轮胎压力与温度检测系统设计.docx

汽车轮胎压力和温度监测系统设计摘要在汽车高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。保持标准的压力和温度是防止爆胎的关键。轮胎压力温度监视系统（TPMS）主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压温度进行自动监测，对异常情况进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。目前TPMS主要有两种类型：间接式和直接式从测量精度和实时性来说直接式优于间接式。TPMS系统主要有二个部分组成：安装在汽车轮胎里的传感器模块和安装在汽车驾驶台上的系统主机。一个TPMS系统有4个传感器模块。系统主机向传感器模块发送激励信号，传感器模块响应系统主机发送回波信号，系统主机处理信号后把轮胎的压力和温度信息数据显示在屏幕上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常，则报警，提醒驾驶者采取必要的措施；同时驾驶员可以根据实际情况设定温度和压力报警上下限。关键词：TPMS， 自动监测, 传感器, 主机系统Abstract High-speed driving in the car, tire failure was most worried about all the drivers and the most difficult to prevent, and it is important to sudden causes traffic accidents. Maintain the standard pressure and temperature are the key to prevent puncture. Tire pressure and temperature monitoring system (TPMS) is mainly used in the car driving on the tire pressure when the real-time automatic monitoring of temperature, warning of abnormal situations to ensure traffic safety, is the drivers, passengers, protection of life and safety of early warning systems . Currently there are two types of TPMS: indirect and direct style. Accuracy and real-time from it. Direct is better than indirect. TPMS system has two main parts: the installation of sensors in the car tires in the modules and installed in the car on the bridge of the system host. A TPMS system has four sensors modules. System of the host to send the excitation signal sensor module, sensor module sends echo response system host, the host processing system, signal the tire pressure and temperature information and data displayed on the screen for the driver information. If the tire pressure or temperature, abnormal, then the alarm to alert the driver to take the necessary measures; while the driver can set the temperature and pressure of the actual situation of alarm limits. Keywords: TPMS ， automatic monitoring，sensor， Host system朗读目录摘要1第1章 引言51.1课题背景51.2 课题研究的意义513 TPMS的历史、现状和发展趋势6第2章 TPMS原理及分类72.1 间接式TPMS系统722 直接式TPMS系统7第3章 系统设计要求931 系统工作环境93. 