逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

無線胎壓監測系統 Wireless Tire Pressure Monitoring System

指導教授洪三山

學 生陳昶孝 王達勻 吳彥綸

中華民國九十三年一月十二日

逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

無線胎壓監測系統 Wireless Tire Pressure Monitoring System

學生陳昶孝 王達勻 吳彥倫

經專題口試合格特此證明

評 審 委 員 指 導 教 授

系 主 任

考試日期中華民國九十三年一月十二日

逢甲大學自動控制工程學系

九十二學年度第一學期畢業專題評分表

專 題 題 目 無線胎壓監測系統

學 生 姓 名 陳昶孝王達勻吳禮晟

1 論 點

內容(30)2 創 見

3 深 度

分

1 結 構

文字(20)2 修 辭

3 圖 表

分

1 理路分析

口試(50)2 表達能力

3 綜合識見

分

總 分 分

改 進 意 見

評審教授

逢 甲 大 學

自 動 控 制 工 程 學 系 專 題 論 文 無 線 胎 壓 監 測 系 統

陳 昶 孝 吳 禮 晟 撰

王 達 勻

感謝

在自控系四年內的日子感謝所有師長在課業與生活上所給予的指導特別

是恩師洪三山教授他讓學生有充分空間與資源可以專心地從事研究不時提供

最適切的指導與協助引領我們步入正確的學習軌道老師總是設身處地為學生

著想關心鼓勵學生讓學生有自由無障礙的學習空間盡情揮灑研究期間

更感謝導師張興政教授於實驗器材的借用致使專題順利進行生活上的關心

與照顧更讓學生倍感溫暖在此謝謝各位老師學生才能順利完成這份論文

對於教授師恩永銘於心

本論文獻給我最深愛的父母與小妹小弟感謝你們給了我最大的精神支

持使我在無後顧之憂的環境裡認真研究全力衝刺未來我也將帶著所有人的

關心繼續在每個環境裡接受挑戰勇往直前並充分表現

i

中文摘要

在本文中將提出使用直接式量測胎壓的方式去完成無線胎壓量測系統此

系統包括四組壓力溫度感測器微控制器無線傳送模組編碼器及一個接收

器解碼器利用感測器擷取輪胎內溫度及壓力的資料透過無線傳輸的方式

傳送至中央接收模組經由處理後並顯示輪胎溫度及壓力值在儀表板上因本

系統的電源必須使用電池所以我們必須尋找低功率的元件才能更便利地使用

本系統此外因傳送資料使用無線傳輸的方式所以在每個輪胎所傳送的資料

都必須有一獨特的編碼方式本文亦有詳細的說明

ii

Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

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自動控制工程研究所 1998

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2000-8572 2000

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Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

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[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

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[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

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全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

