1、專：j 、 碩士學(xué)位論文 作者姓名 整拉拉 指導(dǎo)教師金自盎 學(xué)科( 專業(yè)) 鎏焦盞焦皇：丞綾 所在學(xué)院 焦：塾莖瞳 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 摘要 t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 即輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)，主要用于對(duì)汽車胎壓 進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并在監(jiān)測(cè)到輪胎狀況異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警、甚至預(yù)警，以保障駕乘者的行車 安全。隨著人們自我保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)和有關(guān)法律法規(guī)的出臺(tái)，越來(lái)越多的人開始關(guān)注 t p m s ，也使得這項(xiàng)技術(shù)在最近幾年有了很大的發(fā)展：從最初的以比較輪胎轉(zhuǎn)速進(jìn)行胎壓

2、估 計(jì)的間接式t p m s 到現(xiàn)在廣泛研究的依靠傳感器直接測(cè)量的直接式t p m s 。 本文詳細(xì)介紹了t p m s 系統(tǒng)的系統(tǒng)原理，框架性結(jié)構(gòu)和該技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展歷程及 趨勢(shì)；分析研究了t p m s 設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的信源編碼、射頻調(diào)制、天線、多普勒效應(yīng)的影響等 諸多關(guān)鍵技術(shù)；并以具體應(yīng)用環(huán)境為研究出發(fā)點(diǎn)，在輪胎定位重定位、天線設(shè)計(jì)、軟硬件低 功耗設(shè)計(jì)等方面做出了一定程度的創(chuàng)新：同時(shí)結(jié)合理論，詳細(xì)給出了一個(gè)使用電池的直接式 t p m s 系統(tǒng)軟硬件工程開發(fā)的全過程。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做了軟硬件測(cè)試，測(cè)試結(jié) 果表明系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：t p m s胎壓子

3、午胎螺旋天線低功耗設(shè)計(jì)輪胎定位胎壓趨勢(shì)估計(jì) 多普勒頻移 i 塑曼塑圭墮堡些型墨塹墮莖壁莖查塑壅塑三堡塞望 a b s t r a c t t p m si st h ea b b r e v i a t e df o r mo ft i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e r n w h i c hi su s e dt o g e tt h ei n t i r ep a r a m e t e r sa n dr e p o r tt h e mt oc a rd r i v e r , e s p e c i a l l yw h

4、 e nt h et i r e sa r ei nb a d c o n d i t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h em a s s ss e l f - p r o t e c tc o n s c i o u s n e s sa n dt h ed e v e l o p m e n t o fr e l a t e dl a w s ，t p m si si n c r e a s i n g l yg a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w h i c hr e s u l

5、 t si n w i d e ra n dd e e p e rr e s e a r c h e si n t oi t n o w a d a y s o l dw a y sl i k ew h e e l s p e e db a s e d ( w p b l t p m sl sg r a d u a l l ya b a n d o n e db e c a u s eo fp o o ra c c u r a c ya n da m b i g u o u sa l a r m i n g a n d p r e s s u r e - s e n s o rb a s e

6、d p s b ) t p m sh a sf o u n d 1 sp l a c e t h ea u t h o r f i r s t l y i n t r o d u c e st h e s y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r ea n dh i s t o d c f u t u r e d e v e l o p m e n to ft p m ss y s t e m 。a n a l y s i st h ed e t a i l e da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n d

7、d e i g n p r i n c i p l e s ，t h e ns t u d i e sa l it h er e l e v a n tt h e o r i e si i k es o u r c ec o d i n g 。只fm o d u l a t i o n ，a n t e n n a a n de t o b a s e d0 nt h a tf o u n d 削o n a ir e s e a r c h s o m et e c h n i c a il m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o n a r ep

8、r o p o s e d ，i i k et h er e c o g n i t i o na n dr e - r e c o g n a t i o no ft i r e s ，r e a l i z a t i o no fi o wp o w e r c o n s u m p t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g no fb o t ht r a n s m i t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a s ，e t c i nt h e e n d ，aw h o l ed e s i g n

9、p r o c e s so fap s bt p m si sd e s c d b e di ne v e r yd e t a i l ，i ti sp r o v e dt ob e w i t hg o o dp e r f o r m a n c ea c c o r d i n gt ot e s t i n g k e yw o r d s ：t p m s t i r ep r e s s u r em e d d i a nt i r eh e l i xa n t e n n a t i r er e c o g n i t i o nl o wp o w e rc o

10、n s u m p t i o nd e s i g n p r e s s u r e t r e n de s t i m a t i o n d o p p l e re f f e c t n t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 第一章緒論 自從人類文明進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，汽車就逐步成為了世界上最主要的交通工具。如何保障行 車安全一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。學(xué)者們通過大量的調(diào)查和數(shù)據(jù)積累，總結(jié)出汽車安全與輪胎 的工作狀況密切相關(guān)。因此t p m s ( 1 q r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ) 輪胎壓力監(jiān)視系

11、統(tǒng) 的研究成為了汽車工業(yè)的又一大熱點(diǎn)。 1 1t p m s 系統(tǒng) 2 0 0 0 年，由于f i r e s t o n e 輪胎的質(zhì)量事故，造成超過1 0 0 人死亡、4 0 0 人受傷， f i r e s t o n e 被迫于2 0 0 0 年8 月收回6 5 0 萬(wàn)只輪胎，引起美國(guó)政府高度關(guān)注。事后分析事 故主要是由于亞充氣的輪胎在行駛過程中從車體分離導(dǎo)致了追尾1 1 1 。如果當(dāng)時(shí)的汽車安裝了 t p m s 系統(tǒng)，那么這樣的慘劇就可以得到避免。提高駕乘安全性是使用t p m s 最大但不唯一 的好處，此外還具有方便性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保等多方面益處。 1 、汽車行駛安全性要求 在汽車

12、的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的也是突發(fā)性、 惡性交通事故發(fā)生的重要原因之一。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)高速公路上發(fā)生的交通事故有7 0 是由于爆胎引起的，而在美國(guó)這一比 例則高達(dá)8 0 ；輪胎壓力過低和過高引起的交通事故占到總量的1 0 。8 5 的壓力下降 是。緩慢刺穿”的過程。9 5 輪胎爆胎是因?yàn)檩喬ピ趬毫Σ蛔愕那闆r下超負(fù)荷工作吲。 車輛在高速公路上行駛時(shí)一旦爆胎，駕駛員思想準(zhǔn)備不充分極易造成車輛側(cè)滑和不規(guī)則 翻滾，輕者自撞護(hù)欄，重則與其他行使車輛發(fā)生碰撞甚至車毀人亡后果不堪設(shè)想。保持標(biāo)準(zhǔn) 的車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。另外，汽車現(xiàn)有安全措施，如a

