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1、逢甲大學逢甲大學自動控制工程學系碩士班自動控制工程學系碩士班碩 士碩 士 論 文論 文改良型胎壓偵測系統之設計改良型胎壓偵測系統之設計The Modified Tire Pressure MonitoringSystem Design指導教授指導教授：洪三山洪三山研 究 生研 究 生：黃煜程黃煜程中 華 民 國 九 十 五 年 六 月 二 十中 華 民 國 九 十 五 年 六 月 二 十 日日改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)i誌謝誌謝從高中畢業後進入逢甲大學自動控系求學至今已有七年的時光，這段歲月裡讓我在專業課程的學習以及為人處世的歷練上均受益良多，尤其是在研究
2、所這段求學期間所磨練出分析與解決問題的能力，以及同儕之間的彼此互相請益與一起學習的方式，是在逢甲大學自動控系所求學期間所獲得的寶貴經驗。而本論文及研究得以順利完成，首先要感謝指導教授 洪三山博士在論文撰寫期間以及長達兩年的研究時間裡給予我鼓勵與認真教導，尤其在論文完成之前，認真指導該論文的寫作，並強化其內涵而獲得正確的研究態度與方法，同時並感謝自控系所主任張興政博士以及勤益科技大學電機系主任 白能勝博士在論文口試期間所惠賜卓見，使本論文得以更加完善。另外感謝在校期間承蒙系上四位助教的幫助與勉勵，尤其是碧玲助教於國科會計畫裡，提供了眾多儀器設備採購問題上的協助，而節省我在此處理程序的時間而得以專
3、心研究。更要感謝眾多學長、同學以及學弟：光強、正豐、振達、奇明與宗利於研究與學習上的鼎力相助，還有要感謝女友給予我的鼓勵與支持，讓我能全心投入本論文之相關研究。更要感謝我的父母辛苦地在農田耕作，以供給我在求學期間生活所需，並給予我親情與關懷，使我能在無後顧之憂下，全心全力完成我的研究論文與學業。謝謝大家，我會永遠銘記在心。最後僅以本文獻給所有愛我、關心我以及幫助過我的人。改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)ii中文摘要中文摘要本研究將無線通訊技術與自動量測技術作一整合，設計出具RF傳輸方式之無線傳輸胎壓監測系統(Tire Pressure Monitoring Sy
4、stem-TPMS)，並提出改善TPMS之穩定性與精確性之方式，以及如何增加系統功能於解決生產問題。例如於量產時如何讓系統自動設定識別碼與警告值，以及減少TPMS生產製造時所產生的問題。最後提出雙向TPMS之設計，此系統包括四個無線感測器、四個低頻觸發器與中央接收器，此系統利用感測器之因壓力變化造成電容值的改變與溫度變化造成電阻值的改變特性，來量測輪胎內壓力及溫度，並透過無線傳輸的方式將量測值傳送至中央接收模組，經由微處理器處理後，並顯示輪胎溫度及壓力值在顯示板上。因為本系統的無線感測器之電源來自於電池，所以無線感測器之電能管理成為本系統之技術關鍵，在本研究裡將在四個輪胎外部分別加裝四個低頻觸
5、發器作為控制無線感測器電能消耗的機制。關鍵字:無線傳輸，胎壓監測系統改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)iiiABSTRACTIn this research,we will integrate the wireless communication technique andautomatic measuring technique to design and construct the wireless tire pressuremonitoring system TPMS.Advancing the ways of improving the stability
6、 and accuracyof wireless transmission TPMS and enhancing the function of TPMS to solve theproblem on manufacturing.For example,automatically setting the identification codesof transmitters and warning value.We can also use these ways to decrease theseproblems on manufacturing TPMS.In final,this rese
7、arch provides the design ofbi-directional TPMS.This system consists of four wireless sensors,four low frequencytriggers and one central receiver.Tire pressure and temperature in tires are measured byt h e s e n s o r s c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v a r i a t i o n o f c a p a c i t a n c
8、 e f o r v a r y i n g p r e s s u r e o n o t h e r hand resistance for varying temperature.By using the wireless transmission sends them e a s u r i n g s i g n a l t o t h e c e n t r a l r e c e i v e r.I t s p r o c e s s e d b y m i c r o-controller and displayon an instrument panel.The power
9、of wireless sensor is provide by battery,so thepower management of wireless sensor is an important technology of TPMS.In thisresearch,we will install low frequency triggers external tires to control the powerconsumption of the wireless sensors.Keywords:wireless transmitting,tire pressure monitoring
10、system TPMS改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)iv目錄目錄誌謝誌謝.i中文摘要中文摘要.iiAbstract.iii目錄目錄.iv圖目錄圖目錄.vi表目錄表目錄.x第一章第一章 緒論緒論.11.1 研究背景與動機.11.2 研究目的及其重要性.41.3 國內外相關研究.5第二章第二章 研究理論分析研究理論分析.162.1 無線通訊原理.162.1.1 資料編碼技術.162.1.2 類比調變與解調變技術.172.1.3 數位調變與解調變技術.212.1.4 超外差接收器.232.1.5 史密斯圓圖與天線阻抗匹配之設計.252.2 系統運作模式設計.282.
