對輪胎爆胎的影響 輪胎在行駛過程中會(huì)因生熱而出現(xiàn)溫度大幅度升高現(xiàn)象。輪胎溫度的升高除會(huì)使橡膠強(qiáng)度降低外，還會(huì)導(dǎo)致簾線強(qiáng)力降低。當(dāng)輪胎溫度從 0升高到100時(shí)，對尼龍輪胎來說，簾線強(qiáng)力會(huì)降低 20%左右，橡膠強(qiáng)度則下降 50%左右；輪胎溫度高于臨界溫度（100以內(nèi)是正常溫度，100121是臨界

19、溫度，121以上是危險(xiǎn)溫度）時(shí)，橡膠強(qiáng)度和簾線強(qiáng)力降低更多，因此輪胎的溫升對其使用壽命的影響很大。汽車在行駛過程中，特別是在高速公路上高速行駛時(shí)，駕駛員即使沒有操作失誤，輪胎也會(huì)突然爆破。究其原因，主要是與輪胎溫升的影響有關(guān)，即輪胎會(huì)由于超過正常溫度而爆破，而在輪胎爆破以前，其受熱破壞的情況通常不易控制和掌握。當(dāng)胎內(nèi)溫度超過 120時(shí)，輪胎結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度將明顯下降；當(dāng)輪胎溫度超過硫化點(diǎn)（140）時(shí)，輪胎的各組成部分將被破壞，失去承載能力5。由此可見，輪胎溫升對輪胎使用壽命長短以及高速行駛狀態(tài)下的爆胎發(fā)生率的影響很大。（3）其它因素對輪胎爆胎的影響一般來說，行駛速度越高，輪胎在單位時(shí)間內(nèi)與地面的接

20、觸次數(shù)越多，摩擦越頻繁，變形頻率越大；同時(shí)由于胎體的振動(dòng)，周向和側(cè)向產(chǎn)生的扭曲變形增大。當(dāng)輪胎的轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，胎冠表面的振動(dòng)呈波浪形，即形成所謂的“駐波”，也叫靜止波。靜止波的滯后損失（輪胎的彈性變形來不及恢復(fù)造成）使輪胎壓力與溫度急劇上升，有可能在幾分鐘內(nèi)就導(dǎo)致輪胎爆破6。顯然，速度越高，振動(dòng)頻率越大，變形恢復(fù)越少（大部分變形轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?，輪胎溫升越高，再加之?nèi)壓增大，其后果必然是簾布膠的老化加速和簾布的耐疲勞性能降低，輪胎出現(xiàn)早期脫層或爆破現(xiàn)象。因此，輪胎的使用壽命與行駛速度成反比關(guān)系，即行駛速度越高，輪胎的生熱越大，溫升越高，受到的沖擊力也就越大。在這種高速高溫情況下，輪胎的胎面磨

21、損加快，早期肩空、冠空甚至爆破的情況會(huì)隨時(shí)發(fā)生。車輛裝載時(shí)，必須按輪胎的額定負(fù)荷裝載客貨。這是因?yàn)楦黝愝喬サ念~定負(fù)荷是根據(jù)輪胎的結(jié)構(gòu)、簾布層數(shù)、強(qiáng)度以及標(biāo)準(zhǔn)氣壓和行車速度等設(shè)計(jì)的。如果輪胎在超負(fù)荷下運(yùn)行，就會(huì)使其變形，特別是胎側(cè)的彎曲變形增大，使胎肩部位的磨損加重。同時(shí)，胎體材料的分子摩擦及部件的機(jī)械摩擦也會(huì)導(dǎo)致輪胎內(nèi)部溫度升高和胎體簾布層脫層，從而加速輪胎的損壞7。總之，車輛超載越多，胎體的屈撓伸張?jiān)酱螅喬サ纳郎厮俣仍娇欤诟咚俟飞细咚傩旭倳r(shí)爆破的可能性就越大。此外，還有輪胎質(zhì)量以及輪輞尺寸等影響輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測的因素。從以上輪胎爆胎的主要原因分析來看，要想在汽車行駛過程中防范氣壓監(jiān)測重

22、大誤差的發(fā)生，除了加強(qiáng)交通運(yùn)輸規(guī)章管理、輪胎選型合理等人為措施以外，最直接有效的辦法就是對輪胎的壓力和溫度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。2.1.2 輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測算法行車的安全以及高效率的運(yùn)行要依賴于優(yōu)良的輪胎性能，而對輪胎性能的實(shí)時(shí)掌握，必須要對輪胎的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)輪胎狀態(tài)參數(shù)的變化情況及時(shí)做出科學(xué)準(zhǔn)確的判斷，以預(yù)防危及行車安全的輪胎故障發(fā)生。在汽車由于輪胎而引發(fā)的事故的誘發(fā)因素中，分為不可避免因素和可避免因素兩大類情況。其中，行車環(huán)境中變化的氣溫以及粗糙的路況等因素屬于不可避免因素；適合的輪胎氣壓以及良好的駕駛習(xí)慣等因素屬于可避免因素。對于不可避免因素，只能提高重視、加強(qiáng)警惕，將不可預(yù)測的偶

