摘 要:设计出低功耗、低成本、高精度的胎压监测系统TPMS是成功实现产业化应用的关键。本文介绍了两种TPMS实现方案，给出了基于摩托罗拉MPXY8021A传感器的汽车轮胎智能监测系统实现方法，并成功应用到某型号产品中，运行状况良好。

关键字：射频 轮压 监测 TPMS

Abstract: It is the key of the industrialization application designing TPMS with lower power, lower price and higher precision. Two methods are introduced in this paper. Based on MPXY8021A sensor of Motorola inc., a technology of implement of auto tire pressure intellective monitoring system is addressed, which has successfully applied to a certain type product, is running well.

Keywords: RF, Tire Pressure, Monitoring, TPMS

1 引言

随着信息技术的高速发展，电子产品逐渐成为汽车的主要组件。汽车胎压监测系统(TPMS)主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压等进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统。据统计，美国每年有26万例交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的，占交通事故的75%。而中国高速公路上交通事故的70%是由于爆胎引起的[1]。保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。

目前，TPMS主要分为两种类型：一种是基于车轮速度的TPMS(WSB TPMS，间接式TPMS)，这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。该类系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是基于压力传感器的TPMS(PSB TPMS，直接式TPMS)，这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。PSB TPMS在功能和性能上均优于WSB TPMS[2]。

由于车胎独特的工作环境条件，决定了胎压实时监测的压力传感器的高要求，要求宽温区、宽电源电压范围和耐恶劣环境。设计出低功耗、低成本、高精度的汽车轮胎智能监测系统是成功实现产业化应用的关键。

2 汽车轮胎智能监测系统结构

本文设计的汽车轮胎智能监测系统是采用摩托罗拉（Motorola）公司电容式压力传感器MPXY8021A[3]作为胎压检测单元，它采用基于MEMS技术的硅集成，具有低功耗和全集成的特点。采用32针封装的MC68HC908RF2[4]作为信号控制处理与发射单元，它是一个8位单片机和UHF发射器集成在一起的器件，采用MC33594[5]作为接收单元。其测量精度达到0.01-0.03%FS，锂亚电池供电，7－10年的使用寿命。

汽车轮胎智能监测系统主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、RF发射器组成的TPMS发射模块，以及安装在汽车驾驶台上包括数字信号处理单元的RF接收器、液晶显示器(LCD)组成的TPMS接受模块。压力、温度及模块电压信号经TPMS传感器模块内的集成电路处理，通过其SPI口传输给安装在发射模块内的信号处理单元，综合成数据流再进入同一封装内的RF发射器，按设定的超高频率(UHF)调制发射给安装在驾驶台内的TPMS接收器。中央接收模块通过无线方式接收发射模块发送来的数据，并将这些数据按照相应的通信协议提取出来，并显示在TPMS的显示面板上；在接收到的数据表明轮胎气压过低、轮胎内部温度过高或者发射模块出现故障时，通过报警方式通知驾车者，提醒驾车者采取必要的措施防止可能的事故发生。中央接收模块还可以通过发送低频载波信号给发射模块发送指令或者设置参数，实现更加灵活的TPMS系统操作[5,6]。

3 汽车轮胎智能监测系统硬件设计

汽车轮胎智能监测系统硬件分为安装轮胎的发射模块、天线和安装在汽车驾驶台的接受模块。

3.1 TPMS发射模块

TPMS发射器由五个部分组成：压力、温度、电压检测；8位单片机（MCU）；RF射频发射芯片；锂亚电池；天线。系统框图如图1：

图1 TPMS发射器系统框图

发射器模块包括4颗IC：压力传感器（如MPXY8021）,运放,单片机和UHF发射芯片。发射器使用FSK把信号调制到UHF。TPM模块采用FSK调制来减少由于轮胎旋转而产生数据出错的可能。采用13.56Mhz晶振提供433.92Mhz的载波频率。为了减小噪音，防止其对测量数据的读取产生影响，MCU和传感器在layout时必须一点连接到电源。传感器的I/O脚连接到MCU的PORTA管脚。由内部低频震荡器（LFO）控制，传感器每隔52分钟会给MCU输出一次复位信号，提高系统可靠性，当MCU因意外情况死机时，最长只要等待52分钟后就会复位，程序从新开始运行。

