摘要：介紹了輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的原理、發(fā)展及應(yīng)用，重點(diǎn)分析了在爆胎預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)：一是通過(guò)改進(jìn)電池設(shè)計(jì)以及LF低頻喚醒技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)系統(tǒng)總的工作時(shí)間，二是通過(guò)檢測(cè)端天線的設(shè)計(jì)來(lái)加強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這些改進(jìn)在系統(tǒng)功能、實(shí)物尺寸和運(yùn)行成本上都有所改善，具有一定的實(shí)用價(jià)值，為爆胎預(yù)警系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用打下一定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；系統(tǒng)工作時(shí)間；天線設(shè)計(jì)

    據(jù)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的調(diào)查，美國(guó)每年有26萬(wàn)交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造車的，另外，每年75％的輪胎故障是由于輪胎滲漏或充氣不足引起的。根據(jù)我國(guó)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，高速公路46％的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的，其中爆胎一項(xiàng)就占事故總量的70％。同時(shí)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和汽車工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的汽車產(chǎn)銷量正逐年提高。根據(jù)中國(guó)汽車協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2010年中國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)到18 264 667輛，同比增加32．44％，而且我國(guó)的汽車總量在下個(gè)10年還會(huì)保持高速增長(zhǎng)。因此怎樣減少交通事故，最大限度地減少由于輪胎爆胎而引發(fā)的交通事故，尤其是防范由此引發(fā)的群死群傷事故，已成為社會(huì)各界共同關(guān)心的課題。輪胎爆胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)輪胎的壓力和溫度等數(shù)據(jù)，對(duì)輪胎漏氣、氣壓過(guò)高、過(guò)低或溫度過(guò)高進(jìn)行報(bào)警。其工作可有效減少汽車爆胎事故的發(fā)生，是汽車安全行駛的有效保證。

1 系統(tǒng)介紹
    目前已經(jīng)面世的輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)可分為兩大類型：一種是間接式，另一種是直接式。間接式主要通過(guò)汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，從而間接測(cè)量輪胎氣壓，因準(zhǔn)確性較差，現(xiàn)在已逐步淡出市場(chǎng)。直接式主要利用安裝在每一個(gè)輪胎里面的壓力、溫度傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎氣壓和溫度，然后通過(guò)射頻無(wú)線通信的方式與裝在駕駛室的控制主機(jī)通信，主機(jī)顯示各個(gè)輪胎相關(guān)信息或進(jìn)行壓力、溫度報(bào)警，其工作原理如圖1所示。

    目前，大多數(shù)的汽車輪胎都取消了內(nèi)胎，這為輪胎內(nèi)置感應(yīng)傳感器的安裝帶來(lái)極大的方便，其產(chǎn)品占有應(yīng)用市場(chǎng)的絕大多數(shù)份額，且發(fā)展速度較快，但是在直接式輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中，由于其所處環(huán)境的復(fù)雜性決定其需要更加可靠的硬件設(shè)計(jì)來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，這其中有2個(gè)突出的問(wèn)題嚴(yán)重制約輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展，一是如何延長(zhǎng)系統(tǒng)總的工作時(shí)間，二是如何通過(guò)檢測(cè)端射頻天線設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)數(shù)據(jù)的有效發(fā)射。本文以這兩個(gè)突出問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，在輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，從而有效地延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間和天線射頻信號(hào)發(fā)射可靠性。

2 延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間
    傳統(tǒng)的輪胎氣壓溫度檢測(cè)端通常將傳感器、微控制器、射頻天線和電池集中密封在一個(gè)電路板上，用鋁制螺桿通過(guò)輪胎氣門嘴固定在輪轂上，檢測(cè)端電池?zé)o法更新，其總工作時(shí)間取決于系統(tǒng)功耗大小和電池容量，一旦電池沒(méi)電，就必須更換新的檢測(cè)端。這種一次性的做法不僅費(fèi)工而且運(yùn)行成本較高，給大范圍普及輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)造成很大困難。本文通過(guò)設(shè)計(jì)可更換的輪胎監(jiān)測(cè)端電池結(jié)構(gòu)和采用LF低頻喚醒技術(shù)降低功耗兩種方法來(lái)有效延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間。
2．1 檢測(cè)端內(nèi)置傳感器外置電池設(shè)計(jì)
    文中設(shè)計(jì)一種應(yīng)用在輪胎檢測(cè)端的內(nèi)置傳感器外置電池的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方法最大的不同之處在于鋰電池外置并固定在輪胎氣門嘴上，在可靠為測(cè)量端提供電源的基礎(chǔ)上能確保電池更換方便，可無(wú)限延長(zhǎng)檢測(cè)端的工作時(shí)間，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。電池的正負(fù)極通過(guò)特制墊片向傳感器供電且彼此用絕緣橡膠墊隔離。當(dāng)需要為輪胎充氣時(shí)，只需擰下電池倉(cāng)，即可直接向輪胎充氣。需要強(qiáng)調(diào)，由于電池和和傳感器等裝置的安裝，造成輪胎的質(zhì)量分布不均，在輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不平衡的離心力作用會(huì)引起車體振動(dòng)，影響汽車的操控性能和安全性能。所以使用之前，必須對(duì)4個(gè)輪胎做靜平衡、力偶平衡和動(dòng)平衡等相關(guān)測(cè)試。同時(shí)還應(yīng)保證電池耗盡時(shí)更換同一廠家同一型號(hào)的電池，保證輪胎的各項(xiàng)平衡參數(shù)。