23、然性因素造成的損失降到最小。而本文所討論的技術(shù)問題，只有針對可避免因素中那些采取技術(shù)措施可以預(yù)防的環(huán)節(jié)，通過監(jiān)測可控因素來達(dá)到對輪胎爆胎的預(yù)警，才是合理有效的技術(shù)解決途徑。綜合上一小節(jié)本文對輪胎爆胎機(jī)理及影響因素的分析， 輪胎充氣過度會(huì)導(dǎo)致抓地力下降，影響到汽車的舒適性、保護(hù)功能和輪胎壽命；同時(shí)輪胎會(huì)對沖擊或碰撞較敏感，剎車性能降低。充氣不足可能會(huì)導(dǎo)致油耗增大、輪胎過熱、車輛操控不良，安全性能下降；引起胎體疲勞導(dǎo)致輪胎工作不佳或者無法修復(fù)及翻新，形成爆胎的隱患。如發(fā)現(xiàn)輪胎壓力低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓 20% ，即使臨時(shí)補(bǔ)氣，也只是緊急情況下不得已的緩沖之計(jì)，無法從根本上解決問題8。必須盡快到就近的輪胎店將

24、輪胎拆下來，由專業(yè)人員進(jìn)行檢查，否則可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重傷亡事故。若認(rèn)為輪腔內(nèi)的氣壓過高或過低都不會(huì)直接導(dǎo)致輪胎爆胎，只有胎體強(qiáng)度的下降才是導(dǎo)致爆胎的真正原因，通過監(jiān)控胎體的結(jié)構(gòu)變化來預(yù)防爆胎，不但實(shí)現(xiàn)起來比較困難，而且只能在輪胎出現(xiàn)事故前很短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測到異常，雖然報(bào)警準(zhǔn)確率會(huì)很高，但留給駕駛員處理故障的反應(yīng)時(shí)間太短。因此，當(dāng)前輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警算法主要集中在對工作狀態(tài)下的輪胎壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)控，這是當(dāng)前比較容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)也是比較有效的技術(shù)途徑。以傳感器技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測功能，可以將輪胎實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)算法細(xì)分為以下幾種情況。（1）充氣壓力不足或過高：也就是根據(jù)事先確定好的標(biāo)準(zhǔn)輪胎壓

25、力為門限閾值，對實(shí)測輪胎壓力值進(jìn)行判別，超出最大壓力值或低于最小壓力值就視為輪胎狀態(tài)異常。（2）漏氣導(dǎo)致壓力持續(xù)下降：在輪胎溫度比較穩(wěn)定情況下，一定時(shí)間間隔內(nèi)，輪胎壓力連續(xù)下降且幅度較大，即使未達(dá)到（1）中異常條件，也視為輪胎狀態(tài)異常。（3）輪胎溫度急劇升高：在一定時(shí)間間隔內(nèi)，輪胎溫度上升幅度較大，即使未達(dá)到（1）中異常條件，也視為輪胎狀態(tài)異常。對以上監(jiān)測算法的具體實(shí)現(xiàn)，如標(biāo)準(zhǔn)輪胎壓力值的確定、一定時(shí)間間隔的長短、壓力和溫度較大幅度變化的幅值等，都需要針對具體車型和輪胎型號進(jìn)行具體分析與試驗(yàn)，才能最終得到準(zhǔn)確可靠的氣壓監(jiān)測算法。2.2 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)方案論證

26、就目前情況看，輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)的種類繁多。按適用對象分類，可分為轎車專用、商用車專用、汽車/大型工程機(jī)械專用；按監(jiān)測技術(shù)分類，可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式；按功能分類，分為只監(jiān)測充氣壓力的單一型，集監(jiān)測充氣壓力、溫度、受力于一身的綜合型；按傳感器的安裝方式分類，可分為懸掛式和植入式。下面著重介紹幾種方案： （1）磁敏法檢測輪胎壓力通過霍爾裝置采用磁敏檢測法檢測輪胎的充氣壓力。其中輪胎氣壓傳感器安裝在車輪輪輞上，而霍爾裝置安裝在與懸架支柱固接的托架或車輪制動(dòng)底板上。汽車行駛時(shí)，輪胎氣壓變化引起壓力傳感器中磁性元件磁場方向變化，從而使通過霍爾裝置磁敏元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，霍爾裝置的輸出信號隨之變化，由此實(shí)

