引 言
在汽車的高速行駛中．輪胎故障是所有駕駛員最為擔心和最難預防的，也是突發性交通事故發生的主要原因。據統計，在國內的高速公路上，由爆胎引發的交通事故占事故總數的70％；在美國，這一比例更是高達80％。爆胎造成的經濟損失巨大，所以在汽車行駛期間，對輪胎的壓力變化進行實時監測，應該成為汽車安全系統必備的功能。
研究表明，確保標準的車胎氣壓和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。于是汽車輪胎氣壓監測系統TPMS(Tire Pressure Monitoring System)應運而生。TPMS有直接式和間接式兩種，本文提出的是直接式TPMS。歷經一年多的時間，筆者成功地完成了TPMS系統的開發，并經過大量車載實驗，結果表明所開發的系統工作可靠，能夠達到安全預警的目的。下面著重探討和總結一些關鍵技術問題。

1 汽車輪胎氣壓監測系統(TPMS)解決方案
TPMS包括傳感器、發射模塊和接收模塊三大部分。傳感器和發射模塊連接在一起。發射模塊包括處理器和發射器；接收模塊包括接收器、處理器和顯示器。原理框圖如圖l所示。

1．1 傳感器
系統選用的是Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SPl2。它是一個SoC模塊，內部包括壓力傳感器，溫度傳感器，加速度計，電池電壓榆測，內部時鐘和一個包含ADC、取樣／保持、SPI口、數據管理以及ID碼的數字信號處理單元。模塊可以利用客戶專用軟件進行配置，其測量精度能達0．0l％～O．03％Fs(Full Scale，滿量程)。此外，它還具備喚醒瞬態工作模式，每6s會產生一個喚醒脈沖，每50min會產生一個復位脈沖。

1.2 射頻發射、接收芯片
系統中，無線射頻發射部分是至關重要的環節。RF發射是主要的耗能元件。選擇無線射頻發射芯片時，必須考慮功耗、芯片的發射頻帶寬度及工作的可靠性問題。為此，系統采用了Infineon公司專門為低功耗無線射頻數據傳輸而設計的射頻芯片TDK5100F。它具有工作頻帶寬、功耗低、工作環境溫度范圍寬、數據傳輸速度快、工作電壓范圍寬、可工作在FSK和ASK兩種方式及自帶鎖相環(PLL)等優點。另外，系統選用了與TDK5100F芯片配套的無線射頻接收芯片TDA5210。TDA5210具有功耗低、靈敏度高、工作頻帶寬等優點。

1.3 電路示意圖及程序設計策略
發射模塊電路原理框圖如圖2所示。

發射模塊程序設計如下：系統上電完成自檢進入正常工作后，微控制器PICl6F54首先發指令使SPl2測試壓力和溫度值，判斷壓力和溫度是否異常，即溫度是否過高，壓力是否過高或過低。若異常，則立即發送壓力溫度數據幀給接收模塊；若正常，PICl6F54繼續發指令使SPl2測輪胎的加速度值(指輪胎旋轉的離心加速度。該加速度可用來估計汽車當時的行駛速度)，以此來設定測試壓力、溫度數據的時間間隔(速度高時檢測適當頻繁，反之，檢測適當減少)；并且根據加速度對速度進行分段，保證在速度低的情況下，發送數據的時間間隔合理變長；在速度高的情況下，合理變短，從而使系統通過軟件設計成功實現低功耗。
接收模塊電路原理框圖如圖3所示。

接收模塊程序設計如下：接收芯片TDA52lO接收到從輪胎模塊發送來的數據，解調后通過PDO腳傳送給主控制器P89V51RD2。P89V51RD2通過硬件串口的形式讀取來自TDA5210的一幀數據后，先重新計算校驗和以確保接收的數據無誤。數據幀經過確認正確后，主控制器對數據幀中的輪胎ID與存儲在P89V51RD2存儲器中的4個ID值進行比較，以此來判斷該幀數據來自哪個輪胎。確定之后，可保存相應的溫度和壓力值(包括左前胎、左后胎、右前胎、右后胎)；同時，P89V51RD2按照一定的時間間隔(比如3s)循環顯示4個輪子的壓力和溫度值，并判斷溫度和壓力值是否正常，以決定是否啟動報警功能。報警功能包括高壓報警、低壓報警、泄漏報警和高溫報警。

2 系統開發中的幾個關鍵問題
2．1 天線的設計
天線的設計是本系統的重點和難點。它直接影響到系統的通信距離、可靠性和穩定性。天線設計中第一個重要的參數是天線的長度――應該是所使用波長的1/4，就本系統而言。使用的電磁波的頻率是433．92 MHz，那么波長

