基于射频传输的无线轮胎压力监测系统

随着我国高速公路网的蓬勃兴起和交通的日趋发达，车辆行驶速度也不断攀升，交通隐患的防范迫在眉睫。因轮胎漏气和爆破等造成的交通事故很多是由轮胎工作温度过高或不合理轮胎压力引起的，因此，研究汽车轮胎压力监测系统(TPMS)对现代汽车行驶经济性、安全性和操纵稳定性具有尤为重要的现实意义。

TPMS主要用于汽车行驶时实时监测轮胎压力。目前TPMS主要分为间接式和直接式两种类型。间接式，通过汽车ABS(防抱死制动系统)的轮速传感器及轮胎的力学模型，间接求出轮胎压力，以达到监视轮胎压力的目的。直接式，利用安装在每一个轮辋上的以锂离子电池为电源的压力传感器直接测量轮胎压力，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器随时显示各个轮胎压力，驾驶者可以直观地了解各个轮胎压力状况，当轮胎压力太低或有漏气时，系统将会自动报警，以确保行车安全。

下面对直接式基于射频传输的无线轮胎压力监测系统进行介绍。

1 结构原理

基于射频传输的TPMS由发射模块、接收显示模块和低频唤醒模块组成，3个模块之间均通过电磁波无线传输信息。结构原理如图1所示。

图1 TPMS结构原理

发射模块安装于轮辋上，通过传感器感受到汽车启动加速度激活模块工作，发送射频数据信号。接收显示模块放置于驾驶台的监视器上，能接收并显示发射模块发送的轮胎压力值，驾驶者能实时监测轮胎压力变化。低频唤醒模块为手持式，通过发送射频配置信号实现系统位置的自学习，使发射模块与其安装的轮胎位置一一对应。发射模块的核心元器件为压力传感器。本工作设计的TPMS传感器选用Infineon公司的SP30型，该传感器集成了单片机、压力传感器、温度传感器和加速度传感器等，能实现对整个发射模块的控制。SP30型传感器能实现对轮胎压力、温度和加速度的快速测量，并能根据加速度判断汽车是否在运行，可以软件控制发射模块启动，大大延长了电池使用寿命，且自带单片机，能节约硬件成本，提高系统可靠性。

接收显示模块接收芯片选用Freescale公司的MC33594型，该芯片接收灵敏度高达一105dBm，能有效接收发射模块发送的射频帧，同时该芯片可将接收的数字信号进行曼彻斯特码解码，大大减小单片机的工作量，降低接收误码率。
 
2 TPMS设计中的关键问题

2．1 发射天线

发射天线是TPMS设计首要考虑的问题，其直接决定了发射效果和数据传输的准确性、可靠性和稳定性。考虑到发射模块安装在轮辋的气门嘴处，轮胎高速旋转给发射模块以极大的离心力，因此内置式天线比外置式天线更安全可靠，不易变形扭曲。结合外形结构，本设计的TPMS采用螺旋天线。

螺旋天线是行波天线，具有宽频带和圆极化特性，广泛应用于米波和分米波波段[4]。波长( )为

　　式中，C为电磁波传播的速度，3×10。m ·S_。；f 为射频频率，433．92 MHz。

射频波长属于分米波波段，可应用螺旋天线，本工作设计内置式螺旋天线如图2所示。螺旋天线的辐射特性取决于螺旋直径(D)与波长之比( )。由于设计的 为0．033，小于0．18，因此，天线在垂直于螺旋轴线的平面内有最大辐射，且在该平面内的方向图为一个圆，在含轴平面内的方向图呈“8”字形。此天线具有如下主要特点：沿轴线有最大辐射，辐射场圆极化，沿螺旋导线传播的是行波，输入阻抗近似为纯阻，频带较宽(带宽可达1．7～2．O)等。

图2 内置式螺旋天线

2．2 低频配置

发射模块安装到轮胎内后，需对其进行定位配置，以使接收显示模块收到射频帧后能准确判断出是哪个模块发射的，本工作设计的TPMS采用手持式低频唤醒模块对发射模块进行配置，低频唤醒模块利用低频发射电路发射125 kHz载频与发射模块进行数据通讯，实现发射模块的唤醒与ID配置初始化，接收显示模块通过读取数据中的ID号辨别发射模块的位置。发射模块配置帧的数据格式如图3所示，一次发射3帧数据，以便接收显示模块能至少收到一帧数据。

图3 发射模块配置帧的数据格式

2．3 人声语音报警

目前常用的TPMS报警系统一般采用显示屏和蜂鸣器结合的方式，当有报警信息时，显示器显示报警类型，蜂鸣器呜叫以提醒驾驶者。此方法存在很多不足：显示器报警不易引起注意；蜂呜器鸣叫声音刺耳，容易引起驾驶者惊慌；蜂鸣器呜叫报警不直观；汽车中还有一些使用了蜂鸣器的装置，容易引起混淆等。本工作采用显示器和人声语音结合的报警方式，通过悦耳的人声语音提示驾驶者轮胎压力高、压力低、温度高或漏气等，并能播报具体轮胎位置，驾驶者可不必查看显示屏即可明确知道哪个轮胎发生何种异常，若驾驶者想更详细了解此异常情况，可查看显示屏，显示屏上可显示实时的轮胎压力和温度，以使驾驶者准确了解异常程度。

人声语音报警讯号处理过程如图4所示。将录制的人声语音文件(．wav)经GoldWave软件处理后再录入到语音芯片中，即可在有报警信息时产生人声语音提示。

图4 人声语音报警讯号处理过程

 　　3 结语

本工作设计的基于射频传输的无线轮胎压力监测预警系统通过轮辋上安装的发射模块将轮胎压力和温度信息传送给驾驶台的接收显示模块并显示，驾驶员可以随时观察轮胎的压力和温度情况，实现对轮胎压力和温度的实时监测，预防事故发生，其人声语音报警，比单纯视觉报警更有效。发射天线采用内置式螺旋天线，在保证发射效果的同时比外置天线更方便安装，轮胎高速旋转时也不易被破坏，可延长发射模块的使用寿命。采用手持式低频唤醒模块进行初始化，比现有的其它初始化方式更方便，
也更利于流水线作业。