2 系统功能要求933 系统技术要求934 报警阀值设定10第4章 系统设计1141 声表面波传感器114.1.1声表面波传感器介绍114.1.2 谐振器型传感器13124.2 TPMS主机结构134.3 系统工作原理144.4 主要器件的选择154.4.1处理器154.4.2激励源154.5 系统电路原理图设计154.6硬件系统中关键部分的设计164.6.1激励信号的实现164.6.2开关设计184.6.3回波信号频率采集184.6.4 数据融合处理194.6.5 天线与匹配网络194.6.6 LCD显示204.7 MSP430模数转换214.8 系统工作流程23结束语26致谢27参考文献28附录30第1章 引言1.1课题背景随着汽车工业的飞速发展，人们在享受汽车高效便捷的同时，交通事故率也在不断提高，据统计，在高速公路上发生的交通事故有70-80是由于爆胎引起的。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家的分析，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。而TPMS系统无疑将是理想的工具TPMS主要用于在汽车行驶时对轮胎气压温度进行实时自动监测1，及时发现车胎漏气并发出警报，在事故发生前帮助驾驶者采取相应措施，防止爆胎以减少或避免交通事故的发生，是驾驶者、乘车人及道路行人生命安全的保障预警系统2。TPMS是当前汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车智能安全及环保节能的发展方向，将成为汽车必备的全驾驶配备之一；TPMS具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益，它的广泛应用将是一个永恒的主题。1.2 课题研究的意义轮胎压力监测系统可以带来显著的社会效益和经济效益。轮胎压力监测系统的社会效益包括两方面：1)大大减少因交通事故引起的人身伤亡和经济损失。轮胎安全对汽车安全行驶的影响极大，在轮胎出现故障或异常时通过轮胎压力监测系统TPMS及时地对驾驶员进行预警，可以提高轮胎的安全性能，进而可以有效地降低汽车行驶，特别是高速行驶时发生交通事故的可能性。2)减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问题。据世界卫生组织最新统计结果，目前全世界每天有超过500万条废轮胎被丢弃。由于废旧轮胎回收和处理上的困难，目前全球己有数以亿万计的轮胎等待处理，成为了环保的一大顽疾。另外实验证明，轮胎压力和汽车的燃油经济性有着密切的关系。行驶相同的距离，轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油，同时也排放出更多的尾气。通过使用轮胎压力监测系统及时的发现轮胎气压的异常，就可以有效的解决因轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。随着经济的增长和汽车整体价格的下降，将会有越来越多的消费者具有购买汽车的能力和愿望。另一方面，随着因轮胎压力问题引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加，越来越多的厂家开始重视轮胎压力与温度监测问题，目前已经有国家出台法律规定要求在汽车中配置轮胎压力监测系统。在不久的将来，轮胎压力监测系统将会和ABS、安全气囊一样成为汽车的标准配置。巨大的需求将会产生巨大的市场，许多与轮胎压力监测系统相关的企业将会出现，创造巨大的经济效益。13 TPMS的历史、现状和发展趋势轮胎压力监测系统TPMS的概念出现在上世纪80年代，到90年代已经有部分欧洲的高档轿车配备了用于测量轮胎温度和压力的传感器。