影响轮胎正常工作特性的因素主要有：

a)轮胎温度过高。由于环境气温过高，以及轮胎在高速旋转时与地面的摩擦，都有可能导致轮胎温度过高，从而使橡胶老化，缩短了轮胎的使用寿命。

b)轮胎内部气压过大或欠压。当汽车负载过高或者温度过高而引起胎内气体膨胀时，都会导致轮胎内部气压过大而发生爆胎现象。

c)轮胎漏气导致欠压，也会增大轮胎和地面的摩擦，不仅耗油，还会缩短轮胎的使用寿命。

轮胎的机械性能主要是通过轮胎内部的温度和压力反映出来，因此，TPMS只要能够实时地检测到轮胎内部的温度和压力情况，就可以分析出轮胎的运行状况。

由于TPMS发射系统处于轮胎的封闭状态中，因此，系统的主要技术要求如下：

a)考虑到安装并采用纽扣电池供电等问题，采样发射端应体积小、功耗低。

b)系统能识别本各采样发射端发来的温度、压力测量值。

c)系统能滤除别的汽车发来的任何数据。

d)接收端能对各采样发射端发来的温度、压力测量值实时显示，并能进行越限报警。

2 TPMS原理与硬件设计

2.1 TPMS的系统结构

TPMS由采样发射模块和接收模块构成。采样发射模块安装在轮胎内，接收模块安装在车厢内。采样发射模块对压力传感器检测的气压和温度信号进行采样，由MCU(微控制单元)进行数据分析处理后送给射频发射电路，信号经调制后发射给接收模块。接收模块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MCU。MCU作出相应的处理，如更新当前压力值、声光报警等，从而实现轮胎压力的显示和监控。由传感器、MCU、发射、接收等主要芯片组成的TPMS结构框图如图1所示。系统总体布局如图2所示。

2.2系统功能与总体设计

TPMS采样发射模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下。因此，要求所有的器件有很高的可靠性和稳定性，能适应宽的温度范围和剧烈的震动。为了缩小TPMS采样发射模块的体积、节省功耗和增强功能，需要选用功耗低，功能强的芯片。

为了延长TPMS采样发射模块电池的使用寿命，使其能工作3～5年，系统节电是一个十分重要的课题。只有在大多数时间系统进入睡眠状态，才能省电与延长电池寿命。

系统的主要功能如下：

a)实时监测各轮胎的温度、压力情况。

b)当某个轮胎的压力过高、过低时报警。

c)轮胎保养换位时，各轮胎采样发射模块的位置编号可重新设定。

d)可显示各轮胎当前压力值、温度值。

安装采样发射模块时，将5个模块逐个开启工作，进行注册。接收端接收到采样发射模块发来的未注册的ID(识别码)编码后实施注册，并由人工设置相应的轮胎编号。接收端的MCU将ID与轮胎编码存储在E2PROM中，供正常工作时使用。

若轮胎中模块失效后，可以将要变更的采样发射模块ID从主机接收模块中删除后重新注册。轮胎保养换位后可以在主机接收模块中重新设置轮胎编码。

由于各采样发射模块ID的非重复性，可以有效地避免同一车辆的5个轮胎采样发射模块之间或不同车辆采样发射模块之间的互相干扰。

汽车行驶时，接收模块中振动传感器检测到汽车振动信号，TPMS被激活。主机通过收发芯片发送命令将采样发射模块从休眠中唤醒。采样发射模块将轮胎内部的温度与压力值经打包后发送出来。接收模块将接收到的数据包中的ID与存储在主机E2PROM中的ID及轮胎编码进行比对，以确定是哪个轮胎的数据，并进行存储与显示。当轮胎的压力过高或过低时，进行报警。汽车停止时，振动传感器检测不到振动信号，TPMS便进入休眠状态。汽车停止时，若想知道轮胎内部的温度与压力值，驾驶员可通过按键激活TPMS，读取轮胎当前压力、温度值。

2.3无线采样发射模块设计

由SP12、ATmega48(以下简称AT48)和CC1100构成采样发射模块。SP12是一种压力传感器。测量范围100 kPa～4 500 kPa，内部具有A／D和SPI(串行外设接口)，可以方便地在TPMS中应用。SP12为14引脚贴片封装，不需要其他的外部器件。

AT48是ATMEL公司生产的基于AVR增强型RISC(精简指令集计算机)结构的极低功耗8位CMOSMCU。正常模式为：1 MHz，1.8 V／300μA；32 kHz，1.8 V／20μA(包括振荡器)；掉电模式为：1.8 V／0.5μA。

