中北大学2009届毕业设计说明书
受力于一身的综合型；按传感器的安装方式分类，可分为悬挂式和植入式。下面着重介绍几种方案：
（1）磁敏法检测轮胎压力
通过霍尔装置采用磁敏检测法检测轮胎的充气压力。其中轮胎气压传感器安装在车轮轮辋上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化，从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。车体的控制单元对经过调理的霍尔装置输出信号进行采样，并将数据送入存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎压力值及其状态。该方案优点是抗干扰能力和可靠性较好，但系统测量精度难以保证。
（2）数字集成压力传感器及无线射频数据传输
随着集成电路制造技术的发展，出现了新型制造工艺表面微机械加工（MEMS），应用该技术制造出的集成多种功能的传感器芯片，克服了早期压力传感器体积较大、只能模拟量输出等不易应用于汽车轮胎压力实时监测的条件限制，为 TPMS 技术的发展和普及提供了坚实的基础。
目前的轮胎压力监测系统主要以无线传输/电子测量为主要的工作方式，并逐步以此进入产业化阶段。然而不同车辆不同地区对这个系统的要求是各不相同的，这些问题将随着轮胎压力监测系统的不断发展和完善而得到解决[10]。
本文研制的轮胎气压实时检测系统采用当今比较流行的数字集成传感器加无线射频数据传输的系统模式。 2.2.2 系统设计要求 （1）系统工作环境
轮胎气压实时监测系统是用来实时监控汽车轮胎的工作状态的。为实时测得轮胎的压力数据，其具有数据测量功能的轮胎模块需要安装在汽车轮胎内部，工作在轮胎封闭的环境中。对有内胎轮胎，轮胎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，轮胎模块可固定安装在轮辋上。由于在汽车行驶过程中，轮胎始终处于高速旋转状态，因而在数据的传输方式上不能采用有线方式。结合汽车行驶中的复杂环境，能够让驾驶员及时可靠地得到预警报警信息，通过
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无线射频通信方式来传输轮胎数据信息是最佳选择。图2.1是安置在轮胎内部的轮胎模块的无线发射示意图。
由于轮胎在汽车行驶过程中的高速旋转和震动，安置于轮胎内部的轮胎模块必须固定牢靠。当发射电路随着轮胎旋转到远离主机位置（如图 2-1 的位置 2）时，由于金属轮辋对信号的屏蔽作用，主机模块接收灵敏度将会有所下降。但在轮胎高速旋转状态下不会对系统的可靠性产生影响。系统工作在室外现场环境，须有较宽的工作温度范围。
图2.1 轮胎模块无线发射示意图
（2）系统功能要求
轮胎气压实时监测系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常或漏气给予实时数据读取并显示，加强汽车高速行驶的行车安全性。
本课题研究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轮胎模块实时测量轮胎压力，通过射频发射模式将测得的轮胎状态信息发送到驾驶室内的系统主机，定时通过主机显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解轮胎的实时状态信息。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，必须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。汽车轮胎气压实时监测系统的系统功能要求归纳如下：
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①实时监测各个轮胎的压力状态情况； ②并显示该轮胎当前的具体压力状况； ③轮胎保养换位后可重新对各轮胎进行定位。 （3）系统技术要求
结合前文所述，给出系统主要技术指标要求：体积小，重量轻，便于保持轮胎的动平衡；功耗低，轮胎模块的功耗尽可能要低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作；适当的有效发射接收范围，使驾驶室内的主机及时可靠地接收到发送来的信息；较高的压力测量精度，要求达到±0.01Mpa 以上；考虑到技术推广和产品化，要保持合理的全套系统成本。 2.2.3 系统方案设计
本文采用主动直接式轮胎压力监测技术，针对轮胎气压实时监测系统的实际应用情况，确定轮胎气压实时监测系统由轮胎模块和主机模块两部分构成的系统研制方案。系统设计方案框图如图2.2所示。
图2.2汽车轮胎气压实时监测系统组成
轮胎模块以 MEMS 压力温度集成传感器和 MC68HC908 系列微控制器为核心，实现轮胎压力的检测，以及测量数据的初步处理，微控制器通过超高频（UHF）发射器将采集的数据进行无线传输。主机模块由 UHF 接收器和 MC68HC908 系列微控制器构成，完成信号的接收、解调、处理、和显示。所以可以连续监测轮胎气压，并读取出实时数据。主机模块微控制器对报警信息进行确认，由于系统的轮胎模块和主机模块间是通过无线射频方式进行数据通信，因此，必须确定符合系统应用要求的无线通信模式。
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通信方案是以数据9600bps 的速率发送，采用 FSK 调制的曼彻斯特编码。移频键控（FSK）是数字通信中经常使用的一种调制方式。FSK 方法简单，易于实现，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。因此，FSK 主要应用于低、中速数据传输。曼彻斯特（Manchester）编码是常用的数字信号编码之一。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分 1 和 0。因此，这种编码也称为相位编码。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟。本文研制的系统需要传送的数据量很少，仅是必要的轮胎 ID 识别码、压力数据及一些状态信息，加之需要保证数据传输的可靠性和到达率，因此，选用上述无线射频通信模式是比较合适的。系统核心器件采用的是 Motorola 微控制器。Motorola 一直是世界上最大的单片机厂商之一，其单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合应用于工控领域及恶劣的工作环境，且价格合理。考虑轮胎模块微控制器 MC68HC908RF2 内置的 UHF 发射器，则主机模块接收器选择与其对应的UHF接收器MC33594。轮胎模块传感器采用MEMS传感器 MPXY8020A，该器件不但功耗低，带有数字接口，还同时集成了压力传感模块，十分适合本文所研制系统的技术要求。
对于进一步的系统方案设计情况，本文将在今后两章中，按硬件设计和软件设计加以详细介绍。
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3 汽车轮胎气压实时监测系统的硬件设计
本文所研制的汽车轮胎气压实时监测系统主要由系统硬件和监控软件两部分组成。本章将详细介绍系统的硬件设计工作，并兼顾在硬件设计过程中需要注意的一些问题。 3.1 系统硬件设计
汽车轮胎气压实时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。其中，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、数据的区分处理、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 系统硬件功能模块框图
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。 3.2 轮胎模块设计
在不断高速旋转的轮胎内部这样的封闭工作环境中，要求轮胎模块体积尽量小、重量尽量轻。为此，在设计中尽量减少芯片外围器件的数量，以设计出 PCB 面积较小的轮胎模块电路。图 3.2 是系统的轮胎模块功能原理框图
由轮胎模块实现的系统功能，可分为核心微控制器、测量电路和发射电路 3 个部分加以详述。其中微控制器 MC68HC908RF2 为轮胎模块的控制和数据处理核心单元，与集成传感器一起完成轮胎的压力测量，微控制器MC68HC908RF2 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。
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