27、現(xiàn)充氣壓力信號由輪胎至車體的非接觸傳遞9。車體的控制單元對經(jīng)過調(diào)理的霍爾裝置輸出信號進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)器中，經(jīng)運(yùn)算分析和比較判斷，得到輪胎壓力值及其狀態(tài)。該方案優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力和可靠性較好，但系統(tǒng)測量精度難以保證。（2）數(shù)字集成壓力傳感器及無線射頻數(shù)據(jù)傳輸 隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型制造工藝表面微機(jī)械加工（mems），應(yīng)用該技術(shù)制造出的集成多種功能的傳感器芯片，克服了早期壓力傳感器體積較大、只能模擬量輸出等不易應(yīng)用于汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測的條件限制，為 tpms 技術(shù)的發(fā)展和普及提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 目前的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要以無線傳輸/電子測量為主要的工作方式，并逐步以此進(jìn)入

28、產(chǎn)業(yè)化階段。然而不同車輛不同地區(qū)對這個(gè)系統(tǒng)的要求是各不相同的，這些問題將隨著輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善而得到解決10。本文研制的輪胎氣壓實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)采用當(dāng)今比較流行的數(shù)字集成傳感器加無線射頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)模式。2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 （1）系統(tǒng)工作環(huán)境 輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是用來實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車輪胎的工作狀態(tài)的。為實(shí)時(shí)測得輪胎的壓力數(shù)據(jù)，其具有數(shù)據(jù)測量功能的輪胎模塊需要安裝在汽車輪胎內(nèi)部，工作在輪胎封閉的環(huán)境中。對有內(nèi)胎輪胎，輪胎模塊安裝在內(nèi)胎外面的墊胎上或嵌入墊胎中；對無內(nèi)胎輪胎，輪胎模塊可固定安裝在輪輞上。由于在汽車行駛過程中，輪胎始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而在數(shù)據(jù)的傳輸方式上不能采用有

29、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)可靠地得到預(yù)警報(bào)警信息，通過無線射頻通信方式來傳輸輪胎數(shù)據(jù)信息是最佳選擇。圖2.1是安置在輪胎內(nèi)部的輪胎模塊的無線發(fā)射示意圖。 由于輪胎在汽車行駛過程中的高速旋轉(zhuǎn)和震動(dòng)，安置于輪胎內(nèi)部的輪胎模塊必須固定牢靠。當(dāng)發(fā)射電路隨著輪胎旋轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離主機(jī)位置（如圖 2-1 的位置 2）時(shí)，由于金屬輪輞對信號的屏蔽作用，主機(jī)模塊接收靈敏度將會(huì)有所下降。但在輪胎高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不會(huì)對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響。系統(tǒng)工作在室外現(xiàn)場環(huán)境，須有較寬的工作溫度范圍。圖2.1 輪胎模塊無線發(fā)射示意圖（2）系統(tǒng)功能要求輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測汽車輪胎的工作狀態(tài)，對輪胎壓

30、力異?；蚵饨o予實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取并顯示，加強(qiáng)汽車高速行駛的行車安全性。本課題研究的系統(tǒng)是新型的主動(dòng)直接式輪胎壓力監(jiān)測產(chǎn)品。系統(tǒng)在汽車行駛狀態(tài)下通過置于輪胎內(nèi)部的輪胎模塊實(shí)時(shí)測量輪胎壓力，通過射頻發(fā)射模式將測得的輪胎狀態(tài)信息發(fā)送到駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機(jī)，定時(shí)通過主機(jī)顯示各輪胎的當(dāng)前狀況，讓駕駛員直觀了解輪胎的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。在汽車輪胎的使用過程中，輪胎胎面會(huì)逐漸被磨耗。但由于各車輪受力不同，輪胎在路面的滑動(dòng)量不同，以及受拱型路面的影響，使汽車的前后輪、左右輪的磨損速度不同。有的輪胎磨損重，有的磨損輕，甚至還會(huì)出現(xiàn)輪胎的單邊磨損不均勻。為了延長輪胎的使用壽命，必須定期對輪胎進(jìn)行換位，這是汽車輪胎保養(yǎng)的有效方