CC1100是一种低成本的基于Chipcon′Smart RF(射频)技术的单片可编程UHF收发芯片，为低功耗无线应用而设计。其工作频段灵活，可以设定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工业、科学和医疗)和SRD频段。功耗低(接收电流小于16 mA，发射电流小于30 mA，休眠时电流小于10 μA，且支持ZigBee无线网络技术。CC1100的主要工作参数能通过SPI接口编程改变，这样使CC1100使用起来更灵活。

采样发射模块电路设计如图3所示。传感器SP12将采集到的数据发送给AT48，AT48将数据通过SPI口送给CC1100，再由CC1100转换成数据帧发送给主机接收模块。

模块发射频率由发射芯片CC1100的晶振及外部元件决定，本系统选择发射频率433 MHz，这时引脚8和引脚10接26 MHz晶振。C2为(3.9±0.25)pF，C3为(3.9±0.25)pF，C4为(8.2±0.5)pF，C5为(5.6±0.5)pF，C6为220pF±5％，C7为220pF±5％，L2为27nH±5％，L3为27nH±5％，L4为22nH±5％，L5为27nH±5％。电阻R2用来设置一个精确的偏置电流。C3、C2、L2和L3形成一个平衡转换器，用以将CC1100上的微分RF端口转换成单端RF信号。CC1100支持振幅、频率和移相调制格式，可以通过寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT进行配置。

通过设置CC1100寄存器WORCTRL将其配置为WOR(电磁波激活)方式，并设置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE。当采样发射模块接收到有效数据包后，CC1100被激活并进入发射模式同时唤醒AT48。

2.4无线接收模块设计

接收电路由无线收发芯片CC1100和AT48组成，如图4所示。

CC1100和AT48通过SPI口进行数据传输。在接收状态时，由SCLK作为同步时钟，CC1100收到有效的数据信息，将数字信号送给AT48的SPI口。AT48将接收到数据进行译码，从数据流中提取各轮胎的温度和压力值，然后作出相应的处理，如更新当前温度和压力值、声光报警等。在接收之前，AT48通过对SPI数据寄存器SPDR写相关数据，对CC1100进行初始化和配置相应寄存器，然后等待接收数据。3软件设计

3.1系统拓扑结构

接收模块和采样模块采用主从方式，接收模块可看做是主设备，轮胎内部的采样模块是从设备。为实现采样发射模块与接收模块之间可靠的无线通信，两者之间必须以一定的协议进行。 ZigBee网络中包括协调器、FFD(全功能器件)和RFD(简化功能器件)，并支持星形网络、树状网络和网状网络3种网络拓扑结构。考虑到普通小轿车有4个轮胎和1个备用轮胎，每个轮胎内的采样发射模块作为ZigBee网络的1个子节点，子节点之间不进行数据的传输，只与车厢内的接收模块进行通信，因而选用星形拓扑结构。RFD子节点通过ZigBee无线网络将数据以帧的形式传送给接收端，再由接收端主机对数据进行分析、处理后显示出来。图5是ZigBee网络的数据帧格式。

3.2软件设计

采样发射模块与接收模块(主机)间的通信模式如图6所示。

采样发射模块向接收模块发送的数据帧格式如图7所示。

3.2.1采样发射模块程序流程

采样发射模块的主程序流程如图8所示。

当CC1100检测到唤醒命令时被激活，并唤醒MCU。MCU配置CC1100进入发射模式。MCU采集传感器检测到轮胎内的数据进行处理后，由CC1100发往主机。发送成功后，CC1100和MCU则重新进入休眠状态。寄存器配置如表1所示。

3.2.2接收模块程序流程

接收模块的程序流程如图9所示。

接通电源后，AT48先进行初始化，再对CC1100进行配置。当MCU检测到振动信号时，给采样发射模块发送激活命令。发送命令成功后，立刻进入接收模式，若CC1100接收状态准备好，则可以接收数据。若接收到的数据是有效的，则将接收到的ID与存储在单片机E2PROM中的ID码进行比较，如果与其中的某个ID相匹配则数据就被处理并保存。当检测到温度、压力值偏离正常值则进行报警，提醒驾驶员注意。驾驶员也可通过显示器察看当前检测到的轮胎内部的温度和压力值。

具体实现程序段如下：

4结束语

本文提出的基于ZigBee无线网络技术和无线收发芯片CC1100的TPMS，充分利用无线收发芯片CC1100、AT48和传感器SP12的特性，采用低功耗、低复杂度的ZigBee网络技术作为通信协议，在电磁波激活模式下，发送数据包成功后CC1100可以进入深度休眠状态，大大降低了模块功耗。每个轮胎都设置了固定的ID码以避免外界的干扰，驾驶员可以在驾驶室手动读取任何一个轮胎的温度、压力值，实时监测轮胎状况，预防轮胎故障。该系统的实现为防止汽车爆胎提供了一个有效的途径。