輪胎爆胎預警系統硬件設計的可靠性研究

楊亞寧，李 敏，吳寶春

（大連民族學院 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116605）

輪胎爆胎預警系統硬件設計的可靠性研究

楊亞寧，李 敏，吳寶春

（大連民族學院 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116605）

介紹了輪胎爆胎預警系統的原理、發展及應用，重點分析了在爆胎預警系統硬件設計中的兩個重要環節：一是通過改進電池設計以及LF低頻喚醒技術來延長系統總的工作時間，二是通過檢測端天線的設計來加強數據的傳輸效率。與傳統技術相比，這些改進在系統功能、實物尺寸和運行成本上都有所改善，具有一定的實用價值，為爆胎預警系統的廣泛應用打下一定基礎。

輪胎爆胎預警系統；硬件設計；系統工作時間；天線設計

據美國汽車工程師學會的調查，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。根據我國有關部門的統計，高速公路46%的交通事故是由于輪胎發生故障引起的，其中爆胎一項就占事故總量的70%[1]。同時，隨著我國社會經濟水平和汽車工業的發展，我國的汽車產銷量正逐年提高。根據中國汽車協會的統計，2010年中國汽車產量達到18 264 667輛，同比增加32.44%[2]，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的交通事故，尤其是防范由此引發的群死群傷事故，已成為社會各界共同關心的課題。輪胎爆胎監測系統能實時監測各個輪胎的壓力和溫度等數據，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生[3]，是汽車安全行駛的有效保證。

1 系統介紹

目前已經面世的輪胎爆胎預警系統可分為兩大類型：一種是間接式，另一種是直接式。間接式主要通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，從而間接測量輪胎氣壓，因準確性較差，現在已逐步淡出市場[4]。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信息或進行壓力、溫度報警，其工作原理如圖1所示。

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

目前，大多數的汽車輪胎都取消了內胎，這為輪胎內置感應傳感器的安裝帶來極大的方便[5]，其產品占有應用市場的絕大多數份額，且發展速度較快，但是在直接式輪胎爆胎預警系統發展和應用過程中，由于其所處環境的復雜性決定其需要更加可靠的硬件設計來維持系統的穩定工作[6]，這其中有2個突出的問題嚴重制約輪胎爆胎預警系統的發展，一是如何延長系統總的工作時間，二是如何通過檢測端射頻天線設計來增強數據的有效發射。本文以這兩個突出問題為出發點，在輪胎爆胎預警系統硬件設計上進行改進，從而有效地延長系統工作時間和天線射頻信號發射可靠性。

2 延長系統工作時間

傳統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[7]，檢測端電池無法更新，其總工作時間取決于系統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警系統造成很大困難[8]。本文通過設計可更換的輪胎監測端電池結構和采用LF低頻喚醒技術降低功耗兩種方法來有效延長系統工作時間。

2.1 檢測端內置傳感器外置電池設計

文中設計一種應用在輪胎檢測端的內置傳感器外置電池的設計。該設計與傳統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，其具體結構如圖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，由于電池和和傳感器等裝置的安裝，造成輪胎的質量分布不均，在輪胎高速旋轉時，不平衡的離心力作用會引起車體振動[9]，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測試。同時還應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。

圖2 內置傳感器外置電池的檢測端結構設計圖Fig.2 Detection sturcture of inside sensor and outside battery

2.2 LF低頻喚醒裝置

實際應用中可以利用駕駛室內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）向各個輪胎方向發射125 kHz LF信號，信號觸發輪胎檢測模塊的LC諧振電路，從而喚醒處于休眠狀態的檢測端。在這一過程中，經過曼徹斯特編碼的串行數據通過LF驅動電路調制到低頻的載波，最后功率放大后由低頻天線發射出去，檢測端接收到低頻喚醒信號后，根據信號調理與譯碼所得指令，進行溫度壓力測量、數據轉換、射頻發射和休眠等操作。

文中設計的檢測端采用Freescale公司的MPXY8300A傳感器[11]，其自身已集成LF低頻喚醒電路。LF低頻喚醒發射端采用ATA5275芯片。低頻喚醒電路結構如圖3所示。此舉可通過減少工作時間來降低系統能耗，從而延長輪胎爆胎預警系統的工作時間。

圖3 LF低頻喚醒電路結構圖Fig.3 Circuit diagram of low frequence waking up

3 輪胎檢測端射頻天線設計

由于汽車本身的電磁干擾嚴重，加之輪胎處于高速、高溫的工作環境，使天線設計成為TPMS系統穩定工作的前提條件[12]。本文為了加強天線傳輸效率和減小發射端的體積，天線采用直接在PCB板制成的微帶天線，此系統選擇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節長度來適應不同的環境。系統選用頻率為433.92 MHz，天線用厚度h=1.6 mm FR4材料制作，電介質常數ε=4.4時，假設網絡匹配阻抗為 50 Ω，根據天線尺寸公式（1）和（2），得到 1/4波長的天線寬度W=1.5 mm，長度L=9.72 cm。

品質因數是天線設計的重要參數，對于固定尺寸的天線，品質參數Q越高，輸出的功率就越大，但是天線的傳輸帶寬B卻與品質因數成反比關系，過高的品質因數會降低傳輸帶寬，影響數據信息的正確傳輸，本系統環形天線的品質因數由回路中的總電阻R，射線頻率f、環形天線的周長l決定，可表示為公式（3）：

文中的TPMS輪胎檢測端射頻發射電路集成到MPXY8300A芯片中，極大的減少了射頻電路的結構。MPXY8300A通過內部一個包含32個8位寄存器的RFX模塊來設置各項射頻發射參數，其存儲器映射結構如圖4所示。MCU將存儲在$10-$1F中的128位數據通過天線發射出去 （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存儲器映射Fig.4 Memory map of RFX

圖5 天線設計電路原理圖Fig.5 Circuit schematic of antenna designing

圖6 天線尺寸圖Fig.6 Antenna size

4 結束語

文中探討了輪胎爆胎預警系統大發展及應用，并針對硬件設計的穩定性在延長系統工作時間和天線設計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置傳感器外置電池、LF低頻喚醒和433 MHz射頻天線設計3個方案。這些改進和傳統技術相比，在系統功能、實物尺寸和節能降耗上都有所改善，具有一定的實用價值。

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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：201202103

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（DC10020117）

楊亞寧（1981—），男，黑龍江寶清人，工程師。研究方向：電工電子實驗教學以及電子產品設計與開發。