31、法。輪胎的維護(hù)換位能夠提高輪胎行駛里程、平衡胎體疲勞強(qiáng)度和磨損。因此，研制的系統(tǒng)必須具有輪胎換位后的重新定位功能。汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)功能要求歸納如下： 實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)輪胎的壓力狀態(tài)情況；并顯示該輪胎當(dāng)前的具體壓力狀況；輪胎保養(yǎng)換位后可重新對各輪胎進(jìn)行定位。（3）系統(tǒng)技術(shù)要求結(jié)合前文所述，給出系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)要求：體積小，重量輕，便于保持輪胎的動(dòng)平衡；功耗低，輪胎模塊的功耗盡可能要低，使用過程中不用更換電池即可以長期工作；適當(dāng)?shù)挠行Оl(fā)射接收范圍，使駕駛室內(nèi)的主機(jī)及時(shí)可靠地接收到發(fā)送來的信息；較高的壓力測量精度，要求達(dá)到0.01mpa 以上；考慮到技術(shù)推廣和產(chǎn)品化，要保持合理的全套系統(tǒng)成

32、本。2.2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本文采用主動(dòng)直接式輪胎壓力監(jiān)測技術(shù)，針對輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，確定輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)由輪胎模塊和主機(jī)模塊兩部分構(gòu)成的系統(tǒng)研制方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖2.2所示。圖2.2汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)組成輪胎模塊以 mems 壓力溫度集成傳感器和 mc68hc908 系列微控制器為核心，實(shí)現(xiàn)輪胎壓力的檢測，以及測量數(shù)據(jù)的初步處理，微控制器通過超高頻（uhf）發(fā)射器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。主機(jī)模塊由 uhf 接收器和 mc68hc908 系列微控制器構(gòu)成，完成信號的接收、解調(diào)、處理、和顯示。所以可以連續(xù)監(jiān)測輪胎氣壓，并讀取出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。主機(jī)模塊微控制器對報(bào)警

33、信息進(jìn)行確認(rèn)，由于系統(tǒng)的輪胎模塊和主機(jī)模塊間是通過無線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此，必須確定符合系統(tǒng)應(yīng)用要求的無線通信模式。通信方案是以數(shù)據(jù)9600bps 的速率發(fā)送，采用 fsk 調(diào)制的曼徹斯特編碼。移頻鍵控（fsk）是數(shù)字通信中經(jīng)常使用的一種調(diào)制方式。fsk 方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能也較強(qiáng)。缺點(diǎn)是占用頻帶較寬，頻帶利用不夠經(jīng)濟(jì)。因此，fsk 主要應(yīng)用于低、中速數(shù)據(jù)傳輸。曼徹斯特（manchester）編碼是常用的數(shù)字信號編碼之一。在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分 1 和 0。因此，這種編碼也稱為相位編碼。由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間，接收端可以方便

34、地利用它作為位同步時(shí)鐘。本文研制的系統(tǒng)需要傳送的數(shù)據(jù)量很少，僅是必要的輪胎 id 識(shí)別碼、壓力數(shù)據(jù)及一些狀態(tài)信息，加之需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷竭_(dá)率，因此，選用上述無線射頻通信模式是比較合適的。系統(tǒng)核心器件采用的是 motorola 微控制器。motorola 一直是世界上最大的單片機(jī)廠商之一，其單片機(jī)特點(diǎn)之一是在同樣速度下所用的時(shí)鐘頻率較intel 類單片機(jī)低得多，因而使得高頻噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)，更適合應(yīng)用于工控領(lǐng)域及惡劣的工作環(huán)境，且價(jià)格合理?？紤]輪胎模塊微控制器 mc68hc908rf2 內(nèi)置的 uhf 發(fā)射器，則主機(jī)模塊接收器選擇與其對應(yīng)的uhf接收器mc33594。輪胎模塊傳感器

35、采用mems傳感器 mpxy8020a，該器件不但功耗低，帶有數(shù)字接口，還同時(shí)集成了壓力傳感模塊，十分適合本文所研制系統(tǒng)的技術(shù)要求。對于進(jìn)一步的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)情況，本文將在今后兩章中，按硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)加以詳細(xì)介紹。第 43 頁 共 43 頁中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3 汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本文所研制的汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和監(jiān)控軟件兩部分組成。本章將詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作，并兼顧在硬件設(shè)計(jì)過程中需要注意的一些問題。3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)汽車輪胎氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路按系統(tǒng)功能劃分，可分為輪胎模塊和主機(jī)模塊兩大部分。其中，輪胎模塊整體安裝在輪胎內(nèi)，主要

36、完成輪胎壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的初步處理以及信息的無線傳輸功能。主機(jī)模塊安置于汽車駕駛室內(nèi)，主要完成信息的無線接收、數(shù)據(jù)的區(qū)分處理、聲光報(bào)警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。系統(tǒng)硬件功能框圖如圖3.1所示。 圖3.1 系統(tǒng)硬件功能模塊框圖 在系統(tǒng)的工作運(yùn)行中，輪胎模塊始終處于封閉環(huán)境中，駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機(jī)必須依靠無線方式來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸，才能將輪胎的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地提供給駕駛員。因此，輪胎模塊與主機(jī)模塊之間的無線通信是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，同時(shí)，這也是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)之一。3.2 輪胎模塊設(shè)計(jì)在不斷高速旋轉(zhuǎn)的輪胎內(nèi)部這樣的封閉工作環(huán)境中，要求輪胎模塊體積盡量小、重量盡量輕。為此，在設(shè)計(jì)中

