基于射頻傳輸?shù)臒o(wú)線輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的蓬勃興起和交通的日趨發(fā)達(dá)，車輛行駛速度也不斷攀升，交通隱患的防范迫在眉睫。因輪胎漏氣和爆破等造成的交通事故很多是由輪胎工作溫度過(guò)高或不合理輪胎壓力引起的，因此，研究汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)對(duì)現(xiàn)代汽車行駛經(jīng)濟(jì)性、安全性和操縱穩(wěn)定性具有尤為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　TPMS主要用于汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力。目前TPMS主要分為間接式和直接式兩種類型。間接式，通過(guò)汽車ABS(防抱死制動(dòng)系統(tǒng))的輪速傳感器及輪胎的力學(xué)模型，間接求出輪胎壓力，以達(dá)到監(jiān)視輪胎壓力的目的。直接式，利用安裝在每一個(gè)輪輞上的以鋰離子電池為電源的壓力傳感器直接測(cè)量輪胎壓力，并通過(guò)無(wú)線調(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)顯示各個(gè)輪胎壓力，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎壓力狀況，當(dāng)輪胎壓力太低或有漏氣時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以確保行車安全。

　　下面對(duì)直接式基于射頻傳輸的無(wú)線輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

　　1 結(jié)構(gòu)原理

　　基于射頻傳輸的TPMS由發(fā)射模塊、接收顯示模塊和低頻喚醒模塊組成，3個(gè)模塊之間均通過(guò)電磁波無(wú)線傳輸信息。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 TPMS結(jié)構(gòu)原理

　　發(fā)射模塊安裝于輪輞上，通過(guò)傳感器感受到汽車啟動(dòng)加速度激活模塊工作，發(fā)送射頻數(shù)據(jù)信號(hào)。接收顯示模塊放置于駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上，能接收并顯示發(fā)射模塊發(fā)送的輪胎壓力值，駕駛者能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力變化。低頻喚醒模塊為手持式，通過(guò)發(fā)送射頻配置信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置的自學(xué)習(xí)，使發(fā)射模塊與其安裝的輪胎位置一一對(duì)應(yīng)。發(fā)射模塊的核心元器件為壓力傳感器。本工作設(shè)計(jì)的TPMS傳感器選用Infineon公司的SP30型，該傳感器集成了單片機(jī)、壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器等，能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)射模塊的控制。SP30型傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎壓力、溫度和加速度的快速測(cè)量，并能根據(jù)加速度判斷汽車是否在運(yùn)行，可以軟件控制發(fā)射模塊啟動(dòng)，大大延長(zhǎng)了電池使用壽命，且自帶單片機(jī)，能節(jié)約硬件成本，提高系統(tǒng)可靠性。

　　接收顯示模塊接收芯片選用Freescale公司的MC33594型，該芯片接收靈敏度高達(dá)一105dBm，能有效接收發(fā)射模塊發(fā)送的射頻幀，同時(shí)該芯片可將接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行曼徹斯特碼解碼，大大減小單片機(jī)的工作量，降低接收誤碼率。

　　2 TPMS設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

　　2．1 發(fā)射天線

　　發(fā)射天線是TPMS設(shè)計(jì)首要考慮的問(wèn)題，其直接決定了發(fā)射效果和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性?？紤]到發(fā)射模塊安裝在輪輞的氣門嘴處，輪胎高速旋轉(zhuǎn)給發(fā)射模塊以極大的離心力，因此內(nèi)置式天線比外置式天線更安全可靠，不易變形扭曲。結(jié)合外形結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)的TPMS采用螺旋天線。