13、b s 、 e d s 、e p s 、安全氣囊等，均是“事后被動(dòng)”型安保，即在事故已經(jīng)發(fā)生時(shí)才起到保護(hù)人身和 汽車的安全作用，輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)屬于“事前主動(dòng)”型安保，即在輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)及時(shí) 報(bào)警，采取措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，確保汽車在行駛過程中始終處于安全狀態(tài)。 2 、用戶使用方便性要求 大多數(shù)用戶不是每天進(jìn)行必要的輪胎氣壓檢查，而僅憑肉眼觀察或用腳踢輪胎是無(wú)法正 確判斷輪胎氣壓的。 圖1 1不同充氣狀態(tài)下的輪胎 在長(zhǎng)途、高速駕駛過程中經(jīng)常地檢查氣壓是必須的。t p m s 系統(tǒng)則可以實(shí)時(shí)顯示輪胎參 數(shù)。 3 、經(jīng)濟(jì)性要求 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 延

14、長(zhǎng)輪胎使用壽命：非標(biāo)準(zhǔn)氣壓行駛，將會(huì)使輪胎壽命縮短。科學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，缺氣行駛 時(shí)，車輪氣壓比正常值下降1 0 9 6 ，輪胎壽命將減少1 5 o 。見圖1 2 ?？趌 轆胎竟氣低于揀灌拯 差瓣瀚小汽葦?shù)妮喐苏鼗碜?圖1 2胎壓過低與輪胎和油耗之間的關(guān)系 減少油耗：而如果輪胎氣壓過高，抓地力就會(huì)下降，油耗也會(huì)隨之上升。車輪氣壓比正 常值下降1 0 ，單位汽油行程數(shù)會(huì)下降2 。 避免車輛部件磨損：汽車在輪胎氣壓過高的狀態(tài)下行駛，日積月累對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底盤及懸掛 系統(tǒng)將造成很大的傷害；如果輪胎氣壓不均勻，則會(huì)造成剎車跑偏，從而增加懸掛系統(tǒng)磨損。 基于以上三點(diǎn)，當(dāng)前美國(guó)已經(jīng)將t p m s 系統(tǒng)規(guī)定為繼a

15、b s 、a b r s 之后第三個(gè)立法的汽 車安全電子產(chǎn)品。應(yīng)2 0 0 0 年頒布的車輛召回促進(jìn)、責(zé)任和文件提供法案( - r r e a d 法案) 的要 求。國(guó)家公路交通安全管理局( n h t s a ) 頒布含有兩個(gè)部分的最終準(zhǔn)則。設(shè)立了新的聯(lián)邦機(jī)動(dòng) 車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，要求機(jī)動(dòng)車輛安裝輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)，以便在輪胎嚴(yán)重缺氣時(shí)警告駕車者。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于載重量不高于1 0 0 0 0 磅的所有客車、卡車、多用途載入車輛和公共汽車，一軸 雙輪的車輛除外”j 。 據(jù)現(xiàn)在的記錄，國(guó)家公路交通安全管理局暫時(shí)相信四個(gè)輪胎，低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓2 5 的報(bào)警 選項(xiàng)最符合t r e a d 法案要求，鄄當(dāng)單個(gè)輪胎

16、的胎壓比車輛制造廠推薦的標(biāo)準(zhǔn)輪胎氣壓降低 2 5 或者更低時(shí)，或者低于規(guī)定的最低氣壓標(biāo)準(zhǔn)( 無(wú)論符合哪種情況) ，一輛機(jī)動(dòng)車輛上安裝 的t p m s 必須警告駕車者”j 。 同時(shí)n t h t s a 提出了汽車生產(chǎn)商的執(zhí)行時(shí)間表：美國(guó)市場(chǎng)出售的汽車配備t p m s 系統(tǒng) 的比例：2 0 0 5 年1 0 月5 日達(dá)到2 0 ，2 0 0 6 年9 月1 日達(dá)到7 0 ，2 0 0 7 年9 月1 日達(dá)到 1 0 0 h l 。 1 2 汽車爆胎原因 爆胎是一種復(fù)雜的輪胎破壞現(xiàn)象，其原因是多方面的。據(jù)統(tǒng)計(jì)和專家分析，引起汽車爆 胎的原因主要有負(fù)荷、氣壓、速度、胎面溫度、路面、車架、輪轂等。

17、 圖1 3于午胎結(jié)構(gòu) 輪胎缺氣行駛是爆胎的禍根?，F(xiàn)以無(wú)內(nèi)胎輪胎( 即子午胎) 為例剖析如下：為了提高輪 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 胎的強(qiáng)度，在其簾布層外圍加有一層鋼絲( 帶束層) ，這種結(jié)構(gòu)的輪胎強(qiáng)度高，散熱條件好， 只要?dú)鈮籂顩r好，非常適應(yīng)高速行駛。結(jié)構(gòu)如圖1 3 所示。但它也有一個(gè)極大的弱點(diǎn)，最怕 缺氣行駛。如果輪胎氣壓過低，輪胎變形，下沉量增大，胎溫因摩擦增加而急劇升高，導(dǎo)致 輪胎變軟強(qiáng)度下降；同時(shí)過熱狀態(tài)會(huì)加速子午胎鋼絲與橡膠的老化、變形、甚至內(nèi)部斷裂。 這些都可能造成爆胎意外【4 j 。 綜合起來(lái)爆胎主要有四大禍因： 1 、 輪胎漏氣，輪胎因被鐵釘或尖