到90年代末，轮胎压力和温度问题开始备受人们关注，这是因为当时的一些汽车组织对1995年汽车事故的研究过程中发现，在1995年发生的致命的汽车交通事故中，有647次与汽车轮胎胎压有关。美国轮胎商业杂志对766辆汽车的统计表明，有723的汽车的轮胎胎压不足。由此可见，一方面轮胎压力和温度对交通安全有重要影响；另一方面，缺少一种可以方便的帮助汽车驾乘人员查看汽车轮胎压力和温度状况的设备。所以，轮胎压力监测系统开始迅速发展。最初的轮胎压力监测系统是间接式TPMS，它的最大优点是不受压力传感器的限制。随着传感器技术的发展，压力传感器产品已经能够满足TPMS系统的要求，从此以后直接式TPMS开始迅速发展。在国际市场，2000年5月，直接式TPMS在美国上市；许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中。国内汽车制造巨头也已开始考虑将TPMS作为原厂装备的标准配置。在已有的TPMS系统中，有直接式和间接式两种类型。直接式TPMS系统首先需要传感器实时测量每一个轮胎中的压力和温度，然后利用无线通信方式与TPMS主机进行通信，主机可以显示各个轮胎的气压和温度信息，并且在轮胎气压过低、过高、有漏气或轮胎内温度异常时发出声音警报。间接式TPMS系统的依据是：当行驶中的汽车的轮胎气压变化时，车身的重量会使轮胎直径变化，轮速也会发生变化；此时通过汽车ABS(自动防抱死系统)的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，就可以达到监视胎压的目的。和直接式TPMS系统相比较，间接式TPMS系统相对便宜，已经装备了4轮ABS(每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级即可使用间接系统。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，而且无法监测出多个轮胎同时低压或高压的情况，这些缺陷限制了间接式TPMS系统的发展。另一方面，随着传感器技术的发展，压力传感器的成本已经大幅度下降。由此可见，在未来的TPMS系统中，直接式TPMS系统必将占据主导地位3。第2章 TPMS原理及分类2.1 间接式TPMS系统间接式TPMS不需要另外安装传感器。它主要通过建立轮胎压力与车轮转速或轮胎的周向扭转刚度的关系模型来间接求出轮胎压力。目前主流间接式TPMS是借用ABS中的轮速传感器来获得4个轮胎的转速。当某个轮胎的气压下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大。系统通过比较两条对角线上车轮转速的总和(右前和左后轮速的总和与左前和右后轮速的总和)来判断是否出现气压下降。这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统就会发出错误报警。目前主流间接式TPMS存在明显的缺陷，这主要表现在：1)当前间接式的TPMS系统必须比较处于对角线上的两轮速度之和，不能比较前后两车轮的速度。2)当4个轮胎同样胎压不足时或者同一轴上两轮，同一边的两轮同样胎压不足时，系统不能够监测出来，而只能当两轮处于对角线上能监测出来；当速度超过100 kmh的情况时，系统就不能够正常工作了；只有在单个轮胎或对角线上的两个轮胎以及3个轮胎的气压低于其他轮胎气压的30以上，才能监测到低压现象。NHTSA在调查中发现，使用目前间接型TPMS的轮胎，在处于明显低压状态时，只有占调查总数的50发生了报警，而直接型TPMS都能发出报警。22 直接式TPMS系统直接式TPMS利用安装在每一个轮胎里的压力传感器直接测量轮胎内气压，当轮胎欠压或者有渗漏时，系统报警。它由多个发送端和一个接收端两部分组成，如图2 -l所示。发送端安装在轮胎上，由温度传盛器、压力传感器、MCU、无线发射器和电池组成。MCU对采集到的数据进行分析处理，控制射频发射器向接收端发送数据。接收端安装在驾驶室的面板上，由无线接收器、MCU、人机接口以及声光报警装置组成，负责接收、显示轮胎状态信息，在轮胎状态异常时发出警报，并提供系统设置功能。监视器图2-1 直接式TPMS示意图直接式TPMS按照发射端安装位置的不同分为外置式和内置式。外置式TPMS一般安装在轮胎的气门芯上，内置式TPMS的发射端安装在轮胎内部，一般是轮毅上，也有将发射端在生产轮胎时就埋入轮胎胎壁内的。