　　螺旋天線是行波天線，具有寬頻帶和圓極化特性，廣泛應(yīng)用于米波和分米波波段[4]。波長(zhǎng)( )為

　　式中，C為電磁波傳播的速度，3×10。m ·S_。；f 為射頻頻率，433．92 MHz。

　　射頻波長(zhǎng)屬于分米波波段，可應(yīng)用螺旋天線，本工作設(shè)計(jì)內(nèi)置式螺旋天線如圖2所示。螺旋天線的輻射特性取決于螺旋直徑(D)與波長(zhǎng)之比( )。由于設(shè)計(jì)的 為0．033，小于0．18，因此，天線在垂直于螺旋軸線的平面內(nèi)有最大輻射，且在該平面內(nèi)的方向圖為一個(gè)圓，在含軸平面內(nèi)的方向圖呈“8”字形。此天線具有如下主要特點(diǎn)：沿軸線有最大輻射，輻射場(chǎng)圓極化，沿螺旋導(dǎo)線傳播的是行波，輸入阻抗近似為純阻，頻帶較寬(帶寬可達(dá)1．7～2．O)等。

圖2 內(nèi)置式螺旋天線

　　2．2 低頻配置

　　發(fā)射模塊安裝到輪胎內(nèi)后，需對(duì)其進(jìn)行定位配置，以使接收顯示模塊收到射頻幀后能準(zhǔn)確判斷出是哪個(gè)模塊發(fā)射的，本工作設(shè)計(jì)的TPMS采用手持式低頻喚醒模塊對(duì)發(fā)射模塊進(jìn)行配置，低頻喚醒模塊利用低頻發(fā)射電路發(fā)射125 kHz載頻與發(fā)射模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)發(fā)射模塊的喚醒與ID配置初始化，接收顯示模塊通過(guò)讀取數(shù)據(jù)中的ID號(hào)辨別發(fā)射模塊的位置。發(fā)射模塊配置幀的數(shù)據(jù)格式如圖3所示，一次發(fā)射3幀數(shù)據(jù)，以便接收顯示模塊能至少收到一幀數(shù)據(jù)。
圖3 發(fā)射模塊配置幀的數(shù)據(jù)格式

　　2．3 人聲語(yǔ)音報(bào)警

　　目前常用的TPMS報(bào)警系統(tǒng)一般采用顯示屏和蜂鳴器結(jié)合的方式，當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)，顯示器顯示報(bào)警類型，蜂鳴器嗚叫以提醒駕駛者。此方法存在很多不足：顯示器報(bào)警不易引起注意；蜂嗚器鳴叫聲音刺耳，容易引起駕駛者驚慌；蜂鳴器嗚叫報(bào)警不直觀；汽車中還有一些使用了蜂鳴器的裝置，容易引起混淆等。本工作采用顯示器和人聲語(yǔ)音結(jié)合的報(bào)警方式，通過(guò)悅耳的人聲語(yǔ)音提示駕駛者輪胎壓力高、壓力低、溫度高或漏氣等，并能播報(bào)具體輪胎位置，駕駛者可不必查看顯示屏即可明確知道哪個(gè)輪胎發(fā)生何種異常，若駕駛者想更詳細(xì)了解此異常情況，可查看顯示屏，顯示屏上可顯示實(shí)時(shí)的輪胎壓力和溫度，以使駕駛者準(zhǔn)確了解異常程度。

　　人聲語(yǔ)音報(bào)警訊號(hào)處理過(guò)程如圖4所示。將錄制的人聲語(yǔ)音文件(．wav)經(jīng)GoldWave軟件處理后再錄入到語(yǔ)音芯片中，即可在有報(bào)警信息時(shí)產(chǎn)生人聲語(yǔ)音提示。

圖4 人聲語(yǔ)音報(bào)警訊號(hào)處理過(guò)程

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本工作設(shè)計(jì)的基于射頻傳輸的無(wú)線輪胎壓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)輪輞上安裝的發(fā)射模塊將輪胎壓力和溫度信息傳送給駕駛臺(tái)的接收顯示模塊并顯示，駕駛員可以隨時(shí)觀察輪胎的壓力和溫度情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎壓力和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)防事故發(fā)生，其人聲語(yǔ)音報(bào)警，比單純視覺(jué)報(bào)警更有效。發(fā)射天線采用內(nèi)置式螺旋天線，在保證發(fā)射效果的同時(shí)比外置天線更方便安裝，輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也不易被破壞，可延長(zhǎng)發(fā)射模塊的使用壽命。采用手持式低頻喚醒模塊進(jìn)行初始化，比現(xiàn)有的其它初始化方式更方便，
也更利于流水線作業(yè)。