18、銳物刺扎導(dǎo)致滲漏氣、慢撒氣引起爆胎。 2 、 輪胎氣壓過高使胎內(nèi)簾線受力過度而變形，輪胎彈性下降使汽車行駛中負(fù)荷加 大，還會(huì)加快胎冠磨損。如受到?jīng)_擊很易爆裂。 3 、 輪胎氣壓過低，會(huì)使胎體增大變形，造成胎側(cè)開裂，同時(shí)使輪胎接地面積增 大，加快胎肩的磨損，也會(huì)導(dǎo)致過度摩擦生熱，使橡膠老化、簾線折斷，最終導(dǎo) 致爆胎。特別是當(dāng)汽車在高速行駛( 速度超過1 2 0 k m h ) 時(shí)，還容易產(chǎn)生“諧振動(dòng)” 現(xiàn)象而引發(fā)巨大的諧振作用力，此作用力最容易導(dǎo)致受傷的輪胎產(chǎn)生突然爆胎現(xiàn) 象，由于此現(xiàn)象發(fā)生于高速行駛時(shí)，危害極大。輪胎氣壓缺氣行駛，輪胎的下沉 量增大，在急拐彎時(shí)容易投生“胎壁著地”的現(xiàn)象，而胎壁

19、是輪胎最薄弱的地方，“胎 壁著地”最容易導(dǎo)致發(fā)生突然爆胎現(xiàn)象。 4 、 胎面溫度超過9 5 度。當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，速度越高，胎面溫度上升也越快。當(dāng)溫 度超過9 5 度時(shí)，胎體簾線即遭到破壞，輪胎便有爆炸的危險(xiǎn)。 爆胎的主要原因是設(shè)計(jì)t p m s 系統(tǒng)的關(guān)鍵依據(jù)。從中可以看出，t p m s 系統(tǒng)必須對(duì)溫度 和胎壓同時(shí)監(jiān)控，但是像對(duì)于溫度，胎壓顯得更為重要。 1 3t p m s 系統(tǒng)的發(fā)展歷史 國(guó)際市場(chǎng)，1 9 9 7 年，通用汽車公司開始使用間接式t p m s ；2 0 0 0 年5 月，直接式t p m s 在美國(guó)上市；2 0 0 2 年發(fā)布的世界新車資料中顯示，美國(guó)福特公司的林肯大陸

20、、戴姆勒克萊 斯勒公司今年夏天上市的道奇( d o d g e ) 迷你廂型車，以及c h r y s l e r 3 0 0 m 等系列車型，都將裝 設(shè)直接式t p m s 。許多歐洲的汽車廠商也已將直接式t p m s 配裝于自己的中高檔車型之中， 其中包括：寶馬公司的z 8 、歐寶公司2 0 0 2 年版威達(dá)、雪鐵龍公司的c 5 ，阿斯頓馬汀公司 的超級(jí)跑車v a n q u i s h 、旁蒂克的旗艦b o nn e v i l l e s e 等等。國(guó)內(nèi)汽車制造巨頭也已開始考 慮將t p m s 作為原廠裝備的標(biāo)準(zhǔn)配置。日本a l p s 電氣2 0 0 3 年5 月從德國(guó)l q -

21、 m o b i lg m b h 獲得了不使用電池的t p m s 技術(shù)并簽訂了獨(dú)家專利授權(quán)合同，借用該技術(shù)開發(fā)的t p m s 已 通過歐洲和美國(guó)的電波法認(rèn)證試驗(yàn)，于2 0 0 4 年6 月起提供下業(yè)樣品，2 0 0 5 年量產(chǎn)供貨9 j 。 中國(guó)也在2 0 0 0 年前后通過引進(jìn)技術(shù)的方式開始了t p m s 的生產(chǎn)，2 0 0 2 年起，隨著國(guó)外 t p m s 品牌大舉登陸中國(guó)和我國(guó)汽車行業(yè)高速發(fā)展的背景下，到2 0 0 4 年我國(guó)形成在一股研 發(fā)和生產(chǎn)t p m s 的高潮。 目前國(guó)內(nèi)t p m s 市場(chǎng)還處于比較艱難的發(fā)展時(shí)期。市場(chǎng)充滿風(fēng)險(xiǎn)。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，前景 非常看好。據(jù)預(yù)測(cè)，

22、2 0 0 7 年中國(guó)t p m s 市場(chǎng)將出現(xiàn)增長(zhǎng)的“拐點(diǎn)”，今后幾年我國(guó)t p m s 市 場(chǎng)都將保持翻倍的速度快速增長(zhǎng)。 1 4t p m s 系統(tǒng)的分類和結(jié)構(gòu) t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 縱觀各大公司開發(fā)設(shè)計(jì)的t p m s 系統(tǒng)，可分為如f 兩種類型，一種是間接式t p m s ( w h e e l * s p e e db a s e dt p m s ，簡(jiǎn)稱：w s bt p m s ) ，另一種是直接式t p m s ( p 怕s s u r e s e n s o r b a s e d t p m s ，簡(jiǎn)稱p s b t p m s ) 。

23、每個(gè)系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)：間接系 統(tǒng)相對(duì)便宜，使用時(shí)，已經(jīng)裝備了4 輪a b s ( 每個(gè)輪胎裝備1 個(gè)輪轉(zhuǎn)速傳感器) 的汽車只需 要對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)，但是測(cè)量準(zhǔn)確度低，在某些情況下此類系統(tǒng)會(huì)無(wú)法正常工作。直接系統(tǒng) 可提供更高級(jí)的功能和準(zhǔn)確度，可隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際氣壓，很容易確定故障輪胎， 但相對(duì)價(jià)格較高。 1 、間接式t p m s 間接式t p m s 系統(tǒng)主要通過汽車a b s 系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別， 以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。在汽車行駛時(shí)，當(dāng)輪胎的氣壓降低時(shí)，車輛的重量會(huì)使輪胎直徑變 小，輪速變快。經(jīng)過綜合分析，這種變化可用于觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)來(lái)向司機(jī)發(fā)出警告。此類型系

24、 統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過1 0 0 公里d , 時(shí)的情況進(jìn)行 判斷，也無(wú)法滿足n h t s a 提出的偏離正常2 5 報(bào)警的要求1 1 q 。從市場(chǎng)的占有率來(lái)看，間接 式t p m s 作為t p m s 的先驅(qū)將逐步淡出。 2 、直接式t p m s 直接式t p m s 系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，利 用無(wú)線通信的方式與駕駛室內(nèi)監(jiān)控器進(jìn)行通信，顯示并監(jiān)測(cè)各輪胎氣壓，當(dāng)輪胎氣壓過低、 過高、有滲漏或者輪胎內(nèi)溫度不正常時(shí)時(shí)，系統(tǒng)都可議自動(dòng)報(bào)警。許多歐洲的汽車廠商已將 直接式t p m s 配裝于自己的車型之中，其中包括：德國(guó)