無線胎壓監測系統 Wireless Tire Pressure Monitoring System

學生陳昶孝 王達勻 吳彥倫

經專題口試合格特此證明

評 審 委 員 指 導 教 授

系 主 任

考試日期中華民國九十三年一月十二日

逢甲大學自動控制工程學系

九十二學年度第一學期畢業專題評分表

專 題 題 目 無線胎壓監測系統

學 生 姓 名 陳昶孝王達勻吳禮晟

1 論 點

內容(30)2 創 見

3 深 度

分

1 結 構

文字(20)2 修 辭

3 圖 表

分

1 理路分析

口試(50)2 表達能力

3 綜合識見

分

總 分 分

改 進 意 見

評審教授

逢 甲 大 學

自 動 控 制 工 程 學 系 專 題 論 文 無 線 胎 壓 監 測 系 統

陳 昶 孝 吳 禮 晟 撰

王 達 勻

感謝

在自控系四年內的日子感謝所有師長在課業與生活上所給予的指導特別

是恩師洪三山教授他讓學生有充分空間與資源可以專心地從事研究不時提供

最適切的指導與協助引領我們步入正確的學習軌道老師總是設身處地為學生

著想關心鼓勵學生讓學生有自由無障礙的學習空間盡情揮灑研究期間

更感謝導師張興政教授於實驗器材的借用致使專題順利進行生活上的關心

與照顧更讓學生倍感溫暖在此謝謝各位老師學生才能順利完成這份論文

對於教授師恩永銘於心

本論文獻給我最深愛的父母與小妹小弟感謝你們給了我最大的精神支

持使我在無後顧之憂的環境裡認真研究全力衝刺未來我也將帶著所有人的

關心繼續在每個環境裡接受挑戰勇往直前並充分表現

i

中文摘要

在本文中將提出使用直接式量測胎壓的方式去完成無線胎壓量測系統此

系統包括四組壓力溫度感測器微控制器無線傳送模組編碼器及一個接收

器解碼器利用感測器擷取輪胎內溫度及壓力的資料透過無線傳輸的方式

傳送至中央接收模組經由處理後並顯示輪胎溫度及壓力值在儀表板上因本

系統的電源必須使用電池所以我們必須尋找低功率的元件才能更便利地使用

本系統此外因傳送資料使用無線傳輸的方式所以在每個輪胎所傳送的資料

都必須有一獨特的編碼方式本文亦有詳細的說明

ii

Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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逢甲大學自動控制工程學系

九十二學年度第一學期畢業專題評分表

專 題 題 目 無線胎壓監測系統

學 生 姓 名 陳昶孝王達勻吳禮晟

1 論 點

內容(30)2 創 見

3 深 度

分

1 結 構

文字(20)2 修 辭

3 圖 表

分

1 理路分析

口試(50)2 表達能力

3 綜合識見

分

總 分 分

改 進 意 見

評審教授

逢 甲 大 學

自 動 控 制 工 程 學 系 專 題 論 文 無 線 胎 壓 監 測 系 統

陳 昶 孝 吳 禮 晟 撰

王 達 勻

感謝

在自控系四年內的日子感謝所有師長在課業與生活上所給予的指導特別

是恩師洪三山教授他讓學生有充分空間與資源可以專心地從事研究不時提供

最適切的指導與協助引領我們步入正確的學習軌道老師總是設身處地為學生

著想關心鼓勵學生讓學生有自由無障礙的學習空間盡情揮灑研究期間

更感謝導師張興政教授於實驗器材的借用致使專題順利進行生活上的關心

與照顧更讓學生倍感溫暖在此謝謝各位老師學生才能順利完成這份論文

對於教授師恩永銘於心

本論文獻給我最深愛的父母與小妹小弟感謝你們給了我最大的精神支

持使我在無後顧之憂的環境裡認真研究全力衝刺未來我也將帶著所有人的

關心繼續在每個環境裡接受挑戰勇往直前並充分表現

i

中文摘要

在本文中將提出使用直接式量測胎壓的方式去完成無線胎壓量測系統此

系統包括四組壓力溫度感測器微控制器無線傳送模組編碼器及一個接收

器解碼器利用感測器擷取輪胎內溫度及壓力的資料透過無線傳輸的方式

傳送至中央接收模組經由處理後並顯示輪胎溫度及壓力值在儀表板上因本

系統的電源必須使用電池所以我們必須尋找低功率的元件才能更便利地使用

本系統此外因傳送資料使用無線傳輸的方式所以在每個輪胎所傳送的資料

都必須有一獨特的編碼方式本文亦有詳細的說明

ii

Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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逢 甲 大 學