11、3 無線傳輸晶片設定.322.4 無線傳輸及資料格式設定.35第三章第三章 系統軟硬體之架構設計系統軟硬體之架構設計.383.1 發射端之硬體架構及發射端之軟體控制流程.383.2 接收端之硬體架構及接收端之軟體控制流程.423.3系統Flash 記憶功能與監控電壓機制之設計.43改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)v3.4雙向TPMS系統之軟硬體設計.45第四章第四章 系統性能結果分析系統性能結果分析.504.1 發射與接收頻率之測試.504.2 壓力與溫度量測.534.3 系統天線之阻抗匹配設計.554.4 改善後發射端電池壽命之估計.57第五章第五章 結論與未
12、來展望結論與未來展望.625.1 結論.625.2 未來研究方向.62參考文獻參考文獻.64附錄附錄 AMotorola MCU MCHC908RF2 Data sheet.68附錄附錄BMotorola MCU MCHC908JL8 Data sheet.69附錄附錄 CMotorola Sensor MPXY8020 Data sheet.70附錄附錄 DMo t o r o l a R e c e i v e r MC 3 3 5 9 4 D a t a s h e e t.71附錄附錄 EGE NPX Series Data sheet.72附錄附錄FInfineon SP12 Dat
13、a sheet.73改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)vi圖目錄圖目錄圖 1.1胎壓不足對輪胎使用壽命之關係圖.2圖 1.2胎壓不足情況示意圖.2圖 1.3胎壓過高情況示意圖.2圖 1.4本實驗所開發胎壓監控系統原型機種之示意圖.6圖 1.5Tire Unit 和 Control Unit 構成元件方塊圖.6圖 1.6Tire Unit 之組成元件方塊圖.7圖 1.7Tire Unit 之裝置於輪胎實體圖.7圖 1.8離心開關外觀與結構示意圖.8圖 1.9離心開關動作示意圖.8圖 1.10利用霍爾元件監測車速系統架構圖.9圖 1.11ABS 速度偵測方式圖.10圖
14、 1.12以 ABS 為架構之胎壓量測系統圖.10圖 1.13轉速與前進速度關係圖.10圖 1.14電容變化趨勢圖.12圖 1.15置於輪胎內之感測系統架構圖.13圖 1.16以 SAW 元件組成之 TPMS 系統架構圖.13圖 1.17SAW 元件通訊傳輸與量測應用方式圖.14圖 1.18用 SAW 量測胎壓方式圖.14圖 2.1曼徹斯特編碼格式圖.17圖 2.2原信號m(t)與振幅調變訊號u(t)之時域對照圖.18圖 2.3原信號m(t)與振幅調變訊號u(t)經傅利葉轉換後於頻域對照圖.19圖 2.4原信號 m(t)與 SDB-AM 訊號)(tuSSB於域對照圖頻域對照圖.19圖 2.5S
15、SB-AM 解調變架構圖.20圖 2.6)(ty與)(tuSSB經傅利葉轉換後於頻域之對照圖.21改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)vii圖 2.7ASK 調變訊號波形圖.22圖 2.8FSK調變訊號波形圖.23圖 2.9超外差接收器之基本架構圖.24圖 2.10MC33594之內部超外差式接收電路方塊圖.24圖 2.11匹配網路之等效電路圖.25圖 2.12Smith Chart之示意圖.27圖 2.13Smith Chart阻抗圓圖.27圖 2.14Smith Chart導納圓圖.27圖 2.15串並聯物件其阻抗於Smith Chart裡行走方向圖.28圖 2
16、.16MPXY8020A 外部封裝示意圖.29圖 2.17MPXY8020A 內部構造圖.29圖 2.18Sensor IC 壓力與 A/D 輸出值之特性曲線圖.30圖 2.19Sensor IC 溫度與 A/D 輸出值之特性曲線圖.30圖 2.20MPXY8020A進入測定壓力模式示意圖31圖 2.21MPXY8020A進入測定溫度模式示意圖32圖 2.22RF 晶片腳位圖.33圖 2.23低頻-125 kHz 接收電路圖.36圖 2.24考畢茲晶體振盪器電路圖.37圖 2.25考畢茲振盪器之等效電路圖.37圖 3.1本實驗第二代 TPMS 之 RF 感測端之方塊電路圖39圖 3.2RC 振