37、盡量減少芯片外圍器件的數(shù)量，以設(shè)計(jì)出 pcb 面積較小的輪胎模塊電路。圖 3.2 是系統(tǒng)的輪胎模塊功能原理框圖由輪胎模塊實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，可分為核心微控制器、測量電路和發(fā)射電路 3 個(gè)部分加以詳述。其中微控制器 mc68hc908rf2 為輪胎模塊的控制和數(shù)據(jù)處理核心單元，與集成傳感器一起完成輪胎的壓力測量，微控制器mc68hc908rf2 內(nèi)部自帶的射頻發(fā)射器與其匹配的外圍器件一起構(gòu)成發(fā)射電路。圖3.2 輪胎模塊功能原理框圖3.2.1 核心微控制器 mc68hc908rf2微控制器 mc68hc908rf2 是由 freescale 公司（前 motorola 公司半導(dǎo)體部）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 m68

38、hc08 系列 8 位微控制器單元（mcu），其突出特點(diǎn)就是低功耗、高性能。mc68hc08 系列微控制器基于不同的用戶群需求，采取專用集成的設(shè)計(jì)理念，提供了適合特殊應(yīng)用需求的、具有多種外圍功能模塊搭配的微控制器。該系列所有的微控制器均使用了增強(qiáng)的 mc68hc08 中央處理器單元（cpu08）。為了實(shí)現(xiàn)低功耗及 32 引腳的超小外形封裝（lqfp），mc68hc908rf2還進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是其內(nèi)部自帶的射頻發(fā)射器，非常適合應(yīng)用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其具有如下特性：高性能的 mc68hc08 結(jié)構(gòu)；工作電壓在 3.3v 時(shí)，內(nèi)部總線頻率最大可達(dá) 4mhz；在 1.8v 電壓時(shí)，內(nèi)部總線頻率最大

39、可達(dá) 2mhz；無需任何外圍器件的內(nèi)部振蕩器，軟件選擇內(nèi)部振蕩器頻率，可校正精確到2%，也可選擇使用外部時(shí)鐘源或晶體/陶瓷諧振器；可加密的 2k 字節(jié) flash 程序存儲(chǔ)器；128 字節(jié)的 ram；16 位、雙通道定時(shí)器接口模式（tim）；12 個(gè)通用輸入/輸出（i/o）端口，其中 6 個(gè)帶有鍵盤喚醒功能，2 個(gè)與定時(shí)器模塊共用；低電壓禁止（lvi）模式，檢測到芯片電源電壓降到 1.85v 時(shí)，置mcu 復(fù)位，檢測到 2.0v 時(shí)，置指示器標(biāo)志位；具有喚醒特征的 6 位鍵盤中斷；芯片內(nèi)部集成有超高頻（uhf）發(fā)射器；具有多重系統(tǒng)保護(hù)特征：計(jì)算機(jī)正常工作（cop）復(fù)位，低壓檢測復(fù)位，非法操作代

40、碼檢測復(fù)位，非法地址檢測復(fù)位；帶有停止和等待模式的低功耗設(shè)計(jì)11。mc68hc908rf2 是輪胎模塊的核心器件，既作為測量監(jiān)控的微控制器，同時(shí)還內(nèi)置有 uhf 發(fā)射器。其標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為 3v，最低可工作在 1.8v 電壓下，芯片工作溫度范圍4080，能夠承受惡劣的室外環(huán)境。mc68hc908rf2 微控制器部分的工作并不需要外部晶振，因?yàn)閹в幸粋€(gè)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器（icg），通過軟件設(shè)定可以得到一個(gè)滿足其可靠工作要求的時(shí)鐘頻率12，13。3.2.2 測量電路設(shè)計(jì)mpxy8020a 是 freescale 公司的 8 引腳集成傳感器，它在一個(gè)芯片上集成了可變電容的壓力傳感單元、溫度傳感單元和數(shù)字接