自 動 控 制 工 程 學 系 專 題 論 文 無 線 胎 壓 監 測 系 統

陳 昶 孝 吳 禮 晟 撰

王 達 勻

感謝

在自控系四年內的日子感謝所有師長在課業與生活上所給予的指導特別

是恩師洪三山教授他讓學生有充分空間與資源可以專心地從事研究不時提供

最適切的指導與協助引領我們步入正確的學習軌道老師總是設身處地為學生

著想關心鼓勵學生讓學生有自由無障礙的學習空間盡情揮灑研究期間

更感謝導師張興政教授於實驗器材的借用致使專題順利進行生活上的關心

與照顧更讓學生倍感溫暖在此謝謝各位老師學生才能順利完成這份論文

對於教授師恩永銘於心

本論文獻給我最深愛的父母與小妹小弟感謝你們給了我最大的精神支

持使我在無後顧之憂的環境裡認真研究全力衝刺未來我也將帶著所有人的

關心繼續在每個環境裡接受挑戰勇往直前並充分表現

i

中文摘要

在本文中將提出使用直接式量測胎壓的方式去完成無線胎壓量測系統此

系統包括四組壓力溫度感測器微控制器無線傳送模組編碼器及一個接收

器解碼器利用感測器擷取輪胎內溫度及壓力的資料透過無線傳輸的方式

傳送至中央接收模組經由處理後並顯示輪胎溫度及壓力值在儀表板上因本

系統的電源必須使用電池所以我們必須尋找低功率的元件才能更便利地使用

本系統此外因傳送資料使用無線傳輸的方式所以在每個輪胎所傳送的資料

都必須有一獨特的編碼方式本文亦有詳細的說明

ii

Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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工程學系碩士班 2002

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自動控制工程研究所 1998

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測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

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2001

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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感謝

在自控系四年內的日子感謝所有師長在課業與生活上所給予的指導特別

是恩師洪三山教授他讓學生有充分空間與資源可以專心地從事研究不時提供

最適切的指導與協助引領我們步入正確的學習軌道老師總是設身處地為學生

著想關心鼓勵學生讓學生有自由無障礙的學習空間盡情揮灑研究期間

更感謝導師張興政教授於實驗器材的借用致使專題順利進行生活上的關心

與照顧更讓學生倍感溫暖在此謝謝各位老師學生才能順利完成這份論文

對於教授師恩永銘於心

本論文獻給我最深愛的父母與小妹小弟感謝你們給了我最大的精神支

持使我在無後顧之憂的環境裡認真研究全力衝刺未來我也將帶著所有人的

關心繼續在每個環境裡接受挑戰勇往直前並充分表現

i

中文摘要

在本文中將提出使用直接式量測胎壓的方式去完成無線胎壓量測系統此

系統包括四組壓力溫度感測器微控制器無線傳送模組編碼器及一個接收

器解碼器利用感測器擷取輪胎內溫度及壓力的資料透過無線傳輸的方式

傳送至中央接收模組經由處理後並顯示輪胎溫度及壓力值在儀表板上因本

系統的電源必須使用電池所以我們必須尋找低功率的元件才能更便利地使用

本系統此外因傳送資料使用無線傳輸的方式所以在每個輪胎所傳送的資料

都必須有一獨特的編碼方式本文亦有詳細的說明

ii

Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

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下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

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Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

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圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

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P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

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6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

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221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

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bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

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波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

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bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

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以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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中文摘要

在本文中將提出使用直接式量測胎壓的方式去完成無線胎壓量測系統此

系統包括四組壓力溫度感測器微控制器無線傳送模組編碼器及一個接收

器解碼器利用感測器擷取輪胎內溫度及壓力的資料透過無線傳輸的方式

傳送至中央接收模組經由處理後並顯示輪胎溫度及壓力值在儀表板上因本

系統的電源必須使用電池所以我們必須尋找低功率的元件才能更便利地使用

本系統此外因傳送資料使用無線傳輸的方式所以在每個輪胎所傳送的資料

都必須有一獨特的編碼方式本文亦有詳細的說明

ii

Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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Abstract

In this research direct measurement is the method for wireless tire pressure

monitoring system it consists of four mounted sensors microcontroller transmitters

encoders and a receiver decoder The sensors measure tire pressure and temperature

Transmitter sends that data to the center receiver which transfers the information to

the receiver for processing and display Otherwise to get tire pressure and

temperature by wireless communication is the only method Battery is transmitter

module power we have to search low power dissipative device Since the coding is

worth considerate each transmitter has a unique ID code that prevents vehicle crosstalk

iii

目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

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bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