17、盪源會產生嚴重跳動漂移現象圖39圖 3.3第二代TPMS之功率頻譜圖.39圖 3.4日韓法規制訂之功率頻譜圖.39圖 3.5改良型 TPMS 之 RF 感測端電路方塊圖40圖 3.6換胎模式時傳輸鮑率 1200bps.40改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)viii圖 3.7監測模式時傳輸鮑率圖 9600bps40圖 3.8資料格式圖.41圖 3.9壓差達到psi3時快速作業之流程圖.42圖 3.10改良型TPMS之接收端方塊電路圖.43圖 3.11MC68HC908JL8 之 Flash 燒錄流程圖44圖 3.12MC68HC908JL8 之監控電壓之邏輯電路.4
18、5圖 3.13單向無線傳輸TPMS架構圖.46圖 3.14雙向無線傳輸TPMS架構圖.46圖 3.15雙向TPMS無線感測器方塊圖電路圖.46圖 3.16雙向TPMS接收端方塊電路圖.47圖 3.17雙向無線傳輸胎壓監測系統動作流程圖.48圖 3.18雙向 TPMS 之 ID Code 設定動作流程圖.49圖 4.1第二代TPMS 315 MHz之頻譜.51圖 4.2第二代TPMS 434 MHz之頻譜.51圖 4.3改良型 TPMS 之 434 MHz 之頻譜.52圖 4.4改良型 TPMS 之 447 MHz 之頻譜.52圖 4.5Lutron PS-9302 精密壓力錶.53圖 4.6壓
19、力測試設備圖.53圖 4.7熱風烤箱圖用於TPMS之溫度檢測.53圖 4.8發射器之網路匹配示意圖.55圖 4.9L型匹配網型式圖55圖 4.10先並聯再串聯匹配圖.56圖 4.11先串聯再並聯匹配圖.56圖 4.12並聯電容再串聯電感匹配方式圖.56圖 4.13並聯電感再串聯電容匹配方式圖.56改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)ix圖 4.14串聯電容再並聯電感匹配方式圖.57圖 4.15串聯電感再並聯電容匹配方式圖.57圖 4.16第二代TPMS發射端電能消耗流圖.58圖 4.17雙向TPMS發射感測端之工作流程圖.60圖 5.1Roadmap of Deve
20、lopment TPMS.63改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)x表目錄表目錄表 1.1胎壓不足對行車燃油消耗之影響關係表.2表 1.2美國 NHTSA 公佈的最後法規進度表.4表 1.3ABS 系統分析胎壓狀況表.11表 1.4直接量測與間接量測TPMS系統優缺點比較表.15表 2.1MPXY8020A的四種工作模式表31表 2.2頻率選擇表.33表 2.3M68HC08RF2 無線發射器設定範例表.34表 2.4發射與接收模組傳輸資料內容.35表 2.5125 kHz 電路之 L1與 C1之相對應匹配值.36表 4.1改良型TPMS所測得壓力數值與精密壓力表比
21、較.54表 4.2改良型TPMS所測得溫度數值與熱風烤箱設定溫度之較.54表 4.3第二代TPMS發射端之工作模式及電能消耗.59表 4.4雙向TPMS發射端之工作模式及電能消耗.61改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)1第一章第一章 緒論緒論1.1 研究背景與動機研究背景與動機隨著汽車工業技術的進步，人們開始對於汽車的舒適度、操控性能、燃油消耗及安全性的追求逐漸攀升。從現有汽車的配備可以看出近幾年汽車電子的進步，舉凡如：車用電子多媒體播放系統、CCD 後視鏡倒車警示器、車外後視鏡轉向指示燈、GPS 衛星導航系統、安全氣囊、ABS 防鎖死煞車系統、雷達碰撞預防系統、
