基于射頻傳輸?shù)臒o線輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)

　　隨著我國高速公路網(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)測系統(tǒng)(TPMS)對現(xiàn)代汽車行駛經(jīng)濟性、安全性和操縱穩(wěn)定性具有尤為重要的現(xiàn)實意義。

　　TPMS主要用于汽車行駛時實時監(jiān)測輪胎壓力。目前TPMS主要分為間接式和直接式兩種類型。間接式，通過汽車ABS(防抱死制動系統(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，利用安裝在每一個輪輞上的以鋰離子電池為電源的壓力傳感器直接測量輪胎壓力，并通過無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上，監(jiān)視器隨時顯示各個輪胎壓力，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎壓力狀況，當(dāng)輪胎壓力太低或有漏氣時，系統(tǒng)將會自動報警，以確保行車安全。

　　下面對直接式基于射頻傳輸的無線輪胎壓力監(jiān)測系統(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個模塊之間均通過電磁波無線傳輸信息。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，通過傳感器感受到汽車啟動加速度激活模塊工作，發(fā)送射頻數(shù)據(jù)信號。接收顯示模塊放置于駕駛臺的監(jiān)視器上，能接收并顯示發(fā)射模塊發(fā)送的輪胎壓力值，駕駛者能實時監(jiān)測輪胎壓力變化。低頻喚醒模塊為手持式，通過發(fā)送射頻配置信號實現(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)計的TPMS傳感器選用Infineon公司的SP30型，該傳感器集成了單片機、壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器等，能實現(xiàn)對整個發(fā)射模塊的控制。SP30型傳感器能實現(xiàn)對輪胎壓力、溫度和加速度的快速測量，并能根據(jù)加速度判斷汽車是否在運行，可以軟件控制發(fā)射模塊啟動，大大延長了電池使用壽命，且自帶單片機，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，同時該芯片可將接收的數(shù)字信號進(jìn)行曼徹斯特碼解碼，大大減小單片機的工作量，降低接收誤碼率。

　　2 TPMS設(shè)計中的關(guān)鍵問題

　　2．1 發(fā)射天線

　　發(fā)射天線是TPMS設(shè)計首要考慮的問題，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( )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。

　　射頻波長屬于分米波波段，可應(yīng)用螺旋天線，本工作設(shè)計內(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)與波長之比( )。由于設(shè)計的 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：沿軸線有最大輻射，輻射場圓極化，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)確判斷出是哪個模塊發(fā)射的，本工作設(shè)計的TPMS采用手持式低頻喚醒模塊對發(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，接收顯示模塊通過讀取數(shù)據(jù)中的ID號辨別發(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 人聲語音報警

　　目前常用的TPMS報警系統(tǒng)一般采用顯示屏和蜂鳴器結(jié)合的方式，當(dāng)有報警信息時，顯示器顯示報警類型，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音結(jié)合的報警方式，通過悅耳的人聲語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，顯示屏上可顯示實時的輪胎壓力和溫度，以使駕駛者準(zhǔn)確了解異常程度。

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

圖4 人聲語音報警訊號處理過程

　　3 結(jié)語

　　本工作設(shè)計的基于射頻傳輸的無線輪胎壓力監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過輪輞上安裝的發(fā)射模塊將輪胎壓力和溫度信息傳送給駕駛臺的接收顯示模塊并顯示，駕駛員可以隨時觀察輪胎的壓力和溫度情況，實現(xiàn)對輪胎壓力和溫度的實時監(jiān)測，預(yù)防事故發(fā)生，其人聲語音報警，比單純視覺報警更有效。發(fā)射天線采用內(nèi)置式螺旋天線，在保證發(fā)射效果的同時比外置天線更方便安裝，輪胎高速旋轉(zhuǎn)時也不易被破壞，可延長發(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)。