3.2TPMS接收模块

接收器由六个部分组成：天线；RF接收器；MCU；键盘；LCD点阵；DC电源。系统框图如图2：

图 2TPMS接收器系统框图

接收器由UHF ASK/FSK RF接收IC和信号处理MCU、键盘、LCD显示器组成。RF接收IC和信号处理MCU安装在一个盒子里，安装在汽车仪表箱内，带控制键盘的LCD显示器安装在驾驶台上，LCD显示器能实时显示每个轮胎的压力、温度和每一个轮胎的ID识别码，以及声光报警。接收器加电后，把配置寄存器设定为默认值，关闭SPI接口，RST管脚输出低电平，进入配置模式。通过SPI可以对配置信息进行读写。可以设定载波频率、调制类型、选通振荡器使能以及选通率（strobe ratio）、数据管理器禁止或使能、数据header是否和数据流一起输出。MCU将接收到的数据进行处理，在LCD上显示压力、温度的数值以及一些状态信息，在必要时使报警器动作发出报警声音；此外，通过设定按钮，可以切换显示状态，设定报警参数。

3.3通讯和天线

发射器和接收器采用一个简单的协议进行通信。发射频率选用434Mhz，阻抗50欧姆。数据以9600bps速率发送，采用曼彻斯特编码，FSK调制。

天线的设计是本系统的重点和难点，它直接影响到系统的通信距离、可靠性和稳定性。天线位于汽车轮毂内,紧靠气门嘴，高速行驶中,天线不断变换方向，为了尽可能扩大接收的角度,采用定制螺旋天线。螺旋天线的圈数、直径、和圈距、决定天线的增益和方向性[7]。

4汽车轮胎智能监测系统软件设计

TPMS的软件设计主要是设置MPXY8021A对轮胎气压、温度及检测模块电压进行测量，然后将数据处理后生成完整的数据帧通过MC68HC908RF2发送给TPMS接收模块，主机接收到数据帧后,经过校验正确再送LCD显示,并与报警阈值比较判断是否需要报警。

4.1发射模块程序设计

发射模块程序平时处于空闲模式，传感器每隔3秒发出一个唤醒脉冲，唤醒脉冲连接到MCU的键盘中断输入管脚，把MCU从停止模式中唤醒。被唤醒后它测量压力值，如果这个值与上次测量的数值不同，则存储到RAM中，否则计数器加1然后回到停止模式。经过10次唤醒后（约30秒），TPM模块把数据发射到接收模块。

发射模块MCU分析存储在RAM中的最大压力和最小压力的差值，如果这个差值大于ROM中的最大差值，TPM模块进入快速发射模式，每隔800到900ms发射一次数据帧，如果压力的值变化很快，证明轮胎在迅速漏气，驾驶者如果看到报警信息可以安全地停车并检查轮胎情况。发射模块流程图如图3所示。

图3 发射模块流程图

4.2接收模块程序设计

接受模块程序工作流程如图4所示，上电复位后，程序分别对单片机，MC33594，LCD，EEPROM进行初始化，初始化成功后进入功能处理模块，否则，显示出错代码。功能处理模块包括：参数设定模块、警报处理模块（有压力偏差提示、低压警报、高温警报）、轮胎参数查询模块、中断处理五个模块。

本系统基于单片机开发的监测系统，输入为三个按键，分别是轮胎切换按钮、模式按钮和设置按钮，通过这三个按钮可以完成一切功能操作；输出为LCD显示器，显示参数信息和设定功能提示符号。

图4 接受模块流程图

5结论

本文作者的创新点是：基于MEMS技术的摩托罗拉MPXY8021A 系列传感器的汽车轮胎压力智能监测系统功耗低、集成度高、稳定性好，能够同时监测轮胎气压、温度及模块供电电压三个关键参数，当轮胎出现漏气、温度升高等异常情况时，系统都会自动报警。该系统能有效地延长轮胎的使用寿命、降低燃油的消耗，确保行车安全。 此外，接收模块具有液晶显示、语音报警及提供与汽车控制系统接口等来适应不同用户需要。该系统已成功应用到某款TPMS 产品中，测试试用效果表明：可靠性、实用性、性价比高，且运行状况良好，达到了预期的目的。