22、汽車引擎歧管壓力感測器1、感應式自動頭燈控制系統、行車電腦系統、汽車藍芽行動通訊系統、Keyless 感應門鎖以及晶片鑰匙、遙控門鎖以及胎壓檢測系統等，均是近年來汽車電子的發展產品。其中胎壓檢測系統(TirePressure Monitoring System-TPMS)，正是近年廣受業界矚目之產品，此系統的發展著實為行車的安全性更添加了一份保障。胎壓正常與否與行車的安全性、燃油的消耗速度、行車舒適性和輪胎使用壽命關係極為密切，胎壓的異常將容易導致輪胎爆胎的機率升高，相對地交通事故的發生機率也隨之而增加。因此若能維持胎壓正常時且被監控，則駕駛者於行駛中能有效防止爆胎事故以及提高行車舒適感和節省
23、燃油消耗與延長輪胎使用壽命，根據固特異(Goodyear)公司的數據2，胎壓在未充飽狀態下其壓力每下降達到 3 psi 將使燃料消耗則增加 510%如表 1.1 所示，且輪胎使用壽命也隨著急速下降如圖 1.1 所示。除此之外，當胎壓不足時，如圖 1.2 所示，其輪胎與地面的接觸面積會大於胎壓正常狀態下地面的接觸面積，則造成嚴重的影響3如輪胎與地面摩擦面積增加，而使得汽車於行駛狀態下其胎內溫度以異常快方式快速上升，造成輪胎側變嚴重與橡膠變質軟化改變物理特性而造成車胎爆胎。而車輛在行駛狀態會造成輪胎與地面間的摩擦力增加，而造成引擎負荷較重而導致燃油的消耗增加。且胎面中間部分也會產生凹陷現象，而降低
24、輪胎的排水性。導致在雨天氣候下高速行駛時容易打滑，長久下來輪胎側面會形成胎紋較淺的不平均磨損改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)2狀態表 1.1胎壓不足對行車燃油消耗之影響關係表4 4標準房車胎壓：3034 psi壓力不足 3psi壓力不足 6psi壓力不足 9psi增加燃油消耗5%10%10%20%20%30%減少輪胎使用壽命10%30%45%圖 1.1胎壓不足對輪胎使用壽命之關係圖(一般房車正常胎壓為 32 psi)4圖 1.2胎壓不足情況示意圖圖 1.3胎壓過高情況示意圖當胎壓過高如圖 1.3 所示，胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸面積而減少，而降低輪
25、胎之抓地力導致行駛狀態下容易造成煞車失控。同時因與地面接觸面積減少而導致與地面接觸面積所承受壓力變大而增加輪胎磨耗而降低改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)3輪胎使用壽命，此時雖然引擎負荷雖然較輕可減低油耗，卻因胎內壓力過高而有爆胎的危險，長時間下來將導致胎面中間形成不平均磨損狀態，且因胎面與地面接觸面積變窄則會降低車子穩定性與舒適性，較嚴重時則會損壞汽車懸吊系統。另外汽車在行進間輪胎內部溫度與行車安全關係極為密切，因此不可忽略輪胎溫度對行車安全的影響。由於輪胎內部因氣體分子的互相碰撞運動56，將導致輪胎內的溫度升高，根據根據理想氣體方程式（Ideal Gas La
26、w）方程式如下式（1.1）所示：nRTPV(1.1)CVnRTP(1.2)其中：P 為容器壓力(atm)，n 為氣體莫耳數(mole)，R 為氣體常數，T 為絕對溫度(K)，V 為輪胎內部體積。根據(1.1)式當輪胎內部溫度 T 有所變化時，其內部壓力-P 也會相對應有所變化，就實際情況而言輪胎內部體積 V 變化有限，因此可忽略其內部體積變化，而視 V 為定值，而氣體莫耳數 n 與氣體常數 R 也同為定值，經整理後得(1.2)式 P 與 T 成等比關係，而得到TP為定值常數 C。所以輪胎內部溫度上升時，其胎壓也會隨溫度上升而增加，因此若胎溫上升過高則造成胎壓過高的情況。另外經美國政府的相關研究
27、調查發現，駕駛者常於行車前忽略檢查胎壓正常與否，而引起爆胎之交通事故。經美國交通相關政府單位於 2002 年以前統計報告如下，每年因胎壓異常而導致交通事故中有至少八十人死亡，約千人受傷。該調查報告指出：行駛於道路上的房車有將近四分之一的車輛的胎壓不足，而輕型卡車更是高達三分之一的車輛的胎壓不足。從這些數據可說明，這些類型交通事故若能在車輛行駛前，若能監測出胎壓異常，而加以改善其胎壓後再行駛於道路上，則可避免此類型交通事故的發生。因此美國於克林頓總統任內，經國會修法通過且簽署了有關加強運輸設備收回、責任確定和文件記錄(Transportation Recall改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-