41、口電路（具有喚醒特性），能夠同時(shí)對輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字化輸出。該傳感器具有 2.1v3.6v 的寬范圍工作電壓，工作溫度為40125，功耗低，能夠在封閉的輪胎內(nèi)部可靠工作。該傳感器的壓力傳感單元是采用表面微機(jī)械加工（mems）而成的電容性傳感器，溫度傳感單元?jiǎng)t由集成擴(kuò)散電阻構(gòu)成。壓力信號的狀態(tài)首先是由開關(guān)電容放大器把電容轉(zhuǎn)換成電壓，由電壓比較器與串行輸入的 8 位可編程門限電平比較，通過調(diào)整門限電平和檢測引腳 out 的狀態(tài)，外部設(shè)備就可以獲知門限電平是否被打破，或執(zhí)行 8 位 a/d 轉(zhuǎn)換。一個(gè)雙通道的多路選擇器可以把壓力信號送到采樣電容器，得到數(shù)字化壓力數(shù)據(jù)的

42、輸出過程。如表3.1，傳感器的幾種工作模式是通過引腳 s1 和 s2 上的輸入電壓來選擇的。測量結(jié)果模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過 8 級門限電平比較，采用連續(xù)逼近算法來實(shí)現(xiàn)的。以電壓方式存儲(chǔ)測量結(jié)果的采樣電容器，其電壓能保持到足夠完成一次 8 位的 a/d 轉(zhuǎn)換。 表3.1 mpxy8020a的工作模式s1 s0工作模式 工作電路壓力測 溫度測 a/d輸 lfo 量系統(tǒng) 量系統(tǒng) 出比較 晶振動(dòng)串行數(shù)據(jù)計(jì)算器0 01 0 1 0空閑/復(fù)位壓力測量溫度測量off off off onon off off onoff on off on工作復(fù)位復(fù)位 1 1數(shù)據(jù)輸出 off off on on 工作根據(jù)圖3

43、.2 所示傳感器與微控制器之間的控制關(guān)系，如圖3.3 所示，是具體的輪胎模塊測量電路圖。mc68hc908rf2 通過控制引腳 s1 和 s2 的電平來選擇不同的工作模式。在數(shù)據(jù)輸出模式下，通過引腳 data 將表示比較電平的 8位數(shù)據(jù)伴隨引腳 clk 上的同步脈沖輸入傳感器，比較電平與存儲(chǔ)測量結(jié)果的采樣電容圖3.3 輪胎模塊測量電路圖器間的比較結(jié)果可以從引腳 out 上讀出，以此得到數(shù)字化的 8位測量數(shù)據(jù)。在傳感器內(nèi)部低頻振蕩器控制下，引腳rst 大約每 52 分鐘發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，可以起到對其它器件的復(fù)位或者喚醒功能。3.2.3 發(fā)射電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路是實(shí)現(xiàn)輪胎模塊與主機(jī)模塊之間通信的硬件連

44、接，主要由超高頻（uhf）發(fā)射器、外圍電路、匹配網(wǎng)絡(luò)和印刷天線構(gòu)成。mc68hc908rf2 微控制器內(nèi)部集成的射頻發(fā)射模塊，實(shí)際上就是 uhf發(fā)射器 mc33493，它是與主機(jī)模塊的 uhf 接收器 mc33594 相對應(yīng)的射頻發(fā)射芯片。其主要特性如下：具有多個(gè)發(fā)射頻段：315mhz，434mhz 和 868mhz；開關(guān)鍵控（ook）和頻移鍵控（fsk）的調(diào)制模式；可調(diào)輸出功率范圍；全集成的壓控振蕩器（vco）；極低的待機(jī)電流：；低于電源電壓停工；面向微控制器的數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出；較少的外圍器件數(shù)量14。該發(fā)射器是一個(gè)鎖相環(huán)（pll）調(diào)諧的低功率超高頻發(fā)射器。由微控制器通過幾個(gè)數(shù)字輸入引腳來控制不

45、同的工作模式。1.9v3.7v 的電源電壓只由一塊鋰電池供電就可工作。內(nèi)部振蕩器 vco 完全集成了相位頻率檢測器和環(huán)形濾波器。外接的晶體振蕩器為發(fā)射器的鎖相環(huán)提供參考頻率，通過 vco 后得到數(shù)據(jù)發(fā)射所需的輸出頻率。準(zhǔn)確的發(fā)射輸出頻率可由式（3.1）得出： 分頻比 （3.1）發(fā)射器通過引腳 band 來選擇數(shù)據(jù)的發(fā)射頻段。按表3.2 給出的發(fā)射器頻段選擇及相應(yīng)的匹配晶體振蕩器頻率，可以根據(jù)應(yīng)用需要來選擇外接的晶體振蕩器的頻率。表3.2 頻帶選擇及附加分頻器比率 band引角 頻段 輸入電平 （mhz） 鎖相環(huán)（pll） 晶體振蕩器頻率 分頻比 （mhz） 315 高電平 434 低電平 86