2．2 LF低頻喚醒裝置
    延長(zhǎng)系統(tǒng)總的工作時(shí)間還可以采取降低輪胎測(cè)量端電流消耗的方式。即當(dāng)汽車停止時(shí)或低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不需要知道輪胎的各項(xiàng)參數(shù)，可以使輪胎檢測(cè)端進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)需要輪胎數(shù)據(jù)時(shí)，可用LF低頻喚醒裝置喚醒處于休眠狀態(tài)的輪胎檢測(cè)端。所謂低頻喚醒技術(shù)由諧振電路發(fā)展而來(lái)，如圖3所示。圖中右邊為L(zhǎng)C組成的串聯(lián)諧振電路，它的固有諧振頻率為，當(dāng)其天線L3接收到這個(gè)頻率信號(hào)時(shí)便會(huì)使電路發(fā)生諧振而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由電磁場(chǎng)理論：r<<λ／2π=c／2πf時(shí)，能收到磁場(chǎng)感應(yīng)。其中λ為信號(hào)波長(zhǎng)，f為信號(hào)頻率，c為光速，r為發(fā)射與接收之間的距離。該LF低頻信號(hào)選用125 kHz，根據(jù)以上公式其適用距離可達(dá)上百米，完全適用于駕駛室與輪胎之間1～2 m的距離。

    實(shí)際應(yīng)用中可以利用駕駛室內(nèi)的控制模塊通過(guò)三維正交陣列天線(3個(gè)天線分別置于x，y和z方向)向各個(gè)輪胎方向發(fā)射125 kHz LF信號(hào)，信號(hào)觸發(fā)輪胎檢測(cè)模塊的LC諧振電路，從而喚醒處于休眠狀態(tài)的檢測(cè)端。在這一過(guò)程中，經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼的串行數(shù)據(jù)通過(guò)LF驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制到低頻的載波，最后功率放大后由低頻天線發(fā)射出去，檢測(cè)端接收到低頻喚醒信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)調(diào)理與譯碼所得指令，進(jìn)行溫度壓力測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、射頻發(fā)射和休眠等操作。
    文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)端采用Freeseale公司的MPXY8300A傳感器，其自身已集成LF低頻喚醒電路。LF低頻喚醒發(fā)射端采用ATA5275芯片。低頻喚醒電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。此舉可通過(guò)減少工作時(shí)間來(lái)降低系統(tǒng)能耗，從而延長(zhǎng)輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的工作時(shí)間。

3 輪胎檢測(cè)端射頻天線設(shè)計(jì)
    由于汽車本身的電磁干擾嚴(yán)重，加之輪胎處于高速、高溫的工作環(huán)境，使天線設(shè)計(jì)成為TPMS系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提條件。本文為了加強(qiáng)天線傳輸效率和減小發(fā)射端的體積，天線采用直接在PCB板制成的微帶天線，此系統(tǒng)選擇1／4波長(zhǎng)單極印制天線。這種天線的最大特點(diǎn)是可以通過(guò)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境。系統(tǒng)選用頻率為433．92 MHz，天線用厚度h=1．6 mm FR4材料制作，電介質(zhì)常數(shù)&epsilon;=4．4時(shí)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)匹配阻抗為50 Ω，根據(jù)天線尺寸公式(1)和(2)，得到1／4波長(zhǎng)的天線寬度W=1．5 mm，長(zhǎng)度L=9．72 cm。
   
    品質(zhì)因數(shù)是天線設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)于固定尺寸的天線，品質(zhì)參數(shù)Q越高，輸出的功率就越大，但是天線的傳輸帶寬B卻與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系，過(guò)高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)降低傳輸帶寬，影響數(shù)據(jù)信息的正確傳輸，本系統(tǒng)環(huán)形天線的品質(zhì)因數(shù)由回路中的總電阻R，射線頻率f、環(huán)形天線的周長(zhǎng)l決定，可表示為公式(3)：
   
    文中的TPMS輪胎檢測(cè)端射頻發(fā)射電路集成到MPXY8300A芯片中，極大的減少了射頻電路的結(jié)構(gòu)。MPXY8300A通過(guò)內(nèi)部一個(gè)包含32個(gè)8位寄存器的RFX模塊來(lái)設(shè)置各項(xiàng)射頻發(fā)射參數(shù)，其存儲(chǔ)器映射結(jié)構(gòu)如圖4所示。MCU將存儲(chǔ)在$10-$1F中的128位數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)射出去(315／433 MHz)。其電路原理圖及天線尺寸如圖5和圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中探討了輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)大發(fā)展及應(yīng)用，并針對(duì)硬件設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性在延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間和天線設(shè)計(jì)2個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的探討。提出了基于Freescale公司的MPXY8300A傳感器的輪胎檢測(cè)端內(nèi)置傳感器外置電池、LF低頻喚醒和433MHz射頻天線設(shè)計(jì)3個(gè)方案。這些改進(jìn)和傳統(tǒng)技術(shù)相比，在系統(tǒng)功能、實(shí)物尺寸和節(jié)能降耗上都有所改善，具有一定的實(shí)用價(jià)值。