28、Thesys(94 學年度)4Accountability and Documentation，簡稱 TREAD)法案7。根據美國 NationalHighway Traffic SafetyAdministration NHTSA 公佈的最後法規，2002 年 11 月之後，凡銷入美國本地之新出廠輕型車輛須逐步加裝 TPMS，來提高汽車的安全，此項提議按四階段逐步完成，第一階段從 2002 年 11 月開始，新出廠銷入美國市場之車輛總數的 10%之車輛須安裝 TPMS，第二階段從 2003 年 11 月開始，35%的車輛須遵守執行安裝 TPMS，第三階段 2004 年 11 月提高到 65%
29、，2006 年以後將涵蓋到所有銷入美國市場之所有車輛均須安裝 TPMS。因此預估在 2008 年TPMS 系統市場就可達到 6,400 萬套之龐大市場規模。由於法案的強制規範，使得世界各大車廠及車用零組件業者積極投入 TPMS 相關技術的開發。表 1.2美國 NHTSA 公佈的最後法規進度表 7第一階段第二階段第三階段第四階段2002 年 11 月2003 年 11 月2003 年 11 月2004 年 11 月2004 年 11 月2005 年 11 月2006 年以後10%35%65%100%1.2 研究目的及其重要性研究目的及其重要性由於汽車輪胎之壓力與溫度若異常容易導致煞車失控、損害車
30、的懸掛系統、輪胎爆胎而釀成交通事故的發生。因此本論文之主要研究目的開發設計改良型TPMS，在本研究將針對 TPMS 增加新型功能讓使用者能對此產品駕輕就熟，讓汽車輪胎之壓力與溫度能維持正常，提高行車的安全與舒適性以及節省燃油的消耗。並進一步改善現有無線傳輸胎壓監測系統之軟硬體架構，且提高穩系統定性與性能指標和減少 TPMS 生產作業時所產生的繁雜與疏失問題。研究中將提出雙向 TPMS 系統設計架構，來達到可讓駕駛者隨時任意地監測汽車的任一顆輪改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)5胎之壓力及溫度值，並針對無線感測器進行電源管理，而節省電池電能消耗達到環保效應，而延長
31、TPMS 系統的使用壽命。且設計自動定位輪胎位置之功能，以解決單向無線傳輸胎壓監測系統於車輛進行調胎與換胎保養時因無法自動更換輪胎 ID Code 所而造成操作程序過於繁雜等問題。1.3 TPMS 國內外相關研究國內外相關研究目前2006年全球所發表配備TPMS的車種包括：Audi、Benz、BMW、Lexus、Infiniti、VW和Mi t s u b i s h i 等車廠所生產之些許新型車種，國內目前中華汽車所生產的Grunder車種有配備TPMS。在生產製造業方面國內Orange-橙的電子股份有限公司已有些許開發成果，學術放方面逢甲大學-洪三山教授在TPMS領域紮根研究多年。而在國外
32、有德國廠商Beru8、Infieon9、日本廠商有PacificIndustries、加拿大廠商有Smart Tire 10、美國廠商有GE、Cycloid、JohnsonControls、Microchip11、Freescale、和荷蘭廠商有Philips12等世界IC電子生產設計公司，都已逐步地進行各自的TPMS的研製與改善。故發展TPMS系統將是提昇台灣產業帶來提昇競爭力與切入車用電子技術發展的時機。而本實驗室自2004年起已陸續著手於胎壓偵測系統與TPMS測試系統之相關研究，至今 2006 年 5 月已先後完成兩代 TPMS 系統與改良型 TPMS 系統之開發與其測試平台系統。第一代
33、系統可稱為本實驗室之胎壓監控系統 TPMS 原型機13如圖 1.4，其以 8 位元之 8051 系列微控制器作作為本系統的控制單元與輪胎單元之運作核心，而無線通訊傳輸方面則以 IC 式之無線發射器及接收器作為資料傳輸工具其載波頻率為315MHz，並以並以振幅(Amplitude-Shift Keying-ASK)和頻率鍵移(Frequency-Shift Keying-FSK)調變方式為主。至於感測器則選擇用Freescale 所生產的 MPXY8020A 之數位式壓力及溫度感測 IC 為主，其感測器可同時量測溫度值與壓力值，量測壓力範圍可達 0637.5kPa，溫度則為-40125。改良型胎