46、8 9.84 32 13.56 64 微控制器通過 4 個(gè)數(shù)字輸入引腳（enable，data，band 和 mode）來控制這個(gè)發(fā)射電路，用于 uhf 發(fā)射器的控制和數(shù)據(jù)輸入。發(fā)射機(jī)提供一個(gè)數(shù)字輸出引腳（dataclk）給微控制器，用于給串行輸入數(shù)據(jù)提供參考同步脈沖。如表 3.3 所示，發(fā)射器為輸入數(shù)據(jù)提供的同步脈沖頻率為外接晶體振蕩器頻率除以 64。表3.3 相對晶體振蕩器頻率的 dataclk 頻率 晶體振蕩器頻率 dataclk頻率 （mhz） （khz） 9.86 154 13.56 212一個(gè)完整的發(fā)射/接收電路不僅僅只是uhf發(fā)射/接收器及其外圍器件的簡單連接，還要有適合數(shù)據(jù)發(fā)射

47、/接收的匹配網(wǎng)絡(luò)（matching network）和天線（antenna）。圖3.4是射頻發(fā)射/接收電路基本結(jié)構(gòu)框圖。圖3.4 射頻發(fā)射/接收電路基本結(jié)構(gòu)框圖在射頻電路設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，在源和負(fù)載之間以及各模塊之間插入一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，通常這種無源網(wǎng)絡(luò)被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅僅可以減小功率損耗，它們還具有減小噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等功能。天線是無線射頻通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。無線通信是靠空間的電磁波來傳遞信息，而電磁波的產(chǎn)生和接收都必須由天線來完成。圖 3-5 是具體的輪胎模塊發(fā)射電路圖，給出了超高頻（uhf）發(fā)射器的外圍電路和匹配網(wǎng)絡(luò)的具體連接。

48、表3.4是圖3.5發(fā)射電路中發(fā)射器的外圍器件說明。該發(fā)射電路圖的發(fā)射頻段為 433.92mhz，采用 fsk 數(shù)據(jù)調(diào)制模式。微控制器與定時(shí)器模塊共用的引腳連接發(fā)射器的引腳 dataclk 和 data，以在向發(fā)射器輸入數(shù)據(jù)時(shí)依靠準(zhǔn)確定時(shí)與數(shù)據(jù)速率同步。圖中標(biāo)值為 n/c 的電阻和電容是可選器件，根據(jù)發(fā)射數(shù)據(jù)的調(diào)制方式和發(fā)射電路的發(fā)射功率來決定是否連接。根據(jù)系統(tǒng)采用的射頻通信方案為fsk 數(shù)據(jù)調(diào)制模式，發(fā)射頻段433.92mhz，輪胎模塊到主機(jī)模塊的發(fā)射距離短，5 米以內(nèi)即可，發(fā)射功率小。所以，圖 3.5 中的 r3 和 c8 處空出不接，并根據(jù)表 3.5，c5 選擇 10pf。輪胎模塊總電路可

49、參看附錄a。圖3.5 輪胎模塊發(fā)射電路圖表3.4發(fā)射電路外圍器件說明器件功能取值y1震蕩器315mhz 頻段，參看表 3-2mhz434mhz 頻段，參看表 3-2mhz868mhz 頻段，參看表 3-2mhzr1rf 輸出電平設(shè)置電阻（rext）12kc2電源去耦電容100pfc322nfc4震蕩負(fù)載電容ook 調(diào)制模式：18pffsk 調(diào)制模式：27pfc5僅用于 fsk 模式的振蕩器牽引電容請看表 3-5pf表3.5 相對載波頻率總體偏差的晶體振蕩器牽引電容取值載波頻率（mhz）載波頻率總偏移（khz）電容取值（pf）434401870101006886880181401020068輪胎

50、模塊 uhf 發(fā)射電路的發(fā)射匹配網(wǎng)絡(luò)由電感 l1、電容 c6 和 c7 組成。3.3 主機(jī)模塊設(shè)計(jì)位于駕駛室內(nèi)的主機(jī)模塊，主要完成信息的無線接收、數(shù)據(jù)的區(qū)分處理、聲光報(bào)警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。根據(jù)主機(jī)模塊的實(shí)現(xiàn)功能，將其細(xì)分為核心微控制器、接收電路、人機(jī)接口和顯示及報(bào)警電路四個(gè)部分詳述。其中，實(shí)現(xiàn)信息顯示的系統(tǒng)外圍顯示及報(bào)警電路將在下節(jié)介紹。主機(jī)模塊總體電路參看附錄b。3.3.1 核心微控制器 mc68hc908kx8mc68hc908kx8 和輪胎模塊的核心微控制器一樣，同屬于 freescale 公司的 mc68hc908 系列微控制器，具有相同的中央處理器，只是在被集成的具體外圍

