輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計的可靠性研究

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，重點分析了在爆胎預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計中的兩個重要環(huán)節(jié)：一是通過改進電池設(shè)計以及LF低頻喚醒技術(shù)來延長系統(tǒng)總的工作時間，二是通過檢測端天線的設(shè)計來加強數(shù)據(jù)的傳輸效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這些改進在系統(tǒng)功能、實物尺寸和運行成本上都有所改善，具有一定的實用價值，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；系統(tǒng)工作時間；天線設(shè)計

    據(jù)美國汽車工程師學(xué)會的調(diào)查，美國每年有26萬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)我國有關(guān)部門的統(tǒng)計，高速公路46％的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的，其中爆胎一項就占事故總量的70％。同時，隨著我國社會經(jīng)濟水平和汽車工業(yè)的發(fā)展，我國的汽車產(chǎn)銷量正逐年提高。根據(jù)中國汽車協(xié)會的統(tǒng)計，2010年中國汽車產(chǎn)量達到18 264 667輛，同比增加32．44％，而且我國的汽車總量在下個10年還會保持高速增長。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，已成為社會各界共同關(guān)心的課題。輪胎爆胎監(jiān)測系統(tǒng)能實時監(jiān)測各個輪胎的壓力和溫度等數(shù)據(jù)，對輪胎漏氣、氣壓過高、過低或溫度過高進行報警。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。間接式主要通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，從而間接測量輪胎氣壓，因準確性較差，現(xiàn)在已逐步淡出市場。直接式主要利用安裝在每一個輪胎里面的壓力、溫度傳感器來直接測量輪胎氣壓和溫度，然后通過射頻無線通信的方式與裝在駕駛室的控制主機通信，主機顯示各個輪胎相關(guān)信息或進行壓力、溫度報警，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)傳感器的安裝帶來極大的方便，其產(chǎn)品占有應(yīng)用市場的絕大多數(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)計來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，這其中有2個突出的問題嚴重制約輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展，一是如何延長系統(tǒng)總的工作時間，二是如何通過檢測端射頻天線設(shè)計來增強數(shù)據(jù)的有效發(fā)射。本文以這兩個突出問題為出發(fā)點，在輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計上進行改進，從而有效地延長系統(tǒng)工作時間和天線射頻信號發(fā)射可靠性。

2 延長系統(tǒng)工作時間
    傳統(tǒng)的輪胎氣壓溫度檢測端通常將傳感器、微控制器、射頻天線和電池集中密封在一個電路板上，用鋁制螺桿通過輪胎氣門嘴固定在輪轂上，檢測端電池?zé)o法更新，其總工作時間取決于系統(tǒng)功耗大小和電池容量，一旦電池沒電，就必須更換新的檢測端。這種一次性的做法不僅費工而且運行成本較高，給大范圍普及輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)造成很大困難。本文通過設(shè)計可更換的輪胎監(jiān)測端電池結(jié)構(gòu)和采用LF低頻喚醒技術(shù)降低功耗兩種方法來有效延長系統(tǒng)工作時間。
2．1 檢測端內(nèi)置傳感器外置電池設(shè)計
    文中設(shè)計一種應(yīng)用在輪胎檢測端的內(nèi)置傳感器外置電池的設(shè)計。該設(shè)計與傳統(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，在可靠為測量端提供電源的基礎(chǔ)上能確保電池更換方便，可無限延長檢測端的工作時間，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。電池的正負極通過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，只需擰下電池倉，即可直接向輪胎充氣。需要強調(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，不平衡的離心力作用會引起車體振動，影響汽車的操控性能和安全性能。所以使用之前，必須對4個輪胎做靜平衡、力偶平衡和動平衡等相關(guān)測試。同時還應(yīng)保證電池耗盡時更換同一廠家同一型號的電池，保證輪胎的各項平衡參數(shù)。

2．2 LF低頻喚醒裝置
    延長系統(tǒng)總的工作時間還可以采取降低輪胎測量端電流消耗的方式。即當(dāng)汽車停止時或低速運行時，系統(tǒng)不需要知道輪胎的各項參數(shù)，可以使輪胎檢測端進入休眠狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)需要輪胎數(shù)據(jù)時，可用LF低頻喚醒裝置喚醒處于休眠狀態(tài)的輪胎檢測端。所謂低頻喚醒技術(shù)由諧振電路發(fā)展而來，如圖3所示。圖中右邊為LC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接收到這個頻率信號時便會使電路發(fā)生諧振而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由電磁場理論：r<<λ／2π=c／2πf時，能收到磁場感應(yīng)。其中λ為信號波長，f為信號頻率，c為光速，r為發(fā)射與接收之間的距離。該LF低頻信號選用125 kHz，根據(jù)以上公式其適用距離可達上百米，完全適用于駕駛室與輪胎之間1～2 m的距離。

    實際應(yīng)用中可以利用駕駛室內(nèi)的控制模塊通過三維正交陣列天線(3個天線分別置于x，y和z方向)向各個輪胎方向發(fā)射125 kHz LF信號，信號觸發(fā)輪胎檢測模塊的LC諧振電路，從而喚醒處于休眠狀態(tài)的檢測端。在這一過程中，經(jīng)過曼徹斯特編碼的串行數(shù)據(jù)通過LF驅(qū)動電路調(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，檢測端接收到低頻喚醒信號后，根據(jù)信號調(diào)理與譯碼所得指令，進行溫度壓力測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、射頻發(fā)射和休眠等操作。
    文中設(shè)計的檢測端采用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。此舉可通過減少工作時間來降低系統(tǒng)能耗，從而延長輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的工作時間。

3 輪胎檢測端射頻天線設(shè)計
    由于汽車本身的電磁干擾嚴重，加之輪胎處于高速、高溫的工作環(huán)境，使天線設(shè)計成為TPMS系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提條件。本文為了加強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波長單極印制天線。這種天線的最大特點是可以通過調(diào)節(jié)長度來適應(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，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波長的天線寬度W=1．5 mm，長度L=9．72 cm。
   
    品質(zhì)因數(shù)是天線設(shè)計的重要參數(shù)，對于固定尺寸的天線，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，過高的品質(zhì)因數(shù)會降低傳輸帶寬，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l決定，可表示為公式(3)：
   
    文中的TPMS輪胎檢測端射頻發(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通過內(nèi)部一個包含32個8位寄存器的RFX模塊來設(shè)置各項射頻發(fā)射參數(shù)，其存儲器映射結(jié)構(gòu)如圖4所示。MCU將存儲在$10-$1F中的128位數(shù)據(jù)通過天線發(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
    文中探討了輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)大發(fā)展及應(yīng)用，并針對硬件設(shè)計的穩(wěn)定性在延長系統(tǒng)工作時間和天線設(shè)計2個方面進行了詳細的探討。提出了基于Freescale公司的MPXY8300A傳感器的輪胎檢測端內(nèi)置傳感器外置電池、LF低頻喚醒和433MHz射頻天線設(shè)計3個方案。這些改進和傳統(tǒng)技術(shù)相比，在系統(tǒng)功能、實物尺寸和節(jié)能降耗上都有所改善，具有一定的實用價值。