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2001

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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目錄

感謝i

中文摘要 ii

Abstract iii

目錄iv

圖目錄 vii

表目錄 ix

第一章 緒論 1

11 研究計畫背景112 研究計畫目的3 13 國內外有關本計畫之研究情況414 研究方法與構想5 13 重要參考文獻之評述6

第二章 理論探討 9

21 各式氣壓感測器介紹9 22 數位調變解調技術之理論12

221 振幅鍵送(ASK)14 222 頻移鍵送(FSK)17 223 相移鍵送(PSK)19

23 表面聲波之探討21 24 低電壓低功耗設計理論22

第三章 WTPMS系統設計 25

31 微控制器(Micro-controller)之設計 25 32 壓力溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor)之設計29

321 待機模式31 322 測定壓力模式33 323 測定溫度模式33 334 輸出數據讀取模式34

33 編解碼IC(Encoder and Decode IC)之設計38 331 HT-600編碼IC 39 332 HT-604L解碼IC43

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver)之設計 48 35 LCD儀表顯示49

iv

36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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36 電源(Battery)之探討 50 361 電池的選擇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50362 軟體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51 363 硬體省電helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52 362 WTPMS發射機電池壽命helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

第四章 系統軟硬體設計流程 57

41 發射機流程圖57 42 中央接收機流程圖62 43 發射機硬體線路圖65 44 中央接收機硬體線路圖helliphellip68

第五章 結論與未來展望 70

51 結論與討論70 52 未來研究71

參考文獻 73

v

圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

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2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

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表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

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13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

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下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

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Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

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圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

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圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

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第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

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可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

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P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

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6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

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調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

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221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

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( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

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bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

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222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

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波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

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bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

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bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

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23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

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以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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圖目錄

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

圖 13 裝設於Benz車系輪胎上之WTPMShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

圖 14 WTPMS之控制單元及輪胎單元helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

圖 15 WTPMS控制中心單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 16 WTPMS輪胎單元系統架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

圖 17 WTPMS系統頂視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 18 RSM模組方塊圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

圖 14 Motorola TPMS晶片組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖 21 電容式壓力感測器示意圖10

圖 22 波頓管外型及剖面圖10

圖 23 電感式壓力感測器示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖 24 應變規式壓力感測器12

圖 25 半導體壓力感測器示意圖12

圖 26 理想的ASK信號波形 14

圖 27 ASK調變之方塊圖 15

圖 28 利用匹配濾波器檢測ASK波形信號 16

圖 29 利用相關接收器檢測ASK波形信號 16

圖 210 理想的FSK信號波形17

圖 211 FSK信號調變方塊圖 18

圖 212 利用匹配濾波器的非同調FSK接收系統19

圖 213 利用相關接收器的同調FSK接收系統19

圖 214 理想的PSK信號波20

圖 215 BPSK信號解調方塊圖 20

圖 216 表面聲波元件示意圖 22

圖 31 WTPMS發射機 25

圖 32 WTPMS接收機 25

vi

圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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圖 33 W78LE58各式封裝外型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖 34 W78LE58內部方塊圖 28