51、功能模塊上略有不同。其具有如下特性：工作電壓為 5v 時(shí)，內(nèi)部總線頻率最大可達(dá) 8mhz；為 3v 時(shí)，內(nèi)部總線頻率最大可達(dá) 4mhz；無需任何外圍器件的內(nèi)部振蕩器，軟件選擇內(nèi)部振蕩器頻率，可校正精確到2%，也可選擇使用外部時(shí)鐘源或晶體/陶瓷諧振器；可加密的 8k 字節(jié) flash 程序存儲(chǔ)器；192 字節(jié)的 ram；串行通信接口（sci）模塊；時(shí)基模塊（tbm）：提供分頻比可選的周期性實(shí)時(shí)中斷；13 個(gè)通用輸入/輸出（i/o）端口，其中 5 個(gè)帶有鍵盤喚醒功能，2 個(gè)與 sci 模塊共用；可編程的低于電源電壓停工，2.6v 或 4.3v 可選。mc68hc908kx8 是主機(jī)模塊的核心器件之

52、一，作為主機(jī)模塊的微控制器，實(shí)時(shí)接收并處理射頻接收器收到的輪胎測量數(shù)據(jù)，并控制顯示及報(bào)警電路 的 工作， 同時(shí)留有一個(gè)可與pc機(jī)通信的 rs-232 接 口 。盡管mc68hc908kx8 也有內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，但其串行通訊接口（sci）要求非常精確的定時(shí)，所以，還是需要一個(gè)外部晶體振蕩器。mc68hc908kx8 的工作電壓有 2 個(gè)，3v 或 5v 均可，工作溫度范圍40125。但為了統(tǒng)一主機(jī)模塊電路的工作電壓，方便電路的設(shè)計(jì)，mc68hc908kx8 采用 5v 的工作電壓。mc68hc908kx 的 i/o 口資源較少，但因?yàn)槠渚哂锌煽康男阅?、較低的價(jià)格和符合設(shè)計(jì)要求的芯片內(nèi)部資源，還是

53、本系統(tǒng)芯片選型的合適對象。3.3.2 接收電路設(shè)計(jì)mc33594是與mc33493相對應(yīng)的單片集成pll調(diào)諧uhf數(shù)據(jù)接收器。該芯片內(nèi)含660khz的中頻帶通濾波器、完整的壓控振蕩器（vco）、可消除鏡像的混頻器、曼徹斯特編碼時(shí)鐘再生電路以及完整的spi接口，可用于設(shè)計(jì)315mhz/ 434mhz的ook/fsk接收電路。mc33594芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為射頻部分和控制部分。射頻部分由能消除鏡像干擾的混頻器、660khz的中頻帶通濾波器、自動(dòng)增益控制級和ook/fsk解調(diào)器組成；控制部分則包含有數(shù)據(jù)管理器、配置寄存器、串行接口、狀態(tài)控制器等。mc33594的串行接口采用motorola公司開發(fā)的

54、三線制spi（serial peripheral interface）串行外部接口總線協(xié)議。通過spi接口可對uhf接收器的數(shù)據(jù)解調(diào)類型、數(shù)據(jù)率、uhf頻段、id控制字等進(jìn)行初始化編程，接收到的數(shù)據(jù)也可以在數(shù)據(jù)管理器工作時(shí)從spi端口輸出。mc33594與微控制器之間的通信一般通過spi進(jìn)行，其spi接口通過以下三個(gè)輸入/輸出引腳來實(shí)現(xiàn)操作：串行時(shí)鐘sclk；主控輸出受控輸入mosi；主控輸入受控輸出miso15。微控制器可通過引腳strobe選通mc33594，也可讓mc33594內(nèi)部工作在等待-休眠循環(huán)模式下來降低功耗，在引腳strobe上加高電平就能將處于休眠狀態(tài)的mc33594激活。當(dāng)接收電路工作在315mhz頻段時(shí)，應(yīng)選擇9.864375mhz晶振；工作在434mhz時(shí)，選13. 580625mhz的晶振。圖3-6是主機(jī)模塊mc33594的接收電路圖。表3.6是該接收電路圖的器件功能說明。與發(fā)射電路相對應(yīng)的是，接收電路同樣工作在 圖3.6 mc33594接收電路圖433.92mhz頻段，mc33594的50匹配網(wǎng)絡(luò)由電感 l1、電容c5和c7構(gòu)成，其中電感取值 68nh2%，電容 c51.5pf10% ，c7=100pf10%。 當(dāng) mc33594 工作在 fsk 模式下，按表 3.7所示，選擇最