34、壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)6以下就針對此原型機作一說明。圖 1.4 中的 Controller Unit 為系統之控制單元，Tire11Tire5圖 1.4本實驗所開發胎壓監控系統原型機種之示意圖為輪胎控制單元；其中 Tire5 安裝於汽車的備胎中。Tire Unit 為裝置於輪胎中的感測模組，如圖 1.5 所示其模組包含了壓力與溫度感測器、控制器、編碼器及無線傳輸器，Controller Unit 為接收及顯示胎壓及胎溫模組，其中包含了接收器、解碼器、控制器及 LCD 的顯示裝置。TPMS 透過人機介面可設定週邊模組操作模式，如停車時 Controller Un
35、it 省電模式、公英制單位切換模式、警告值設定模圖 1.5Tire Unit 和 Control Unit 構成元件方塊圖式等等，並於 LCD 顯示器上完成作相關系統設定顯示。LCD 顯示器可明確顯示每一輪胎的胎壓、胎溫值，使駕駛人明確掌握車胎資訊。由於第一代胎壓監控系統原型機種之無線感測端具有須改善空間，其電能消耗過大且 Tire Unit 重量過改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)7重等因素，導致無法實際安裝置入輪胎內使用，所以本實驗室於 2004 下半年開始著手開發第二代 TPMS 系統14，也就是先前所提到的單向無線傳輸胎壓監測系統，本系統採用 Freesc
36、ale 所製造 IC 組成15，而在 Tire Unit 則改為由MPXY8020A 與 MC68HC908RF2 等元件組成如圖 1.6，同時針對此系統本實驗室採用韌體撰寫方式來產生 FSK、ASK 和曼徹斯特編碼來取代原型機所採用的Encoder IC，如此一來解決了第一代原型機之 Tire Unit 體積與重量縮小如圖 1.7因而解決過重與電池壽命等問題。圖 1.6Tire Unit 之組成元件方塊圖11圖 1.7Tire Unit 之裝置於輪胎實體圖11本研究中的原型機種 TPMS 與第二代 TPMS，其無線傳輸為單一方向(資料傳輸方向由 Tire Unit 到 Controller
37、Unit，因此稱為單向 TPMS 系統)。然而單向無線傳輸胎壓監測系統仍存在其極需改善之處，如系統穩定度與精確性均需改改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)8善，還有現有 TPMS 系統無法讓駕駛者隨時得知汽車輪胎之壓力與溫度值，和當汽車進入保養場若進行調胎或換胎保養時，單向無線傳輸胎壓監測系統則面臨更換 ID 不易的難題。以及當車輛停駛後無線發射感測器仍進行監測工作，因而導致電源浪費而縮短系統生命等嚴重問題產生均有待改善設計。因此本研究之目的在於利用現有單向無線傳輸胎壓監測系統之研究成果做為架構，進一步開發出功能性較佳之TPMS系統，設計具有一控制無線感測器電能消耗
38、之機制，讓TPMS系統無須藉助於安裝離心開關如圖 1.8 和 1.9 所示與加速感測器來監測車輛是否屬於行駛，因為品質良好的離心開關其成本不低，若然省略離心開關其則可降低成本。另外本研究將加入系統自動更換 ID Code 之功能，如此一來將可改善車輛進行調胎與換胎的困擾。圖 1.8離心開關外觀與結構示意圖圖 1.9離心開關動作示意圖目前在製作胎壓檢測系統中，其偵測輪胎之方式大約可分成直接量測與間接量測兩種方式，兩種測量方法各有其優缺點。直接量測提供較直接、較穩定的訊改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)9號且低壓的警告速度較快，但需要增加較多的硬體，例如；無線傳輸器、
39、壓力感測器及微控制器等等16。Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的。直接量測的方式主要是採用置於輪胎內的感測器、微控制器及無線傳輸器所構成的感測模組，其感測器所量測的資訊就是輪胎內的壓力值，由於整個感測模組是置於輪胎內，所以則需以無線傳輸的方式，將感測模組所擷取到的資訊傳遞至中央接收模組，若採用此方法，則必須考慮整個感測模組整體消耗電流的大小。目前另有些許企業與學術研究機構正從事研發之表面聲波元件（SAW）應用於 TPMS 中17，而達到無電池(Batteryless)之效果。而間接量測則利用輪胎上之 ABS 的速度感測器來達到間接量測的目的，因此不需要增加較
