本科毕业设计轮胎压力监测系统Word格式.docx
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2.1TPMS工作原理·
2.2系统整体方案设计·
2.2.1系统设计要求·
2.2.2系统方案论证与设计·
5
2.3本章小结·
7
第3章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计·
8
3.1轮胎参数检测模块设计·
3.2系统低功耗设计·
9
3.3无线发射单元设计·
10
3.3.1天线匹配网络及设计·
11
3.3.2无线通信协议设计·
16
3.4TPMS检测发射模块的安装·
19
3.5本章小结·
20
第4章中央接收与处理模块的硬件设计·
21
4.1中央接收与处理模块总体设计·
4.2核心微控制器及RF接收单元设计·
4.3差错检测技术设计·
25
4.4人机接口硬件设计·
26
4.5联机通信单元设计·
28
4.5.1与ECU通信设计·
4.5.2车轮行驶状态信息共享设计·
29
4.5.3USB通信接口设计·
30
4.6看门狗与存储电路设计·
31
4.7TPMS轮胎定位技术·
32
4.8本章小结·
33
第5章系统软件设计·
34
5.1轮胎参数检测与发送程序设计·
5.2中央接收与处理模块程序设计·
36
5.3联机通信单元程序设计·
38
5.3.1CAN通信程序设计·
5.3.2车轮状态检测程序设计·
40
5.3.3USB通信程序设计·
41
5.4HMI程序设计·
42
5.5本章小结·
43
参考文献·
44
第1章绪论
1.1导言
未来数年内，安全性一直是推动轮胎压力监控系统（TPMS）发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎的缺陷有关，因此，TPMS有望成为发展最快的汽车电子应用。
TPMS是汽车轮胎压力监视系统主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。
TPMS的由来及市场TPMS是汽车轮胎压力监视系统“TirePressureMonitoringSystem”的英文缩写，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。
1.2TPMS研究现状
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。
据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。
而TPMS汽车胎压监视系统毫无疑问将是理想的工具。
凡世通（Firestone）轮胎的质量问题，造成了超过千人的伤亡，此事引起了业界和美国政府的高度关注，普利斯通/凡世通公司曾被迫一次收回650万只轮胎。
据美国汽车工程师学会最近的调查，美国每年有26万交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，另外，每年75%的轮胎故障是由于轮胎渗漏或充气不足引起的。
由于每年造成的经济损失巨大，美国政府要求汽车制造商加速发展TPMS系统，以求减少轮胎事故的发生。
因此，在2000年美国国会通过了TREAD法案。
TREAD法案的要求之一是到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统。
2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求2003年后所有的新车都需把这种系统作为标准配置。
回应TREAD法案，美国公路交通安全局（NTHTSA）要求到2007年，所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监视系统，并提出了汽车生产商的执行时间表：
美国市场出售的汽车，2004年占10%，2005年占35%，2006年占65%，2007年将达100%。
美国每年的汽车销量约为1500万辆（轿车/卡车）。
全球每年约5000万辆，平均每辆车需要4.2个轮胎（不包括备用胎）。
中国正在成为全球最大的新兴汽车市场，中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势，汽车保有量已突破2600万辆，年销售汽车将突破600万辆，未来5年将成为仅次于美国的全球第二大汽车销售国。
汽车安全产品将成为中国生机勃勃的新兴市场热点，今后每年的增长速度可达50%。
其中，仅TPMS技术产品2005年底的市场容量就将达20万套，近7亿元人民币；
2006将达到50万套，近17亿元。
根据2003~2010年汽车需求预测：
汽车年增长16%~20%；
轿车年增长19.2%~24%。