所以 0.25λ=17.3cm
第二個重要參數是天線的阻抗。阻抗匹配在天線設計中異常重要，l／4波長天線的典型阻抗是36Ω。
在滅線的設計中，還要考慮導線間的電感、電容，通過對它們的具體計算確定元器件的參數，以最大限度地達到阻抗匹配的目的。導線電容、電感的具體計算公式如下：

①相鄰導線間的電容

式中：l為平行線的長度(cm)，s為相鄰導線間距(mm)，l為導線厚度(mm)，w為導線寬度(mm)，εr為基板的相對介電常數；所求電容的單位為μF。

②導線電感

式中：l為導線長度(cm)，w為導線寬度(cm)，t為導線厚度(cm)；所求電感的單位為μH。
③平行導線問互感

式中：l為導線長度(cm)，D為兩導線中心距(cm)；所求互感單位為μH。
通過大量的改進和測試，天線的傳輸距離在原來12m左右的基礎上改進到后來的30 m以上，大大增加了信號的傳輸距離和傳輸穩定性。

2.2 低功耗
由于傳感器電池很難更換，為了保證TPMS發射模塊在一節鋰電池下能工作5～7年，系統的低功耗是一個十分重要的課題，因此只有在大多數時間讓系統進入睡眠狀態，才能省電與延長電池壽命。
本系統選擇了英飛凌公司的SPl2傳感器。利用該傳感器的喚醒瞬態工作模式(每6s輸出一個喚醒信號，每50min輸出一個復位信號)，當它工作在睡眠模式時，電流消耗僅O．6μA／s；另外，在該傳感器模塊中增加了加速度傳感器，利用其質量塊對運動的敏感性可以實現汽車啟動自動開機。當檢測到加速度很小時(表示汽車沒有運動)，讓系統進入睡眠狀態，可大大降低系統功耗；在汽車開動的情況下，可通過判斷加速度的大小，來設定不同的測試時間間隔和發射數據時間間隔。加速度大(即車速高)的時候測試和發射數據的頻率高，加速度小(即車速低)的時候頻率低，由此可最大限度地節約電池損耗，延長電池的使用壽命。這里值得指出的是，SPl2測得的加速度是輪子轉動的離心加速度，輪子轉速大，離心力大，離心加速度也大；反之，離心加速度小。根據換算公式a=ω2r(其中，ω為車輪轉動的角速度；r為發射模塊相對于輪軸的距離)，只要知道車輪轉動的角速度w就可求得加速度a。

2.3 無線信號傳輸
TPMS需要著力解決的一個關鍵技術是無線信號傳輸的穩定性和可靠性問題，特別是高速行駛時的信號傳輸的穩定性。由于高速行駛及丁作環境比較惡劣，而且汽車內電子產品豐富，信號會出現漂移及時有時無的情況；另外在使用手機、汽車音響等產品時，信號相互會有干擾，信號的穩定性會受到影響，因此，屏蔽和抗干擾等問題就顯得尤為重要。
為此，在選擇無線信號傳輸收／發模塊時使用了芯片組TDK5100F和TDA5210；同時，為提高數據抗干擾能力，采用Mailchest編碼和FSK(Frequency-Shift Keying頻移鍵控)方式進行無線傳輸，再利用循環冗余校驗(CRCCCITT)對無線信號傳輸質量進行檢查控制，進一步保證了無線信號傳輸的穩定性和可靠性。

3 系統性能分析
筆者用人工模擬的方法對高壓、低壓、高溫、漏氣以及SPl2的加速度功能進行了測試：壓力和溫度的顯示精度達到國內外已有產品的要求；報警及時、準確。整體效果較好。
通信方面，經過幾次對天線的改進，通信距離已經達到30m以上，在周內外同類產品中占據領先地位。另外，把測試系統裝入汽車進行了現場測試，一方面，系統克服了各種強大的干擾，通信可以順利進行；另一方面能實時反映輪胎的氣壓和溫度狀況。

結語
在實際開發的基礎上，本文提出了一種直接式TPMS的解決方案，介紹了系統的工作原理；通過計算導線電容、電感，改進了天線效果；通過充分利用SPl2的加速度檢測功能，實現系統的低功耗設計；通過采用FSK方式、Manchest編碼和CRC校驗改善了無線信號傳輸。實際運行結果表明：系統功能較好，滿足實際應用的要求。