40、多的硬體裝置即可獲得輪胎壓力之資訊18。在間接量測系統，主要是利用目前既有的 ABS 系統上有一速度感測器，如圖 1.10 所示。當霍爾電路通電後，磁體每經過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈衝，算出轉數、轉速、圖 1.10利用霍爾元件監測車速系統架構圖18角度、角速度等物理量的檢測。圖 1.11 即為 ABS 量測速度方式之圖而圖 1.12 為ABS 胎壓量測系統之架構圖，其原理主要是將某一輪胎設為參考值，利用微控制器將各輪胎回授之訊號，進行計數動作，以取一段時間為原則，當輸出頻率越高則表示該輪胎之角速度也相對越高，如式(1.3)所示，為輪胎前進之速度，r為地面與輪胎圓心之距離，為輪胎之角速度，
41、如圖 1.13 所示，系統判別演算改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)10在於，利用量測得之 LF 為左左前輪之輪胎轉速，RR 為右後輪之輪胎轉速，RF 為(a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)光學遮斷式圖 1.11ABS 速度偵測方式圖圖 1.12以 ABS 為架構之胎壓量測系統圖圖 1.13轉速與前進速度關係圖r(1.3)CSpeedAveragsLRRFRRLF)()(1.4)改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)11右前輪之輪胎轉速，LR 為左左後輪之輪胎轉速，Average Speed 為車輛行駛車速率，進行(1.4)式之演算後得到
42、C 為比較數據。再依據表 1.3 為例判別出每一輪胎之胎壓狀況。由於各輪胎之前進速度都相同，但輪胎半徑會因各輪胎之胎壓而有所不同，而造成角速度上的差異，此系統即利用 ABS 上之速度感測器所回授回來之訊號，透過微控制器的處理，推算出各輪胎之角速度差異，當胎壓越小時，其所得到之角速度也就越大，並以其中一個輪胎當參考值，進而比較出其胎壓之差異性。但由於間接系統必須由一個正常胎壓之輪胎先作為參考值，再進行比較表 1.3ABS 系統分析胎壓狀況表狀態判斷值=rpm/mph結果單輪胎不足05.065860)(860-863)(860警告雙輪胎不足(同側)00.065860)(863-863)(860不警
43、告雙輪胎不足(同軸)00.065860)(863-860)(863不警告雙輪胎不足(對角線)09.065863)(863-860)(860or09.065860)(860-863)(863警告三輪胎不足05.065860)(863-863)(863警告四輪胎不足00.065863)(863-863)(863不警告的工作，但若被設為參考的輪胎也處於胎壓異常的狀況時，所誤判斷的情形也就會發生如表 1.3 所示之雙輪胎不足(同側)、雙輪胎不足(同軸)與四輪胎不足狀態下，系統均因誤判而不警告駕駛者，因此我們需要直接量測系統來提高 TPMS之準確性。改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94
44、 學年度)12在直接量測 TPMS 系統研究方面，英國利物浦大學電子工程系 J.D.Cullen也提出利用埋於輪胎內的電容板當作判斷胎壓大小的感測器 19，如圖 1.14 所示，其系統有兩片電容板，粗實線是置於輪軸上的電容板，虛線則是會隨輪胎轉動的電容板，另外在座標軸上，y 軸所代表置於輪胎上的電容板所輸出的電容值，而 x 軸則是輪胎的旋轉角度，如果當兩片電容板完全相對時，也就是在圖中輪胎旋轉至 90 時，則所輸出的電容值也就最大，另外在同樣的角度也會因胎壓的不同而造成輸出電容值的差異。圖 1.15 是埋於輪胎內的感測系統結構，其中的電容性檢出系統(Capacitive Pickup Syst