综合以上分析，预计，2005~2010年，中国汽车保有量将以16%以上的速度增长。
美国、欧洲已先后立法，要求在今后几年内实现汽车全部安装TPMS，因此，对TPMS的需要量与日俱增，美国的人工每小时起码7.5元美金，差不多是中国工人的日工资，面对量大的产品需要降低生产成本，TPMS的生产正在转向中国。
今后几年内中国必将成为TPMS的生产大国。
人的生命是最可贵的，因此，为与世界先进国家同步，我国关于汽车安装TPMS这样的生命安全保障预警系统法规迟早也会出台。
因此，目前我们国内已有数百家设计公司、生产厂家开始开发、设计、生产TPMS。
第2章TPMS原理及方案设计
TPMS主要用于在汽车行使时实时对轮胎压力、温度进行自动监测，对各种异常情况（如轮胎漏气、过低或过高气压、过高温度）进行预警以保障行车安全。
一般包括轮胎检测部分、无线数据传输部分、数据处理以及显示警告部分。
本章主要介绍TPMS的实现原理和进行具体方案的论证设计。
2.1TPMS工作原理
TPMS主要包括两个部分：
轮胎参数检测与发射模块和中央接收与处理模块。
前者一般由检测传感器、MCU、RF射频发射、天线和锂电池组成，主要负责汽车轮胎的压力、温度、加速度、模块电源电压的检测以及检测数据的无线传输，所有材料和元器件都要求满足-40℃~125℃的汽车级工作温度；
而后者一般由主控制器、人机接口、RF接收、语音告警等组成，完成所接收数据的处理，具有良好的人机交互功能，能及时警轮胎的异常信息。
TPMS原理框图如图2-1所示。
2.2系统整体方案设计
2.2.1系统设计要求
直接式胎压、温度预警系统为了实时测得胎压和胎温，检测传感器须安装在汽车轮胎内部，工作在密闭的环境中。
对有内胎的轮胎，传感器模块安装在内胎外面的垫胎上或嵌入垫胎中；
对无内胎轮胎（目前大部分为此类），传感器模块可固定在轮毂上。
此外，签于轮胎的旋转状态，检测数据只能采取无线传输方式。
图2-2是传感器模块的无线发射示意图，图中黑色的小方块表示传感器模块。
图2-2传感器模块发射示意图
当传感器模块随着轮胎旋转到远离接收机位置（如图2-2的位置2）时，金属轮毂会对无线发射信号产生一定的屏蔽作用，主机模块接收到的信号将会有所削弱。
此外，系统工作在室外环境，必须有较宽的工作温度范围。
胎压、温度预警系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警，加强汽车高速行驶的行车安全。
本课题研究设计的系统是新型的主动直接式轮胎压力监测产品。
系统在汽车行驶状态下通过置于轮胎内部的传感器模块实时测量轮胎压力和温度，通过射频方式将测得的状态信息发送到安装在驾驶室内的系统主机，并通过主机的液晶显示器（LCD）显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，如果出现异常（包括轮胎漏气、异常升温、传感器模块电源不足等）则发出报警信号。
此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。
但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，以及受拱型路面的影响，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。
有的轮胎磨损重，有的磨损轻，甚至还会出现轮胎的单边磨损不均匀。
为了延长轮胎的使用寿命，定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方法。
轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。
因此，研制的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能。
根据美联邦机动车辆安全标准：
当单个轮胎或平均每个轮胎压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低25％或更低时，或者低于规定的最低气压标准（无论符合哪种情况），一辆机动车辆上安装的TPMS必须警告驾车者；
当任何一个单个轮胎的压力，比车辆制造厂推荐的标准轮胎气压降低30％或更低时，或者低于规定的最低气压标准（无论符合哪种情况），一辆机动车辆上安装的TPMS必须警告驾车者。
综上，胎压、温度预警系统的主要功能要求归纳如下：
（1）实时监测各个轮胎的压力、温度、模块电源电压，数据无线传输；
（2）可设定各轮胎报警的上下门限；
（3）实时显示监测数据，及时准确报警异常情况；
（4）系统当前时间的显示和更改；
（5）可重新对各轮胎进行定位，便于轮胎保养换位及更换；
（6）CAN通信接口，方便与车载ECU联机；
（7）与PC通信能力，便于功能扩展以及数据的进一步分析处理；
（8）可检查并判断检测传感器故障，并予以告警；