直接式TPMS按原理的不同又可以分为机械式TPMS、基于MEMS工艺传感器芯片的主动式TPMS、基于SAW技术和基于RFID技术的被动式无源TPMS等。在此着重介绍下基于SAW技术的无源TPMS。SAW是由英国物理学家瑞利在1885年发现的，即在弹性晶体表面能发出某种频率的表面声波，也称为瑞利波。科学家们利用SAW研制出各种不同的SAW组件，可产生不同的频率响应。SAW型传感器4是在轮胎的表面嵌入薄石英片，通过压电效应将压力信号转换为相应的响应频率信号，并在询问频率的诱发下，返回相应频率，从而测量行驶种汽车的压力和温度等参数。发射机发射RF信号给SAW。当轮胎内的压力或者温度变化时，SAW发射回来的高频信号也相应变化，天线接收到这些变化了的RF信号后，送入处理器，根据特定的算法就可以知道轮胎内的压力、温度情况。由于SAW是无源器件5，所以无需电池，而且质量较小，可在高温等恶劣环境下工作。目前，基于SAW的产品还在研发阶段。第3章 系统设计要求TPMS系统由采样发射模块和接收主机构成。采样发射模块安装在轮胎内，接收主机安装在车厢内。接收主机通过激励信号实现对传感器的有效激励，信号被传感器的天线接收后，由IDT经逆压电效应转换成SAW信号在基底表面传播，SAW信号被反射器所反射反射信号再经过IDT的压电效应转换成电信号，并通过与IDT相连的天线转换为一系列RF脉冲回波信号。接收主机的解调电路将发射模块发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给微控制单元。微控制单元做出相应的处理，如更新当前压力值，声光报警等，从而实现轮胎的压力显示和监控。由传感器、微控制单元、接收等主要芯片组成TPMS系统。31 系统工作环境轮胎压力监测系统是用于测量轮胎压力、温度。它的发射部分被埋置于轮胎内部，工作在轮胎封闭的环境中6。故而轮胎的压力信息传递必须通过无线通信来解决。工作时轮胎处于高速旋转的状态，因而必须固定牢靠。此外，目前汽车轮胎大部分为无内胎轮胎，发射装置可固定在轮毂上。当发射部分随着轮胎转到背向主机时，由于金属轮毂对信号有屏蔽作用，接收灵敏度将有所下降。3. 2 系统功能要求胎压、温度监测系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力、温度异常及时给予提示，并结合轮胎温度对可能出现的爆胎事故进行预警。本课题研究的系统是被动直接式轮胎压力监测系统。系统在汽车行驶状态下通过激励信号实现对传感器的有效激励，传感器模块实时测量轮胎压力和温度，将测得的状态信息发送到安装在驾驶室内的系统主机，并通过主机的液晶显示器显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解各轮胎的实时状态，出现异常则发出报警信号。此外，在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。为了延长轮胎的使用寿命，定期对轮胎进行换位。轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。因此，所设计的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能7。总结该系统功能具体如下：(1)实时监测个轮胎的压力情况；(2)可设定各轮胎的压力报警上下限；(3)当某个轮胎的压力过高、过低时，显示该轮胎的ID、温度和压力，并发出报警；(4)轮胎保养换位后，各轮胎ID可重设；(5)可手动读取各轮胎当前压力值。33 系统技术要求轮胎压力监测系统的作用主要是防止在汽车高速行驶中轮胎气压过低。发射系统处于轮胎的封闭状态中，系统体积要小；SAW传感器耦合的能量有限，故而要求功耗低。综合起来，该产品的主要技术要求如下：(1)体积小，尤其是发射装置的体积要尽可能的小；(2)功耗低，尤其是发射装置的功耗要尽可能的低；(3)仪器的抗干扰和噪声的效果要好；34 报警阀值设定汽车轮胎压力监测系统应密切监视轮胎内部胎压及温度。当胎压高于或低于标准胎压的20时就非常危险应予报警，同时根据高温对轮胎性能的影响，得出当胎温高于85时应给予报警。本文所设计的汽车轮胎压力监测系统的低压报警阀值为标准胎压的85，高压报警阀值为标准胎压的120，高温报警阀值为850C。第4章 系统设计41 声表面波传感器4.1.1声表面波传感器介绍声表面波器件是一种信号处理器件，包括延迟线、带通滤波器、谐振器等。