25、寶馬的z 8 、法國(guó)雪鐵龍的c 5 、英 國(guó)阿斯頓馬汀的超級(jí)跑車v a n q u i s h 、林肯大陸、克萊斯勒與道奇( d o d g e ) 迷你箱型車以 及c h r y s l e r3 0 0 m 與c o n c o r d el i m i i e d 客車、旁蒂克的旗艦b o n n e v j l l es e 等等，梅賽德 斯- 奔馳s 級(jí)轎車最新的改進(jìn)也將t p m s 作為選裝件。圖1 4 是一個(gè)集成了遙控車鎖裝置的 直接式t p m s 系統(tǒng)的構(gòu)架。 蓖1 4 集成了遙控車鎖裝置的直接式t p m s 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 圖中的l f t x 實(shí)現(xiàn)了低頻喚醒功能。發(fā)射模塊

26、在汽車輪胎內(nèi)的安裝有二種方式，一是利用緊 箍扣安裝在輪轂上，這是晟早的辦法，但振動(dòng)后會(huì)移位。二是利用氣門咀安裝，這是目前使 用最多的。見圖1 5 。無(wú)論采用哪種方式，安裝完t p m s 發(fā)射模塊都必須對(duì)輪胎重新做動(dòng)平 衡檢驗(yàn)。 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 圖1 5 胎壓遙測(cè)模塊安裝位置 目前直接式t p m s 主要可分為兩大類。 1 、使用電池方案。即固定于輪胎內(nèi)部的胎壓遙測(cè)模塊用自帶電池供電工作。這也是當(dāng)前市 場(chǎng)的主導(dǎo)類型。 其中的胎壓遙測(cè)模塊功能性框圖如圖1 6 。 圖1 6胎壓遙镕l 模塊框圖 由以下幾個(gè)部分組成：( 1 ) 具有壓力( 溫度、加速度、電

27、壓) 檢測(cè)和后信號(hào)處理a s i c 芯片組合的智能傳感器s o c ；( 2 ) 4 8 位單片機(jī)( m c u ) ；( 3 ) r f 射頻發(fā)射芯片；( 4 ) 電池； ( 5 ) 天線。因?yàn)檩喬?nèi)惡劣的工作環(huán)境，所有組件、材料都要滿足- 4 0 c l j + 1 2 5 的使用溫 度范圍。 t p m s 傳感器是一個(gè)集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器、數(shù)字信號(hào)處理單元、 和電源管理器的片上系統(tǒng)模塊。為了強(qiáng)化胎壓檢測(cè)功能，有不少t p m s 胎壓遙測(cè)模塊內(nèi)還增 加了加速度傳感器、電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘、看門狗，和帶1 2b i t a d c 、4 k b y t ef l a

28、s h 、2 k r o m 、 1 2 8b y t er a m 、12 8b y t ee e p r o m 及其它功能的a s i c 數(shù)字信號(hào)處理單元或m c u 。這些 功能芯片使得t p m s 傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車開動(dòng)中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且 還能實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開機(jī)、自動(dòng)喚醒、節(jié)省電能等功能。電源管理器確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗， 使一節(jié)鋰電池可以使用3 - 5 年。 t p m s 的壓力傳感器都是用基于m e m s 技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，主要有硅集成電容式壓力傳 感器，如m o t o r o l a 的m p x y 8 0 2 0 、m p x y 8 0 4

29、0 ；硅壓阻式壓力傳感器，如g en o v a s e n s o r 的n p x l 、n p x 2 ，i n f l n e o n s e n s o n o r 的s p l 2 、s p l 2 t 、s p 3 0 。硅壓阻式壓力傳感器采用 高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路，其測(cè)量精度能達(dá) 0 0 1 0 0 3 f s 。 對(duì)于r f 發(fā)射芯片t p m s 的工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為3 t5 m h z ，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為4 3 3 9 2m h z ， 5 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 韓國(guó)為4 4 8m h z ，已有人建議新標(biāo)

30、準(zhǔn)為8 6 8m h z 。其發(fā)射功率義不能超過1 0 d b m ，否則要 接受無(wú)線電管制。工作模式有a s k 、f s k ，其中f s k 抗干擾較好。 圖1 7 為中央監(jiān)視器功能框圖。 圖1 7中央監(jiān)視器框圖 t p m s 中央監(jiān)視器主要由u h fa s k f s kr f 接收l(shuí) c 和信號(hào)處理m c u 、鍵盤、l c d 顯示器 組成。r f 接收l(shuí) c 和m c u 可獨(dú)立封裝，也可集成在汽車儀表箱內(nèi)，帶控制鍵盤的l c d 能實(shí) 時(shí)顯示每個(gè)輪胎的壓力、溫度，和每一個(gè)輪胎的i d 識(shí)別碼，以及詳細(xì)的報(bào)警信息。由于接收 系統(tǒng)是工作在汽車車廂內(nèi)，其環(huán)境溫度是常溫而且變化不大

31、，電源可以使用汽車的1 2 v 或 2 4 v 電源，因此對(duì)器件選用只要是工業(yè)級(jí)即可，省電的要求也不高。 r f 接收i c 選用時(shí)一般考慮需要較高的接收靈敏度，以提高t p m s 的工作效率和降低整 個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，a t m e l 的t 5 7 4 3 、i n f i n e o n 的t d k 5 2 1 0 的標(biāo)稱靈敏度都達(dá)- 10 0 d b m 以 上。這種使用電池的直接式t p m s 系統(tǒng)有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。 電池的使用時(shí)間直接影響整個(gè)胎壓遙測(cè)模塊的使用時(shí)間。一旦電池耗盡，模塊即須更換。 因?yàn)閺陌踩钥紤]，輪胎內(nèi)部電路需要做成密封，更換電池和把傳感器從輪胎內(nèi)取出的成 本較

32、高，所以該模塊就是一種一次性產(chǎn)品。一般情況下只有和輪胎一起更換。一般的公路 車行駛3 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 k m 需要換一次胎，折合到時(shí)間4 至5 年必須更換。所以系統(tǒng)中胎壓 遙測(cè)模塊的使用壽命也應(yīng)該達(dá)到4 至5 年。另外，也正是由于封閉性，所以自產(chǎn)品下生產(chǎn) 線之刻起，遙測(cè)模塊便開始耗電，所以產(chǎn)品實(shí)際使用壽命應(yīng)該為出廠值減去安裝之前的消 耗。所以對(duì)這種類型的t p m s 系統(tǒng)而言，低功耗設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 胎壓遙測(cè)模塊質(zhì)量較大。僅電池的重量一般就在1 0 9 左右。胎壓遙測(cè)模塊的安裝會(huì)使輪胎 質(zhì)量分布不均勻，偏在車輪的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。從而引起車輪中高速時(shí)產(chǎn)生偏擺振動(dòng)。若要使重 量