（9）停车时系统的自动关闭。
结合前文所述，给出系统主要技术指标要求：
（1）体积小，重量轻，便于安装和保持轮胎的动平衡：
（2）功耗低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作，最好寿命在5-10年；
（3）RF（射频）信号接收灵敏度高，抗干扰、发射功率低并符合国际规范；
（4）通信信道的可靠和稳定性，对轮胎压力和温度的异常不能漏报和误报；
（5）较高的测量精度；
（6）汽车级工作温度范围：
-40℃~125℃，且符合相关标准并经济适用。
2.2.2系统方案论证与设计
TPMS根据其获取轮胎压力和温度的方法分类，可分为两大类：
第一类是间接式，即通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。
上海通用别克轿车安装的即是这种间接式TPMS，即当汽车行驶时，轮胎气压监测系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析，当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也发生相应变化。
监视系统将车轮转速的变化情况同预设的标准值比较，即可判断出轮胎气压过高或过低。
该类型系统的主要缺点是无法对速度超过100公里／时的情况进行判断。
同时，由间接式判断轮胎缺气的原理可知，当多于两个轮胎同时低压或高压时，系统将无法正常工作；
第二类是直接式，这是一种通过温度、压力传感器精确测定轮胎压力和温度的方式，所测定的数据需要通过无线方式发送到主机模块处理，但是需要增加额外设备和成本。
由于直接主动式TPMS精度高，技术成熟，能很好地满足人们的需求，因此选用直接有源式TPMS。
直接有源式的TPMS根据轮胎模块有无电池供电又可以分为主动式和被动式，主动式TPMS有电池供电，而被动式TPMS，则用一个中央收发器代替直接有源式TPMS中的中央接收器，安装在轮胎中的转发器（Transponder）代替发射器，接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器。
被动式TPMS虽然不需要电池供电，但也涉及到模块的取能问题，在目前没有更好的解决方案，或者将来利用车轮机械能转换成电能利用也是一个办法，因此选择主动式。
在本文的设计中，进一步加入了一些新的结构和功能，使之更加合理、安全、可靠和人性化。
TPMS系统通过植入轮胎内部的传感器实时采集轮胎压力、温度、锂电池电压、加速度信号，所采集的数据经过微控制器的初步处理后，利用RF无线射频方式发送至安装在驾驶室的接收器上，并通过LCD实时显示，当出现异常情况，立即启动告警信号。
另外，各TPMS器件生产厂商所提供的产品性能各有优点，考虑到产品的综合性能，选择Freescale最新推出的MPXY83XX系列胎压监测传感器作为核心器件。
MPXY83XX采用Freescale的系统级封装工艺，集成有一个8位S08内核的微控制器（512BRAM，16KBFlash）；
一个SmartMOS射频发射器（多种波特率选择，支持FSK／ASK调制模式）以及一个压力传感器和温度传感器；
带有探测器和解码器的低频（LowFreqency，LF）输入；
也可以包含一个可选的单轴（z），或者双轴（Z加X）加速计，用来进行运动监测及轮胎位置识别；
过温关断；
供电电压检测：
由LFO驱动的低功耗唤醒计时器和周期复位；
工作温度范围为-40℃~125℃，压力范围为100~1500kPa。
MPXY83XX系统封装解决方案旨在满足全球汽车的安全需求，实现精确、及时的胎压监控，系统高度集成、经济高效、其专有的低功耗技术使TPMS电池寿命能延长到10年。
基于MPXY83XX设计的系统原理框图如图2-3所示。
图2-3系统原理框图
此外，该系统还设计有与车载ECU和外部PC通信的接口，有利于用户实现所需要的拓展功能。
在本方案中，MPXY83XX完成对轮胎压力和温度的检测（包括系统电池电量和汽车加速度的检测）、检测数据的初步处理、ID发射，而处理监控单元主要完成RF接收、数据的最终处理和显示、CAN和USB通信、人机接口以及预警等。
其中，处理监控单元选用Freescale推出的汽车电子级MCU即MC9S08DZ60、高灵敏度RF接收芯片MC33594，器件的具体参数和应用电路设计见第四章。
2.3本章小结
本章主要介绍了TPMS系统原理，分析和提出了TPMS系统的性能参数要求，并在此基础上进行了系统方案的论证和设计，进行了器件的比较和选型，选择Freescale最新推出的具有高集成度的智能轮胎传感器模块，确保后面整个系统设计的低功耗、高集成度、模块化和更小型化。
第3章轮胎参数检测与发射模块的硬件设计
轮胎参数检测与发射模块主要完成对轮胎压力、温度、模块电池电量甚至包括Z轴向和x轴向加速度的检测，检测数据经过初步处理后通过RF发射到安装在驾驶室的中央接收模块。