由于声表面波的传播速度通常只有电磁波传播速度的十万分之一，所以声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小许多，如1km长的微波传输线所得到的延迟，只需传输路径为1cm的声表面波延迟线即可实现。因此，压电基片上叉指换能器的这一功能非常适合电子模拟信号处理，能实现多种模拟信号处理功能。因此，声表面波器件凭借其高精度、高重复性、高稳定性、体积小等优点8，在雷达、通讯、遥测遥控和传感器等领域得到广泛应用。SAW 传感器910是SAW 器件的一个应用分支，它出现在上世纪70 年代，起初，人们发现外界因素如温度、压力、电场、磁场、气体和某些化学物质，对声表面波的传播特性会造成影响，所以研究这些影响与外部因素之间的数学关系。从而出现了各种应用结构，用于测量各种化学、物理的被测参数。随着微电子技术、集成电路技术、计算机技术和材料、微细加工技术的迅速发展，声表面波传感器研究也蓬勃发展起来。按工作模式的不同，SAW 传感器可以分为如下两种11：延迟线型和谐振器型。延迟型主要采用编码脉冲或扫频信号方式激励，而后者多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。对于延迟型传感器，当外界被测量发生变化时，通过传感器的信号时延或相位将发生变化，检测该时延或相变，就能确定被测量大小。谐振型声表面波传感器仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，而固有频率会根据外界被测量变化而发生变化，所以可以利用谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，确定被测量大小。声表面波技术有如下特点12：（1）声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度和波长小十万倍。在VHF 和UHF 频段内，电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。因此，在同一频段上，声表面波器件的尺寸比相应得电磁波器件的尺寸减少了很多，重量也随之大为减轻。（2）由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度极慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时，就容易对信号进行取样和变换。这就给声表面波器件以极大的灵活性，使它能以非常简单的方式去完成其他技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。（3）由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量生产，而且当使用某些单晶材料和复合材料时，声表面波器件具有极高的温度稳定性。（4）声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，可达100dB。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。4.1.2 谐振器型传感器134.1.2.1 谐振器型传感器的结构谐振型声表面波无源传感器结构如图4-1所示，也是由压电基板、叉指换能器(IDT)和左右的反射栅组成。不同的是在该结构中，每一电极的间距是相等的，为L，左、右反射栅与IDT的距离均为d。其中声反射镜构成一个声学谐振腔，而IDT将激励的能量引入和将谐振腔中能量输出。D天线IDT压电基片天线左右反射栅吸收材料图4-1谐振型声表面波传感器结构示意图一个声表面波谐振器的性能很大的程度由反射器的特性来决定。一个高效率的反射器通常由压电电场短路的金属指条或质量负载绝缘指条构成。由于传播方向相反的声表面波中质点的水平和垂直位移相差2，所以不能同时满足两个相反传播波的边界条件，不能采用通常体波的单个分离的高效的反射镜。而必须采用基于反射元阵列的声表面波反射镜，该反射器指条阵列分布不连续，引起许多小的反射，并使这些小的反射相干叠加，形成全发射；或限制所发生反射的带宽，以便去掉与产生声体波有关的频率。目前，有几种反射栅阵列形式，每一带条宽和间隔距离皆为四分之一波长。