33、均勻分布就必須進(jìn)行輪胎動(dòng)平衡校正。這也是所有直接式t p m s 系統(tǒng)安裝后必須做的 一步。未裝輪胎時(shí)，輪輞的不平衡度應(yīng)不大于0 0 4 - 0 0 5 n m 裝上輪胎后，車輪的不平衡度， 應(yīng)不大于0 10 0 12 n m 。輪輞邊緣允許的平衡塊重量不大于7 0 9 ”。對(duì)輪胎而言，外來(lái)物 質(zhì)量越大，動(dòng)平衡越難做，一旦超出配重可調(diào)節(jié)范圍，必將會(huì)導(dǎo)致車輛高速行駛時(shí)的抖動(dòng)。 2 、無(wú)電池方案。即輪胎內(nèi)部傳感器不使用電池供電。目前有兩個(gè)發(fā)展方向，能量來(lái)源 分別為r f i d 中讀頭的發(fā)射功率和汽車行進(jìn)過程中的機(jī)械能。 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)( r a d i of r e q u e n c yi

34、d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別 技術(shù)，其基本原理是利用了射頻信號(hào)和空間耦合( 近距離的電感或遠(yuǎn)距離的電磁耦合) 傳輸 特性，其中電感耦合依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，而電磁耦臺(tái)則是以雷達(dá)原理為模型，發(fā)射出去 的電磁波碰到目標(biāo)后反射同時(shí)帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。射頻識(shí)別系 統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即電子標(biāo)簽( t a g ) 和閱讀器( r e a d e r ) 7 1 。在t p m s 系統(tǒng)中，t a g 6 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 即附著于胎壓遙測(cè)模塊，r e a d e r 則

35、由接收模塊來(lái)完成 3 1 。 以r f i d 技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國(guó)固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該 公司和西門子v d o 汽車配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶r f i d 卡傳感器。 該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號(hào)外，還具 有標(biāo)識(shí)輪胎的功能，也就是說，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測(cè)，還可以用于輪胎歷程可追溯性記 錄。采用無(wú)電池方案的廠家，除了美國(guó)固特異輪胎橡膠公司之外還有開始提到的日本a l p s 。 其公布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下： b i d i r e c t i o n a lr fs i g n a l 2 4 g h z

36、 圖1 8a l p s 無(wú)電池t p m s 系統(tǒng)示意圖 該產(chǎn)品的胎壓遙測(cè)模塊僅重6 克( 不包括閥重) ，可以正常工作的溫度范圍為4 0 c 到 1 5 0 ，調(diào)制部分使用了跳頻技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高傳輸可靠性。經(jīng)測(cè)試，其支持的最大行駛速度達(dá) 到3 3 0 k m h 惻。 據(jù)時(shí)代光華通過對(duì)國(guó)內(nèi)上百家t p m s 企業(yè)大規(guī)模調(diào)研后顯示：目前國(guó)內(nèi)從事t p m s 研 發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)有5 0 多家，9 0 以上的t p m s 產(chǎn)品是直接式產(chǎn)品，氣門嘴安裝是大多數(shù)產(chǎn)品 采用的安裝方式。從技術(shù)來(lái)看，t p m s 技術(shù)主要來(lái)自于m o t o r o l a 、i n f i n e o n 、g e

37、等三家外資 企業(yè)。 1 5 論文的結(jié)構(gòu) 本文作者本著學(xué)以致用的科學(xué)研究態(tài)度，在對(duì)t p m s 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)做了充分的分析之 后對(duì)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入地研究，并將研究成果付諸于實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)使用電池 的直接式t p m s 系統(tǒng)。 文章共分六個(gè)章節(jié)： 第一章為概述，介紹了t p m s 系統(tǒng)的框架性體系結(jié)構(gòu)、歷史發(fā)展和技術(shù)趨勢(shì)、應(yīng)用環(huán)境、 設(shè)計(jì)依據(jù)等。 第二章對(duì)t p m s 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)信源編碼、射頻調(diào)制、天線技術(shù)、輪胎定 位和多普勒頻移對(duì)信號(hào)接收的影響等方面做了詳盡的數(shù)值分析和研究，并在對(duì)實(shí)際無(wú)線傳播 環(huán)境進(jìn)行分析后，提出了一種具有一定創(chuàng)性意義的天線結(jié)構(gòu)。 第三章提

38、出了一個(gè)直接式t p m s 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在比較和分析了目前該領(lǐng)域主要實(shí)現(xiàn) 方案后確定了本系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)采用的設(shè)計(jì)方案。并簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及的主要工 具軟件。 第四章和第五章則詳盡介紹了一個(gè)使用電池的直接式t p m s 系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。在第二 章主要理論的支持下，結(jié)合工程應(yīng)用思考和經(jīng)驗(yàn)，介紹了硬件關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)，軟件構(gòu)架及算 法的實(shí)現(xiàn)過程。 第六章給出了系統(tǒng)的部分軟硬件測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了本t p m s 系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)越性。 并對(duì)t p m s 的發(fā)展和作者后續(xù)研究工作做了進(jìn)一步的展望。 7 ；j o t p m s 汽午眙壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 即附著于胎壓遙測(cè)

39、模塊，r e a d e r 則由接收模塊來(lái)完成1 3 。 咀r f i d 技術(shù)作為研發(fā)智能輪胎的基礎(chǔ)，美國(guó)固特異輪胎橡膠公司就是其中的一員。該 公司和西門子v d o 汽車配件公司合作，成功研發(fā)出一種鈕扣電池般大小的帶r f i d 卡傳感器。 該傳感器除了能夠感知輪胎內(nèi)的氣壓、胎體溫度的變化并發(fā)射反映這種變化的信號(hào)外，還具 有標(biāo)識(shí)輪胎的功能，也就是說，它既可用于輪胎氣壓監(jiān)測(cè)，還可以用于輪胎歷程可追溯性記 錄。采用無(wú)電池方案的廠家，除了美國(guó)固特異輪胎橡膠公司之外還有開始提到的日本a l p s 。 其公布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下： t r a n s p o n d e ry 豢謄? 鑊鑾f 逐圈

