楊亞寧，李 敏，吳寶春

（大連民族學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605）

輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的可靠性研究

楊亞寧，李 敏，吳寶春

（大連民族學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605）

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)。

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(mén)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%[1]。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%[2]，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[3]，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)[4]。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。

圖1 直接式輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working diagram of direct tire burst early-warning system

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[5]，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[6]，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(mén)嘴固定在輪轂上[7]，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[8]。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(mén)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)[9]，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)。

圖2 內(nèi)置傳感器外置電池的檢測(cè)端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Detection sturcture of inside sensor and outside battery

2.2 LF低頻喚醒裝置

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Freescale公司的MPXY8300A傳感器[11]，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。

圖3 LF低頻喚醒電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Circuit diagram of low frequence waking up

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T(mén)PMS系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提條件[12]。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)ε=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。

圖4 RFX存儲(chǔ)器映射Fig.4 Memory map of RFX

圖5 天線設(shè)計(jì)電路原理圖Fig.5 Circuit schematic of antenna designing

圖6 天線尺寸圖Fig.6 Antenna size

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433 MHz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。

[1]吳中漢.汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[2]中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì).2010年世界各國(guó)家（地區(qū)）汽車產(chǎn)量明細(xì)[EB/OL]（2011）.www.caam.org.cn.

[3]WU Li-ji.Batteryless Piezoceramics Mode Energy Harvesting for Automobile TPMS [C]//Proceeding of 2009 IEEE 8th International Conference on ASIC，2009:1205-1208.

[4]徐道連.一種新型嵌入式汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（11）： 1-2.

XU Dao-lian.A new type of embedded tirepressure monitoring system [J].Journal of Chongqing Institute of Technology，2008（11）:1-2.

[5]李敏.汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)綜述 [J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13（5）:455-456.

LI Min.An overview of automobile tire burst early-warning system[J].Journal of Dalian Nationnalities University， 2011，13（5）:455-456.

[6]薛念明.汽車胎壓監(jiān)測(cè)與爆胎安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[7]吳義保.TPMS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 [J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（1）：65-68.

WU Yi-bao.Research on product structure design of TPMS[J].Mechanical Research&Application，2007，20（1）:65-68.

[8]ZHANG Yan-hong.Research and design of TPMS[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2005（1）:189-190.

[9]杭柏林.輪胎動(dòng)平衡測(cè)試方法及結(jié)果分析 [J].輪胎工業(yè)，2005，25（12）:754-755.

HANG Bo-lin.Measure of tire dynamic poise and result analyze[J].Tire Industry，2005，25（12）:754-755.

[10]江銳.LF低頻喚醒技術(shù)在TPMS中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2007（3）： 155-156.

JIANG Rui.The use of low frequence in TPMS[J].Computer&Digital Engineering，2007（3）:155-156.

[11]MPXY8300 DATASHEET[EB/OL].[2009-04]www.freescale.com.cn

[12]王剛.TPMS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊間匹配網(wǎng)絡(luò)及天線的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011，34（3）:52-53.

WANG Gang.Design of TPMS wireless data transmission between modules matching network and the antenna[J].Journal of Changchun University of Science and Technology，2011，34（3）:52-53.

Research on reliability of hardware design in tire burst early-warning system

YANG Ya-ning， LI Min，WU Bao-chun
（College of Information and Communication Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian116605，China）

The principle， development and application of tire burst early-warning system were introduced， and two important aspects of hardware design were analyzed.First，by improving battery design and low-frequency wake-up technology the system’s total working time was extended； and second， through the design of the detection-side antenna the data transmission efficiency was enhanced.Compared with traditional technology， the function， physical dimensions and operating costs of system were improved.The designed tire burst early-warning system has a certain practical value，and lays a foundation for the widely use of tire burst early-warning system.

tire burst early-warning system；hardware design；system working time；design of antenna

TP277

A

1674－6236（2012）06-0005-03

2012-02-20稿件編號(hào)：201202103

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（DC10020117）

楊亞寧（1981—），男，黑龍江寶清人，工程師。研究方向：電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。