4.1.2.2 谐振器型传感器的工作原理SAW谐振器用作无源无线传感器的原理是：当谐振器基片表面的压力或周围环境温度发生变化时它的谐振频率发生相应变化，因此谐振频率的变化反映了温度和压力参数的变化，于是通过检测谐振器的谐振频率的变化便可实现对温度、压力参数的检测。当作为敏感元件的谐振器受到无线查询信号的激励时，查询信号的能量经逆压电效应转换为SAW 的振动能量，此时SAW作受迫振动；当激励信号停止后，SAW在受迫振动后残余能量的作用下作自由振动，震动频率因为被测量如温度、压力等的变化而变化，自由振动的SAW 信号再经压电效应转换为电信号并被天线发射出去。本文基于声表面波谐振型无源无线压力温度传感器展开设计。4.2 TPMS主机结构TPMS主机14由发射机和接收机两部分组成。发射机的任务是产生激励信号实现对敏感单元的有效激励；而接收机实现获取传感信息。发射机的构成方案比较简单，其结构框图见下图。发射机的任务是发送查询信号，其主要指标为功率和效率。激励源放大器匹配网络图4-2发射机结构框图接收机的构成常使用二次变频式和一次变频式。一次变频方式由于只需一个本振，因而电路简单，频率稳定度也较高，一次变频式的构成如图4-3 所示。频带选择滤波带通滤波中频放大放大器解调混频带通滤波Wn图 4.3 一次变频结构为了便于系统设计的实现，本系统在接收回路上采用一次变频的构成方式；接收机和发射机通过宽带匹配技术共用一根天线15，减少硬件成本；通过处理器来控制激励源发射查询信号；传感器信号的处理采用硬件频率测量电路和CPU软件编程相结合的实现方式16，用单片机控制技术实现系统控制17。具体系统构成如图4-4所示。匹配网络功放滤波SAW传感器低通滤波处理器报警功放滤波LCD显示激励源混频器开关图4-4 系统构成框图4.3 系统工作原理系统工作过程分为发射周期、接收周期和 CPU数据处理。在发射周期，由可调本征信号源产生高分辨率的控制信号，该控制信号作为高频合成芯片的信号源输入；然后通过高频合成芯片的内部倍频电路得到准确的激励信号，输出的激励信号则通过滤波和放大后经单刀双掷开关和匹配网络进入发射天线；天线辐射出去的电磁波被SAW传感器的谐振器接收后，电磁波的能量经逆压电效应转换为SAW 的振动能量，此时SAW作受迫振动；当激励信号停止后，SAW在受迫振动后残余能量的作用下作自由振动，震动频率因为被测量如温度、压力等的变化而变化，自由振动的SAW信号再经压电效应转换为电信号并被天线发射出去。在接收周期，发射信号与天线的通道由单刀双掷开关断开，转而接通回波信号与接收电路的信号通道。发射周期结束后，在压电基片中的叉指电极不再受到激励信号的激励，则叉指电极和反射栅以本征频率作自由振动，此时压电基片中自由振动的声表面波的波速就是经过温度、压力等调制后的传播速度，所以此时的声表面波携带有温度、压力的信息；该声表面波在传播的过程中经压电效应转换成电信号，该信号通过匹配网络和与叉指换能器相连的天线辐射出去。该信号被接收电路的天线接收后，经过放大后进行混频，实现下变频，再通过带通滤波，进入频率测量电路对该信号的频率进行测量。测量后的结果传递给处理器，再进行后续的数据处理。系统通过处理器控制单个通道的测量时间和各个通道的激励信号的频率输出，利用以上的工作模式可以测得各个传感器的回波信号的频率。4.4 主要器件的选择4.4.1处理器TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器18。它们具有16位RISC(精简指令集)结构，有强大的处理能力，低电压、超低功耗等优点。在此选用MSP430F435，该芯片具有16KB的程序Flash，512B的数据RAM；8通道12位ADC;48个IO口;128160段LCD；16位WDT；8bit基本定时器；16位Timer_A(3个比较/捕获寄存器)；16位Timer_B(3个比较/捕获寄存器)；1个USART接口；比较器A；温度传感器；有100引脚PZ封装。4.4.2激励源本系统采用直接数字式频率合成器（DDS）+锁相环(PLL)的方式作为可调本征信号源。AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号。以AD9854为核心，与双通道频率输出的频率合成芯片SI4133G19相结合可构成可调信号源。4.5 系统电路原理图设计基于声表面波压力温度传感器设计的电路框图如下所示。