40、b i d i r e c d o a a t 酶s i g a a t 3 4 g i z 幽18a l p s 無(wú)電他t p m s 系統(tǒng)示意例 該產(chǎn)品的胎壓遙測(cè)模塊僅重6 克( 不包括惻重) ，可以正常工作的溫度范圍為- 4 0 - ( 2 到 1 5 0 c ，調(diào)制部分使用了跳頻技術(shù)以實(shí)現(xiàn)島傳輸可靠性。經(jīng)測(cè)試，其支持的最大行駛速度達(dá) 到3 3 0 k m h 6 。 據(jù)時(shí)代光華通過對(duì)國(guó)內(nèi)上百家t p m s 企業(yè)大規(guī)模調(diào)研厲顯示：目前國(guó)內(nèi)從事t p m s 研 發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)有5 0 多家，9 0 以上的t p m 8 產(chǎn)品是直接式產(chǎn)品，氣門嘴安裝是大多數(shù)產(chǎn)品 采用的安裝方式。從技術(shù)來(lái)看

41、，t p m s 技術(shù)主要來(lái)自于m o t o r o l a 、i n f i n e o n 、g e 等三家外資 企業(yè)。 5 論文的結(jié)構(gòu) 本文作者本著學(xué)以致用的科學(xué)研究態(tài)度，在對(duì)t p m $ 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)做了充分的分析2 后對(duì)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入地研究，并將研究成果付諸于實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)使用電池 的直接式t p m s 系統(tǒng)。 文章共分六個(gè)章節(jié)： 第一章為概述，介紹了t p m s 系統(tǒng)的框架性體系結(jié)構(gòu)、歷史發(fā)展和技術(shù)趨勢(shì)、應(yīng)用環(huán)境、 設(shè)計(jì)依據(jù)等。 第二章對(duì)t p m s 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)信源編碼、射頻調(diào)制、天線技術(shù)、輪胎定 位和多曹勒頻移對(duì)信號(hào)接收的影響等方面做了詳

42、盡的數(shù)值分析和研究，井在對(duì)實(shí)際無(wú)線傳播 環(huán)境進(jìn)行分析后，提出了一種具有一定創(chuàng)性意義的天線結(jié)構(gòu)。 第三章提出了一個(gè)贏接式t p m s 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在比較和分析了目前該領(lǐng)域主要實(shí)現(xiàn) 方案后確定了本系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)采用的設(shè)計(jì)方案，并簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及的主要工 具軟件。 第四章和第五章則詳盡介紹了一個(gè)使用電池的直接式t p m s 系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。在第二 章主要理論的支持下，結(jié)合工程應(yīng)用思考和經(jīng)驗(yàn)，介紹了硬件關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)，軟件構(gòu)架及算 法的實(shí)現(xiàn)過程。 第六章給出了系統(tǒng)的部分軟硬件測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了本t p m s 系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)越性。 并對(duì)t p m s 的發(fā)展和作者后續(xù)研究工作做了

43、進(jìn)一步的展望。 7 a t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 第二章t p m s 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 2 1 信源編碼方式 為t p m s 系統(tǒng)選用曼徹斯特編碼。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一個(gè)跳變，高到 低的跳變表示”從低到高跳變表示0 。該跳變做數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)提供時(shí)鐘信號(hào)。還有一種 蔫分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時(shí)鐘定時(shí)，而用每位開始時(shí)有無(wú)跳變表示0 或- 有跳變?yōu)? ，無(wú)跳變?yōu)椤? 。對(duì)不歸零序列0 0 110 1 的曼徹斯特，差分曼徹斯特編碼結(jié)果如圖2 1 所示： ii b l 曼徹斯特編碼 l i liii lii li iilli 1r 1 巾ir

44、 1 向i ! 。 幻差分蔓徹斯蔣編碼 圖2 1曼徹斯特編碼 在信源編碼中使用曼徹斯特編碼的原因主要有以下幾個(gè) 1 、曼徹斯特編碼的占空比為1 ：1 。故編碼后序列沒有直流分量。避免因?yàn)榻邮諜C(jī)中 放大器的零漂及后端積分比較器對(duì)信號(hào)直流電平判斷錯(cuò)誤的而造成解碼電路的 誤判。 2 、曼徹斯特編碼可以為接收電路提供同步信號(hào)，是一種非常典型的自同步編碼方 式。所謂自同步就是指能從數(shù)據(jù)信號(hào)波形中直接提取同步信號(hào)的方法。 3 、曼徹斯特編碼后碼字是有限的，只可能是十六進(jìn)制數(shù)5 ，a ，6 ，9 的各種組合。 所以只要將數(shù)據(jù)幀同步碼取為這些組合以外的某一個(gè)序列，就可以完全避免幀頭 的誤判( 虛警) 。 4

45、、曼徹斯特編碼比較簡(jiǎn)單，適合處理能力比較弱的系統(tǒng)使用。 可見，曼徹斯特編碼不僅實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，而且具有良好的抗干擾性能和自同步能力。但 由于每一個(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1 ，2 。同時(shí)由于是用方 波中心的跳變沿來(lái)傳遞信息，所以存在極性反轉(zhuǎn)而引起譯碼錯(cuò)誤的可能。比如一串“0 0 0 0 0 0 ” 序列，只要判決出脈沖有半比特時(shí)間的誤差，就將被譯成“11 1 ”( 表示隨意碼字) 。更 甚者，當(dāng)實(shí)際信號(hào)為0 、1 交變序列，如“0 10 10 1 ”時(shí)，接收端解碼器將會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)無(wú)效! 這正 是需要幀同步來(lái)杜絕的情況。 為了在t p m s 系統(tǒng)中正確接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀頭

46、部需要開銷前導(dǎo)碼和幀起始定界碼。前導(dǎo) 碼用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方時(shí)鐘的同步。 8 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 2 2 射頻調(diào)制方式比較與選擇 因?yàn)闊o(wú)線信道條件的惡劣，目前大多數(shù)無(wú)線接收解調(diào)芯片對(duì)f s k ，a s k 都利用本地穩(wěn) 定的相干載波信號(hào)，采用相干解調(diào)方式。下面假設(shè)信道中只存在加性噪聲，比較a s k tf s k 調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 2 2 1 a s k 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng) 對(duì)于二進(jìn)制的振幅鍵控系統(tǒng)，在個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，其發(fā)送波形可以表示為 墨( r ) 一 _ ：萎霎：，篙 其吶( r ) i f 竺：? 箋t ： i 為二進(jìn)制碼元的寬度 調(diào)制后波形如圖2

