一、前言

輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System 縮寫(xiě)為T(mén)PMS）是最近幾年發(fā)展起來(lái)的實(shí)時(shí)壓力溫度檢測(cè)系統(tǒng)，可以讓駕駛者時(shí)刻了解行駛中車(chē)輛輪胎的狀況。目前，TPMS主要分為兩種類(lèi)型，一種是Wheel-Speed Based TPMS（簡(jiǎn)稱(chēng)：WSB TPMS，或稱(chēng)為間接式TPMS），這種系統(tǒng)是通過(guò)汽車(chē)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(lèi)型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(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。中國(guó)上海生產(chǎn)的別克有此系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以測(cè)量出汽車(chē)4個(gè)輪胎的旋轉(zhuǎn)狀況，并在有輪胎旋轉(zhuǎn)異常時(shí)警告駕駛員。另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（簡(jiǎn)稱(chēng)：PSB TPMS，或稱(chēng)為直接式TPMS），這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。直接式TPMS從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。許多歐洲的汽車(chē)廠(chǎng)商將PSB TPMS配裝于自己的車(chē)型之中，其中包括，德國(guó)寶馬的Z8，法國(guó)雪鐵龍的C5，英國(guó)阿斯頓·馬汀的超級(jí)跑車(chē)Vanquish，林肯大陸，旁蒂克的旗艦Bonneville SE等等，梅賽德斯—奔馳S級(jí)轎車(chē)也將TPMS作為選裝件；另外，2002年夏天上市的克萊斯勒與道奇（Dodge）迷你箱型車(chē)以及Chrysler300M與Concorde Limited客車(chē)也裝設(shè)TPMS。國(guó)內(nèi)多數(shù)汽車(chē)廠(chǎng)家目前還沒(méi)有進(jìn)行這方面的研究，也沒(méi)有安裝直接式TPMS。中國(guó)加入WTO以后，隨著國(guó)際化的要求，相信國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家會(huì)跟上這個(gè)步伐。

二、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外，最早研究輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的公司是加拿大的Smartire公司。該公司于1987開(kāi)始輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，目前已形成了摩托車(chē)、小汽車(chē)、大型客車(chē)、大型載重貨車(chē)等系列輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)，最多可接收16個(gè)輪胎的壓力檢測(cè)。其產(chǎn)品全部采用直接式TPMS的原理生產(chǎn)，產(chǎn)品暢銷(xiāo)美國(guó)、歐洲。日本的Bblanks公司2003年在中國(guó)和日本同時(shí)推出輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)A.I.S，國(guó)內(nèi)由深圳博安汽車(chē)用品有限公司總代理，目前也正在大力推廣宣傳。其他還有美國(guó)的Measurement Sepecialties.Inc，美國(guó)的Better Microsystems，Inc等一些公司也在生產(chǎn)輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)，但規(guī)模不大。在國(guó)內(nèi)，目前該產(chǎn)品還未得到大規(guī)模推廣，也未見(jiàn)到類(lèi)似產(chǎn)品的研究報(bào)道。除幾家國(guó)外產(chǎn)品的代理外,基本沒(méi)有生產(chǎn)銷(xiāo)售TPMS系統(tǒng)的廠(chǎng)家。

三、工作原理

本方案采用直接式輪胎壓力測(cè)量系統(tǒng)。直接式輪胎壓力測(cè)量系統(tǒng)的一般構(gòu)成為：壓力、溫度檢測(cè)和信號(hào)發(fā)射部分與壓力、溫度信號(hào)接收及信號(hào)處理部分。壓力傳感器固定在輪胎內(nèi)部，它實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的壓力和溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)給接收裝置，接收裝置在收到射頻信號(hào)后，首先識(shí)別輪胎的ID地址，然后判斷壓力和溫度是否超限，再做相應(yīng)的顯示和聲光動(dòng)作。

四、研制難點(diǎn)

1)發(fā)射部分的節(jié)能問(wèn)題

發(fā)射部分裝到輪胎內(nèi)部，在檢測(cè)溫度、壓力以及發(fā)射時(shí)都要消耗電能，尤其是在發(fā)射時(shí)，瞬間電路可以達(dá)到12mA，如果沒(méi)有節(jié)能措施，300mAH的電池將很快消耗完。

2)高頻的接收和發(fā)射部分

目前國(guó)外對(duì)于消費(fèi)類(lèi)和汽車(chē)類(lèi)產(chǎn)品，無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品普遍采用ISM頻段作為接收和發(fā)射頻段，其中434MHz是常用的頻率。該類(lèi)集成芯片有一定的市場(chǎng)支持，但由于該頻段無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品性能存在較大差異，產(chǎn)品設(shè)計(jì)無(wú)參照可比性，設(shè)計(jì)有一定難度。另外，對(duì)于高頻電路來(lái)說(shuō)，元件布局、選取，以及電路板布線(xiàn)、電路板選材都有要求和不確定性，硬件設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。

3)接收器的功能和軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)汽車(chē)胎壓檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)講，實(shí)現(xiàn)基本功能是先決條件，但要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，就要有與其他公司產(chǎn)品不同的或更為先進(jìn)的地方。借鑒國(guó)外產(chǎn)品的界面設(shè)計(jì)，從國(guó)內(nèi)實(shí)際情況出發(fā)，我們對(duì)產(chǎn)品功能和用戶(hù)界面進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。