MSP430F435处理器键盘LCD低通滤波AD9854数字合成器SI4133G射频合成器ADL5330差分放大器T1ADL5353混频器AD8362检波器ADL5330差分放大器T2射频开关匹配网络报警LM1117电压调节器12v汽车电源接收主机SAW传感器图4-5 系统构成电路原理框图具体的电路见附图。本系统通MSP430F435处理器控制整个系统的运行。系统初始化之后，MSP430F435处理器通过控制字使AD9854输出高精度的本征信号，该本征信号作为高频信号合成芯片SI4133G的参考频率输入；SI4133G 芯片内部的倍频电路根据频率合成控制字合成射频信号输出，该射频信号再经过放大器以后，经由射频开关的通道进入天线并辐射出去。经过一定时间的激励信号输出后，MSP430F435处理器在控制射频开关进行通道转换的同时，控制AD9854 和SI4133G 输出一路与射频信号相差约30MHz的射频信号。该经过放大器后进入混频器，在混频器里与等幅放大后的回波信号进行下变频，得到大约30MHz的低频信号。该低频信号经过低通滤波后进入频率测量电路进行频率测量。测量结果输入CPU，处理后的结果通过LCD 进行显示，告知驾驶员。如果其中的一些参数要进行调节，可以通过键盘直接输入。4.6硬件系统中关键部分的设计4.6.1激励信号的实现由于所需检测信号的频率为未知量，对谐振器的激励要在谐振器的响应频带内实现对谐振器的激励，而只有当激励频率和谐振器的谐振频率相等时，传感输出的能量最强，而传感距离又与信号能量的强弱有关，能量越强传感距离越远。因此，在相同的激励信号输出功率时，为了获得最大的检测距离，采用对谐振器进行谐振激励的工作方式，而谐振器的谐振频率随着被测参数的变化而改变，因此，需要激励信号可调，在此称之为可调激励信号源。为了精简系统，根据DDS直接数字合成原理20本文采用高性能直接数字频率合成（DDS）芯片AD9854为核心，与双通道频率输出的频率合成芯片SI4133G相结合构成可调信号源。AD9854主要由时钟乘法器、频率累加器、相位累加器、正弦转换表、逆sinc 滤波器、数字幅度调制乘法器、编程寄存器、频率和相位控制字乘法器与调频控制逻辑、DAC 变换、I/O 口缓冲器、比较器等组成。其主要特点包括：1）高达300MHz 的内部时钟频率（内含倍频次数为420 以内整数的可编程时钟倍频器，使得外部可只提供一个低频参考时钟）；2）内含12位DAC双通道输出；3）双48位可编程频率寄存器（一路频率控制字，一路步进频率控制字，频率分辨率可达微赫兹）；4）双14位可编程相位寄存器；5）双12位可编程幅度控制寄存器和键控可编程幅度渐变开关功能。AD9854结构框图：4X20XREFCLK高速DDS内核反SINC函数滤波12bitDAC频率/相位寄存器数据输入寄存器48bit控制字比较器IQ模拟输入时钟输出参考时钟主复位频率刷新/寄存器复位控制字/时钟输入串行输入并行输入图4-6 AD9854 结构图SI4133G射频频率合成器主要由参考频率放大器、除法器、相位检测、带通滤波器、压控振荡器和控制字寄存器等组成。通过适当的控制字和参考晶振信号源，由这两个芯片可以产生所需要的任何频率的高精度激励信号源。图4-7激励信号源4.6.2开关设计由于在一定的激励条件下，谐振器的传感输出能量会随着传感距离的变化而发生变化，而在大多情况下回波信号为一瞬态弱信号，且激励信号极易对回波信号形成干扰，因此，为更好地获取回波信号，减少激励信号对回波信号的干扰，将激励信号和回波信号在时间上分开。为实现收发信号在时间上的分开，可采用一个可控单刀双掷开关实现。可控单刀双掷开关的采用，可满足系统共用一根天线时必须进行有效的转换和隔离的要求。对开关要求其损耗要小，隔离度要高；而对高频信号进行开关控制时，其关键问题在于在关断状态下其对高频信号的隔离性能的高低。系统采用一个以PIN管为重要元件的单刀双掷开关，其原理图如图4-8所示，由A1和A2两个偏置电压选择高频信号的传输路径。当A1为高电平A2为低电平时，D1、D3导通D2、D4截止，P3和P1形成通路；当A2为高电平A1为低电平时，D2、D4导通D1、D3截止，P3和P2形成通路，P3作为公共端。图4-8 射频开关原理图4.6.3回波信号频率采集在应用声表面波SAW谐振器作为传感单元的无源、无线压力温度传感器中，声表面波信号是一个以谐振频率振荡的衰减信号21。