47、 2 ( 圈中三角波實(shí)際為正弦波) ，a s k 調(diào)制，相干解調(diào)系統(tǒng)框圖2 3 廠 能艫一 y i ( 圖2 3相干解調(diào)a s k 調(diào)制系統(tǒng) 在每一段時(shí)間( 0 ，t ) 內(nèi)觀察，輸入端的波形可以表示為 y l ( 小黜刪嚷；囂 式中心( r ) 是u ，( t ) 經(jīng)傳輸后的波形。為簡(jiǎn)明起見，我們認(rèn)為信號(hào)經(jīng)傳輸后有固定的損耗且 未產(chǎn)生畸變，則 u 脅1 0 a c o s c o d 0 其 鏟t 而n if t l 表示加性高斯白噪聲。當(dāng)帶通濾波器恰好可使信號(hào)完整的通過，則它即濾去了帶外 的高斯自噪聲，輸出 巾，州苗? 蛤震等 式中n ( r ) 為高斯自噪聲帶通后的噪聲。 n ( f )

48、 - n 。( f ) c o s n i f 一“，( t ) s i n o 口, t 時(shí) 時(shí) 可以看作一個(gè)窄帶高斯過程，且它可以表示成 9 - t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 巾，- 臁$ 篡蒿獬i 鬈：籌 相干解調(diào)后的輸出 球) 一協(xié)旦鬃；葛 考慮n 。( f ) 是方差為吒( 帶通濾波器輸出噪聲平均功率) 的零均值高斯隨機(jī)噪聲，則系統(tǒng)信 蚍肌專，可得 。- p ( 五 x 2 ) - p ( a + 。一h 2 。o ) 假設(shè)e ( 1 ) p ( o ) ，系統(tǒng)總誤碼率 只- 扣書珂( 鼉州，叫擊) 】 6 為判決門限，取最佳厶一三，得到 只一1 ( 1-

49、 糾壺卜1 咖 2 2 2 f s k 調(diào)制群調(diào)系統(tǒng) f s k 用個(gè)載頻表示“0 ”，另一個(gè)載頻q 表示“n 載頻之間的切換在瞬間完成a 已 調(diào)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： 卅刪茲；篙 吣( r ) _ f 缸掣j 豁正 ( f ) - a c 。o s e 0 2 t 0 其 1 舭= 屆硝一目( 1 _ ，) 1 d 一2 亡。 f - 三_ l ：o 0 2 肌m 、f 2 z + 4 3 4 1 0 “4 z * 1 0 。* 1 1 + 1 0 5 所以，鋼層厚度只要超過0 1 m m 就可以對(duì)電磁波起屏敝作用。 1 3 i 叩 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 波在

50、介質(zhì)中的阻抗 z ：r f l + 1 r：盟：2”*434106*4a10-700210-3。343t10-2q 22 由此可見輪轂對(duì)于微波可以視為短路。于是輪轂也成為發(fā)射天線的一部分，反射一部分電磁 波，從而改變天線方向性。 4 、鋼絲層對(duì)電磁波傳播的影響 子午胎對(duì)電磁波傳播的影響可以從兩方面分析，首先把子午胎鋼絲層之間的空隙看成一 個(gè)長(zhǎng)度為鋼絲層直徑的矩形空氣波導(dǎo)，考慮這個(gè)空氣波導(dǎo)的影響；其次是鋼絲層的影響。由 于鋼絲也是電的良導(dǎo)體，正如前面分析輪轂一樣，它相對(duì)于微波可以看作短路。所以也對(duì)波 的傳播特性有著不確定的反射影響。 。f 面重點(diǎn)分析空氣波導(dǎo)對(duì)微波傳播的限制作用。 k ：t 傳播

51、方向z ( a ) 圖2 9 ( a ) 參考坐標(biāo)系) t e l 0 模在波導(dǎo)中的傳播方式 先來(lái)看矩形波導(dǎo)的色散方程，假設(shè)波沿著z 軸正方向傳播。 再一一 其中珊為頻率；，u 為波導(dǎo)介電常數(shù)，磁導(dǎo)率：a ，6 為矩形波導(dǎo)寬邊，窄邊長(zhǎng)度。 t t t ，l 代表波導(dǎo)的模式：滿足波導(dǎo)橫截面邊界條件的一種可能的場(chǎng)分布叫做波導(dǎo)的模式，不同 的模式有不同的場(chǎng)結(jié)構(gòu)。掰挖用以區(qū)分場(chǎng)在橫截面駐波半波數(shù)的個(gè)數(shù)。 l 一0 ，表示電場(chǎng)在 芹方向沒有分量；n 一0 ，表示電場(chǎng)在y 方向沒有分量。 圖2 9 ( b ) 示意的是一個(gè)t e l 0 模在矩形波導(dǎo)中傳播時(shí)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式。實(shí)線為電場(chǎng)矢 量，虛線為磁場(chǎng)矢

52、量。 由這個(gè)方程可知，對(duì)于一定尺寸的波導(dǎo)和一定形式的波模式，橫向傳播常數(shù) 七墨為一個(gè)常數(shù)，這樣，當(dāng)0 3 由小變大時(shí)，將出現(xiàn)三種情況： 1 ) t 2 2 肛，k ：為虛數(shù)，則波的傳播因子e 業(yè)4 成了衰減因子，說明波不能傳播。 2 ) t 2 導(dǎo)。0 6 9 ，得到4 0 6 9 m 。 。 m ， 2 因?yàn)閍 的物理意義，所以所有t e m 0 波都能無(wú)障礙通過。 但是，從圖2 7 可以看到，對(duì)一個(gè)空氣波導(dǎo)的垂直極化波對(duì)另一個(gè)波導(dǎo)而言確可能是水 平極化，而胎壓遙測(cè)模塊是跟隨輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的，為了盡景減少接收盲點(diǎn)，就需要電磁波在透過 輪胎后的方向圖是全向的。所以。追求單純的極化方式并不利于天線的方