45、em)就是埋於輪胎內的電容板，而圖中的壓力感測器也是同樣埋於輪胎內，其主要功能是當胎壓若低於一定程度時，壓力感測器會因胎壓不足，而形成短路，這樣的結果會使的電容性檢出系統開始產生作用，此系統就是將電容性檢出系統開始產生作用時，所輸出的電容值送至555 震盪器 IC，經由 555 震盪器 IC 使電容值的差異轉變成頻率的差異，使不同的胎壓有不同的頻率產生，因此藉由頻率值，進而間接判斷胎壓的大小。090180270360anglecapacitancediagram keyvehicle axlestatic diskrotating disk圖 1.14電容變化趨勢圖19改良型胎壓偵測系統之設計
46、逢甲大學e-Thesys(94 學年度)13capactivepickupsystempressuresensorparasiticcapacitanceinternal sensorresistanceground return圖 1.15置於輪胎內之感測系統架構圖19還利用有表面聲波-(Surface acoustic wave-SAW)元件組成 TPMS 系統如圖 1.16所示，其主要目的在於利用 SAW 元件之能量來源於 RF 電磁場所提供，無須藉由外加電池電源供給其無線感測系統而達到無電池式（battery-less）之功能20。由於此系統無電池功率消耗問題所以，系統可達到連續量測之
47、功能。SAW圖 1.16以 SAW 元件組成之 TPMS 系統架構圖無線通訊量測應用如圖 1.17 所示發射於 Wave 1 於 SAW 元件所組成之感測電路，則當 SAW 接收 Wave 1 訊號時會將其訊號換能轉換處理再以 Wave 2 反射出去。因此可從 Wave 1 與 Wave 2 之間的變化加以分析出感測器之量測值。如圖1.18 所示無線電波經由天線接收後，再透過與天線連接之交叉指狀轉換器-(Interdigital Transducer IDT)將其訊號換能轉換再傳送至 SAW 晶片。在 SAW改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)14晶片裡放置反射器，
48、其中反射器則與匹配網路與電容式壓力感測器連接。此壓力感測器之內部電容會隨其環境壓之變化，而產生相對應變化而造成反射波 Wave2 與原入射波 Wave 1 相較之下，而產生頻率偏移現象。因此只要分析演算出原入射波 Wave 1 與反射波 Wave 2 之間的變化既能推導出壓力的變化。至於溫度感測方式則利用 SAW 因環境溫度之變化而造成其無線傳導速度不同之特性加以分析既可量出測溫度。雖然此系統具備 battery-less 之功能但其組成感測模組過重且需更改輪胎結構，另外此系統存在較大誤差，故就現今 SAW 元件技術仍有極大改善空間。圖 1.17SAW 元件通訊傳輸與量測應用方式圖圖 1.18
49、用 SAW 量測胎壓方式圖改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)15在直接量測系統方面，關於這方面的相關文獻非常多2126，此類型系具備共同特性，就是利用電容式、SAW 或電阻式之壓力感測器與微控制器及無線傳輸器所組成的，其量測準確度間接式較高。而間接式優點在於低成本與無電池消耗之問題，其缺點在於量測精確度與速度限制如表 1.4 所示。而直接之缺點較間接式成本高與電池消耗之問題，而主要優點在於準確量測與不受車速限制。表 1.4直接量測與間接量測 TPMS 系統優缺點比較表27PerformanceDirectIndirectDetect Multiple Low Ti
50、resYESNOAffected by accelerationNOYESAffected by loose surfacesNOYESSpeed range0 to vehicle max20 to 110 km/hrIncremental costHigherLowerVulnerable to tire mount processYesNOPower source at each wheelYesNO改良型胎壓偵測系統之設計逢甲大學e-Thesys(94 學年度)16第二章第二章 研究理論分析研究理論分析本章節所要介紹的是關於本研究中所使用之主要元件，有具備發射極高頻信號功能之微控制器(