它是一个瞬态弱信号，持续时间短信噪比随信号的衰减在不断的下降。SAW谐振器的谐振频率随外界压力温度的改变而改变，对压力温度分辨率的要求就体现为对频率分辨率的要求。根据电子计数器间接测频原理，以采样时钟为基准对信号均匀采样，用软件的方法实现频率测量。在一定时间间隔内计数器对周期信号的重复变化次数进行计数。被测信号通过滤波整形电路后变成方波信号，处理器通过触发脉冲控制定时器的定时时间，计数器在这个时间段内对该脉冲计数。若定时时间为T,计数器测得的次数为N，则f的表达式为f=N/T4.6.4 数据融合处理本文中有压力和温度两个检测参数，需要进行数据融合处理。虽然传感器数据融合的应用研究己相当广泛，但传感器数据融合问题至今未形成基本的理论框架和有效的广义融合模型和算法。数据融合常用的算法有如下几种22：(1)加权平均法(2)卡尔曼滤波算法(3)贝叶斯估计(4)D-S(Dempster-Shafter)证据理论(5)模糊逻辑(6)神经网络此外，其它数据融合方法还有品质因数、专家系统、模板方法、聚分析、统计决策理论等等。通常使用的方法依具体的应用而定，并且由于各种方法之间的互补性，使用时经常将两种或两种以上方法组合进行数据融合。4.6.5 天线与匹配网络4.6.51天线天线是决定轮胎压力温度检测系统性能的关键之一，由于系统工作于无源无线状态，为实现有效的检测，需要天线有足够的接收和发射能力，即要求天线的效率较高。本文采用法向模螺旋天线23。天线设计所涉及的技术太过复杂，在此不作深究。4.6.52匹配网络系统中传感器与天线匹配非常重要。如果二者失配，造成的能量损耗非常大，直接影响到系统有效测量距离和测量精度。天线与传感器作为一个电路系统，性能不仅取决于天线和传感器本身特性，还与二者之间的有效耦合、匹配情况有关。在实际应用中最常采用的就是集总参数匹配网络，它主要是由电抗元件构成各种无源网络，具有体积小、设计灵活，使用方便的特点。本文采用集总参数匹配网络，实现宽带匹配。其电路构成如图5.8所示。其中，T1为传感器的等效电路模块，T2 为天线的等效电路模块，它们的阻抗特性可以通过网络测试仪来获取真实值。图4-9 集总参数匹配网络构成4.6.6 LCD显示4.6.6.1 MSP430F435与LCD的连接MSP430F435的COMO，COM1，COM2和COM3分别与LCD的COM1，COM2，COM3和COM4相连，段码引脚SOS39分别与LCD的S0一S39引脚相连。4.6.7.2 MSP430F435的LCD驱动MSP430F435的液晶模块的寄存器有LCDCTL和LCDMx，LCDMx为液晶的显示缓存器，从LCDMI-LCDMl6，总共可以驱动128个段码。LCDCTL控制寄存器该寄存器定义了对液晶的各种操作。它为字节结构，位于字节地址空间，须使用字节指令访问。01234567LCDONLCDLOWERLCDSONLCDMX0LCDMX1LCDP0LCDP1LCDP2表1 LCDCTLLCDPO，LCDP1，LCDP2用于输出段或端口信息的组合，LCDMX0 ，LCDMX1为选择显示模式，LCDSON为显示开和关，0为关，反之为开。LCDLOWR为模拟电压发生器的选择位。LCDON为LCD定时器的开关，0为关，1为开。MSP430F435液晶控制部分包括液晶控制寄存器、液晶显示缓存器、段输出控制、公共端输高控制、液晶模拟电压多路器及时钟发生器等。段输出和公共端输出将按照显示缓存器的内容送出相应信号到液晶玻璃片；模拟电压多路器将产生适合的驱动波形；控制寄存嚣定义对液晶的各种操作。4.7 MSP430模数转换MSP430单片机ADC12是一个12位精度的A/D转换模块，具有高速，通用等特点24。ADCl2使用起来相当灵活方便，对它的操作使用相关的控制寄存器实现。该模块的寄存器很多，详见下表：寄存器寄存器缩写寄存器含义转换控制寄存器ADC12CTL0转换控制寄存器0ADC12CTL1转换控制寄存器1中断控制寄存器ADC12IFG中断标志寄存器ADC12IE中断使能寄存器ADC12IV中断向量寄存器存储及其控制寄存器ADC12MCTL0- ADC12MCT15存储控制寄存器0-15ADC12MEM0- ADC12MCT15存储寄存器0-15表2 ADCl2寄存器ADCl2提供4种转换模式，以方便设计者使用：单通道单次转换、序列通单次转换、单通道多次转换、序列通道多次转换。以单通道多次