53、向性。 2 3 2 t p m s 天線設(shè)計(jì)原則 t p m s 天線只有設(shè)計(jì)成符合本系統(tǒng)的要求才有真正的應(yīng)用價(jià)值。需耍從天線方向圖、增 益、效率、極化特性等多角度考慮天線設(shè)計(jì)。在討論t p m s 天線設(shè)計(jì)原則之前，先簡(jiǎn)單介紹 設(shè)計(jì)相關(guān)的天線基本參數(shù) 天線效率：彳正。瓦爭(zhēng)毒 輻射效率小乏 圈2 1 0天線參數(shù)示意圖 1 5 p ，a d ：輻射功率 p r e f ：輸入端反射功i p 。：天線接收功率 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) ff 單端口網(wǎng)絡(luò)散射系數(shù)：s l l i r = 二l + 只。 方向性系數(shù)：定義為在相同的輻射功率下，天線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度

54、的平方與理想無(wú) 旃雌源天線在驢點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度平方的魄啪卅一4 z r z 等t 磐式 中( 只) 距離天線r 處( 極坐標(biāo)為( ( 口，) ) ) 的時(shí)間平均坡印廷功率密度，e i 為該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度 幅值。 天線增益：g a - 一- e q 從這些基本概念可以看到，具有全向方向性特征的天線是不可能獲得高增益的，而當(dāng)天 線輻射方向圖確定了之后，天線在空間固定某點(diǎn)的增益與天線輸入端匹配程度和天線輻射效 率成簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。有時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到匹配，會(huì)在輸入前端加匹配網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)s 參數(shù)可能 非常理想但是對(duì)系統(tǒng)而言匹配網(wǎng)絡(luò)增大了功率的損耗相當(dāng)于降低了天線總效率。同時(shí) 輸入端匹配的改變以及為提高輻射效率而對(duì)

55、天線結(jié)構(gòu)的改變會(huì)反過來(lái)影響天線的方向圖。所 以天線，特別是尺寸受限的電小天線，設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)權(quán)衡得失的過程。 弗利斯功率傳輸方程描述了天線系統(tǒng)中，發(fā)射天線的輸入功率產(chǎn)、收發(fā)天線( 最大) 增 益g r a , 、波長(zhǎng)和通信距離r 與接收天線最大接收功率即資用功率e 2 _ n 鄯j 關(guān)系。其分 ， 貝形式為： p ( d b m ) 一只( 砌) + q ( d b ) + g ，( d 8 ) 一2 0 l o g 。月( _ b 雄) 一2 0 l o g t 。，( 紕) 一3 2 “” 式中括號(hào)內(nèi)的是變量單位。取p 一0 d b m ，r 一0 0 0 5 k m ，一4 3 4 m

56、 h z ，可得 只- g + g ，一3 9 1 9 目前的接收芯片靈敏度都在8 0 d b m 以上，所以從這個(gè)公式看，由于t p m s 系統(tǒng)所要求的 收發(fā)距離很近，所以對(duì)天線的要求并不高。但是。這是一個(gè)非常理想的公式，即認(rèn)為系統(tǒng)處 于電磁波傳播途中沒有任何損耗、收發(fā)天線最大波束對(duì)準(zhǔn)、極化方式相同且匹配的最佳接收 條件下。而t p m s 系統(tǒng)傳播環(huán)境是比較惡劣的，見2 3 1 分析，所以仍需要盡可能的提高天線 性能。 2 3 2 1 發(fā)送端天線 1 方向圖：接收天線始終位于發(fā)射天線上方，如果發(fā)射天線固定不動(dòng)，則其方向圖最佳為 最大波束向上且偏向汽車駕駛臺(tái)：但是四個(gè)輪胎中的發(fā)射天線是要跟

57、隨輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的。所 以方向圈最好能具有一定的全向性。 2 效率。天線效率越高越好。要求輻射效率高并且輸入端匹配度高。 a 極化特性?？紤]到天線的旋轉(zhuǎn)以及后面將討論的輪胎結(jié)構(gòu)，為了減少接收盲點(diǎn)，應(yīng)盡可 能的實(shí)現(xiàn)圓極化或橢圓極化。 2 3 2 2 接收端天線 天線是可逆的，所以可以將接收天線視作發(fā)射天線考慮。 1 方向圖：t p m s 系統(tǒng)中由于車底盤和車門的金屬結(jié)構(gòu)，一般的，電磁波只能從車窗透 過。接收天線置于駕駛臺(tái)上，正好與車窗同高。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的增大水平方向增 t p m s 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)現(xiàn) 益。因?yàn)槠渌较虻碾姶挪m然反射后也可以透過車窗，但是期間會(huì)有能量損

58、失。 2 效率。效率分析和發(fā)送端的分析相同。 3 極化特性。為了實(shí)現(xiàn)最佳接收，接收天線的極化方式應(yīng)與來(lái)波的極化方式匹配。所以也 應(yīng)該設(shè)計(jì)成圓極化或橢圓極化。極化方式失匹意味著接收信號(hào)能量很小甚至沒有，一個(gè) 純垂直極化的天線根本無(wú)法接收一個(gè)純水平極化的來(lái)波。 2 3 3 t p m s 天線設(shè)計(jì) 根據(jù)前一小節(jié)的分析以及t p m s 系統(tǒng)的微型性，將t p m s 天線設(shè)計(jì)為全部( 部分) 發(fā) 向模螺旋天線加倒f 結(jié)構(gòu)是比較可取的。 2 3 3 1 螺旋天線 螺旋線能大大地減小電磁波延螺旋線軸向傳播的相速，作為一級(jí)近似，電磁波延螺旋線 軸向軸向傳播的相速和電磁波在自由空間的相速之比等于螺旋線的螺距和每匝周長(zhǎng)之比。從 另一個(gè)角度考慮，螺旋線增加了感抗，所以即使在軸線方向上天線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于普通諧振單 極天線或偶極子天線，也很容易滿足諧振條件，與相同軸長(zhǎng)的單級(jí)天線相比，有定的效率 優(yōu)勢(shì)。 1 螺旋天線結(jié)構(gòu) 螺旋的結(jié)構(gòu)如圖2 1 1 c = * o ( c ) 圖2 1 1 ( a ) 參考坐標(biāo)系( b ) 螺旋天線結(jié)構(gòu)c ) 螺旋單周長(zhǎng)展開 用來(lái)描述螺旋天線的參量有： d ： 螺旋直