其性能要求主要有检测精度高、无线通信可靠、低功耗等。
3.1轮胎参数检测模块设计
根据前面的方案论证设计，轮胎检测模块以Freescale的MPXY83XX为核心，因为该芯片集MCU、压力传感器、温度传感器、电压检测、可选的单轴（Z）或双轴（Z和x）加速计于一体，具有两个键盘输入中断（KeyBoardInterrupt，KRI），只需要极少量的外围器件就可以构成一个完整的检测发射系统。
外围器件主要包括少许电容、电阻、发射天线、供电用锂亚电池等。
因此，整个系统可以做得很精简，印刷电路板（PrintedCircuitBoard，PCB）板面积小，且性能较好，功耗低，安装方便。
具体实现原理图如图3-1所示。
图3-1轮胎检测发射模块原理图
Vcap引脚处电容C14的作用是充当内部充电泵升电路的负载电容。
当系统供电电池的电量不够时，为了保证通信的可靠性，则可以利用内部的充电泵升电路给天线发射提供更多能量，以保证无线通信的成功，如果不采用此功能时则Vcap脚必须悬空。
PTA0～PTA6引脚均可以作为通用I／O使用，但是如果没有使用则必须都接地。
为了节省电能（电池供电），检测模块只在特定的时间间隔内，进行传感器数据采集、分析以及RF发射，而大部分时间里处于低功耗的休眠状态，当然，可以通过PWU时钟或者LF两种方式唤醒。
这个特定的时间间隔取决于MPXY83XX内部的低频振荡器（LowFreqencyOscillation，LFO）和唤醒周期。
3.2系统低功耗设计
轮胎传感器检测模块装置安装在轮胎内部，一般是多年才更换一次，所以要求检测发射模块更稳定、更可靠和更低功耗。
在本文设计中，从两个方面着手：
一是低功耗器件的选择；
二是低功耗管理机制。
低功耗具体措施如下：
1）MPXY83XX本身的高集成度和很低的待机功耗（待机电流0.14μA）；
2）时钟频率、晶振的启动时间措施。
同等条件下，系统功耗与时钟频率和晶振的启动时间均成正比，即时钟频率越高，功耗越大，晶振启动时间越长，功耗越高；
3）休眠与唤醒机制。
此机制的实现在于采用高效的系统管理算法，由于MPXY83XX内嵌的是一个8bit的S08系列的MCU，其工作模式有正常行模式（RunMode）、后台运行模式（ActiveBackgroundMode）、等待模式（WaitMode）、停止模式（StopMode），每种模式的功耗不同，后台运行模式主要是在进行代码开发时用；
而在等待模式下，CPU关闭，系统时钟继续运行，系统电压调节部分保持工作；
停止模式下，系统时钟停止，具体又包括4种状态（停止模式l，停止模式2，停止模式3，停止模式4），列表这4种状态下MCU内部资源的运行情况如表3-1所示。
根据本系统设计，选择停止模式l。
表3-1MCU停止模式比较
表中的OptionallyOn是指在某些条件的具备或者使能的情况下，则可以启动该选项中的资源，PeriodicallyOn指周期性开启。
需要注意的是在TPMS应用中，LFO，PWU和参数寄存器始终保持为上电开启状态。
4）RF发射（包括发射功率、发射次数）。
RF发射功率的合适选择（配合天线），发射次数的抉择（当检测到压力或者温度等参数没有达到变化阈值，不启动RF发射，即只有当检测参数发生一定程度的变化，或者出现任意参数达到或超过预警阈值则启动RF发射），因为在合理的情况下，减少RF发射次数能有效降低功耗；
5）电池的选择。
传统的锂电池在-40℃低温时丧失电能，在100℃高温时会自动放电。
而锂亚电池优秀的高低温特性使其成为目前TPMS能源的最佳选择，能很好地满足TPMS宽温度范围的要求，此外，为了使其能供电3~5年，则必须设计好电源管理方案。
3.3无线发射单元设计
RF无线通信单元主要负责实现从轮胎检测模块到中央处理模块的数据通信，即给中央处理模块发送轮胎各参数，包括轮胎识别ID码、轮胎压力、轮胎温度、模块电池电量等，那么保证通信的可靠是系统设计的关键之一。
而无线通信的可靠性与通信协议的选择、发射天线的设计以及发射的功率等因素有关。
现分别从这些方面来进行轮胎检测模块无线发射单元的具体设计。
3.3.1天线匹配网络及设计
天线的基本功能是将发射机（或传输线）过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，则是将空间传来的无线电波能量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和中继的作用，其性能好坏直接影响到无线通信的效果。
天线技术涉及天线的几何形状、材料和介质等诸多因素。
TPMS发射器的天线靠近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高速行
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