4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在參考國(guó)外設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以摩托羅拉的AN1951文檔做為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，我們確定了下列開(kāi)發(fā)方案：發(fā)射部分以MPXY8000系列電容式壓力傳感器、MC68HC908RF2單片處理和發(fā)射芯片做為核心器件。MPXY8000系列傳感器是摩托羅拉公司生產(chǎn)的壓力檢測(cè)芯片，它內(nèi)置溫度和壓力傳感器，能同時(shí)檢測(cè)外界環(huán)境的壓力和溫度，具有體積小、重量輕、抗干擾性能好、溫度范圍寬、穩(wěn)定性好，功耗小等優(yōu)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)輸出形式為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換（需要處理器參與轉(zhuǎn)換）。它有壓力和溫度測(cè)量模式選擇管腳、數(shù)據(jù)通訊管腳、輸出管腳，其中輸出管腳能每隔3秒鐘輸出一個(gè)脈沖來(lái)喚醒單片機(jī)，同時(shí)該管腳也是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的比較輸出管腳。

利用該傳感器，配合軟件設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了傳感器的檢測(cè)和發(fā)射功能，使傳感器工作時(shí)耗能最小。傳感器的信號(hào)發(fā)射和接收部分分別以RF2和MC33594作為主體芯片。RF2可工作于315MHz、434MHz、868MHz發(fā)射頻率，能在幅移鍵控（OOK）和頻移鍵控（FSK）兩種發(fā)射方式下工作，其標(biāo)稱(chēng)最大發(fā)射功率是3dBm。我們選用的工作方式是434MHz、頻移鍵控（FSK），發(fā)射功率為-3dBm。

在發(fā)射部分布板時(shí)的布板原則是：讓傳感器在可能的情況下，盡量遠(yuǎn)離晶振和發(fā)射電路部分，傳感器底面電路板覆銅，讓發(fā)射部分對(duì)傳感器的干擾減小到最低；晶振盡量靠近發(fā)射電路，底面電路板覆銅；發(fā)射和信號(hào)處理電路電源正，采用菊花鏈?zhǔn)讲季€(xiàn)方式連接，濾波電容盡量靠近芯片濾波管腳；電路板底層大面積覆銅，并與電源地線(xiàn)連接，元件布局按功能分區(qū)，不交叉擺放；連線(xiàn)以信號(hào)通透順暢為準(zhǔn)，盡量不出現(xiàn)急轉(zhuǎn)急折的布線(xiàn)。

MC33594是接收部分的主體芯片，通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置，它能接收315MHz、434MHz的曼徹斯特編碼的射頻信號(hào)，將接收到的434MHz的射頻信號(hào)解碼后，將還原的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口發(fā)送到單片機(jī)處理，它的接收數(shù)據(jù)速率最大可達(dá)9600bps，接收靈敏度可達(dá)-105dBm。MC33594的布板與RF2的布板類(lèi)似，但為了與其他電路隔離，互不干擾，MC33594與它的外圍元件應(yīng)靠近電路板邊緣，并與其他電路有明顯的空間隔離，另外，引入該區(qū)域的電源線(xiàn)和地線(xiàn)只有一對(duì)，防止電源線(xiàn)正或負(fù)自身形成回路，接收外部干擾信號(hào)。

對(duì)于外部元器件的選取也很重要，電路中的接收和發(fā)射的基準(zhǔn)晶振采用高穩(wěn)定、溫度系數(shù)小、溫區(qū)寬的汽車(chē)認(rèn)證產(chǎn)品，電容均采用高頻電容，電感也采用高Q值的電感。接收器設(shè)計(jì)，在國(guó)外產(chǎn)品的功能設(shè)置的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了具有自己特色的用戶(hù)界面和功能，使報(bào)警含義明確、直觀(guān)，功能設(shè)置操作簡(jiǎn)便。根據(jù)產(chǎn)品功能，比較不同的單片機(jī)芯片，我們選用MC68HC908LJ12做為接收處理芯片，它具有下列特性：12K的可編程FLASH；512字節(jié)的片內(nèi)RAM；兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器，有捕捉輸入和比較輸出功能；一個(gè)SCI和SPI接口；32個(gè)通用口；8位鍵盤(pán)中斷端口；常駐FLASH在線(xiàn)編程程序；低功耗設(shè)計(jì)。

MC68HC908LJ12的優(yōu)勢(shì)在于：有硬件SPI接口，方便與接收芯片MC33594通訊；需要很少的外圍器件擴(kuò)充，電路簡(jiǎn)單，能將低成本；內(nèi)部有可由程序?qū)懭牒筒脸拈W存，便于儲(chǔ)存設(shè)定的數(shù)據(jù)；端口多、有液晶接口便于以后擴(kuò)充功能；性?xún)r(jià)比高，市場(chǎng)占有率高，方便采購(gòu)。

五、結(jié)論

通過(guò)兩套輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品的車(chē)上試用，效果良好。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。