圖 35 MPXY8020A外部封裝29

圖 36 MPXY8020A內部構造圖30

圖 37 MPXY8020A進入待機模式下32

圖 38 3秒一次的喚醒脈波 32

圖 39 52分鐘一次的重置脈波 33

圖 310 MPXY8020A進入測定壓力模式33

圖 311 MPXY8020A進入測定溫度模式 34

圖 312 MPXY8020A進入輸出數據讀取模式34

圖 313 利用SPI載入資料 35

圖 314 OUT引腳判斷彼此之間的大小36

圖 315 DAC大於等於取樣電壓OUT為LOW 36

圖 316 DAC小於取樣電壓OUT為HIGH 36

圖 317 HT-600外部接腳圖 39

圖 318 HT-600內部方塊圖 39

圖 319 TE為編碼致能程序圖 41

圖 320 一完整字串的內容與時間 41

圖 321 HT-600工作流程圖 42

圖 322 HT600一Bit由 12個震盪器頻率所組成43

圖 323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係 43

圖 324 HT-604L外部接腳圖44

圖 325 HT-604L內部構造圖44

圖 326 HT-604L之VT解碼致能程序圖 45

圖 327 HT-604L工作流程圖46

圖 328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係47

圖 329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器) 48

圖 330 LCD顯示左前輪胎壓胎溫值 49

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖49

vii

圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖 332 較易於辨識警示圖 49

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係 53

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係 53

圖 41 發射機主程式 57

圖 42 發射機外部中斷 0服務程式 58

圖 43 壓力量測流程圖 59

圖 44 溫度量測流程圖 59

圖 45 成功近似法流程圖 60

圖 46 輪胎編碼流程圖 61

圖 47 中央接收機主程式 62

圖 48 接收機對各輪胎辨識 63

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換 64

圖 410 發射機硬體線路圖 65

圖 411 左前輪發射機實圖66

圖 412 右前輪發射機實圖 66

圖 413 左後輪發射機實圖 67

圖 414 右後輪發射機實圖 67

圖 415 中央接收機硬體線路圖 68

圖 416 中央接收機實圖 69

圖 417 WTPMS系統全圖 69

viii

表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

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第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

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無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

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參考文獻

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表目錄

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）2

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）3

表 21 氣壓單位的互換 9

表 31 MPXY8020A的腳位31

表 32 MPXY8020A四種工作模式31

表 33 HT-600接腳說明圖 40

表 34 HT-604L接腳說明圖45

表 35 微控制器三種模式的電流消耗 51

ix

第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

- 1 -

2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

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下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

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圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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第一章 緒論

11 研究計畫背景

在追求生活的便利以及舒適下汽車已經成為不可或缺的角色從早期代步的

目的到舒適性能省油的需求再從品味配備豪華到目前更加注重的安全及智

慧功能智慧型的汽車舉凡如倒車警示器安全氣囊防鎖死煞車系統汽車引

擎歧管壓力感測器hellip等[1]而近年來一項名為rdquo無線胎壓感測器rdquo的系統已漸漸發

展由於汽車胎壓的不足將導致意外事故的發生因此當汽車輪胎壓力若能維持

正常時行駛中較為安全舒適也因為輪胎與地面適當地接觸而能節省燃油的消耗

汽車輪胎安全及危險胎壓值如表 1112 所示

胎壓不足時如圖 11胎面會增加與地面接觸面積而使磨擦力更大對引擎負

荷較重而增加油耗而且方向盤也較重手胎面中間部分也會稍微凹起這時輪胎

的排水性較低雨天高速行駛容易打滑長久下來胎面兩邊會形成胎紋較淺的不平

均磨損狀態而輪胎滾動時胎壁也因大幅撓曲變形使內部溫度易升高高速行駛

更有爆胎的危機

胎壓過高時如圖 12胎面中間部分則會凸出而無法與地面完全接觸這時輪

胎的排水性同樣較低對引擎負荷雖然較輕卻因壓力過高而有爆胎的危險長久下

來胎面中間同樣會形成胎紋較淺的不平均磨損狀態而且因胎面變窄降低車子穩定

性乘坐舒適性也因輪胎變硬使避震效果差而大打折扣

所以胎壓不正確都會形成不平均磨損的現象而使輪胎壽命減短正確的胎壓會

使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸此時輪胎的排水性及抓地力最佳引擎動

力得以完全發揮所以最省油

圖 11 輪胎胎壓不足狀態圖 圖 12 輪胎胎壓過高狀態圖

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2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

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圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

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調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

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221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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2000 年八月九日 BridgestoneFirestone 美國廠召回更換了六百五十萬只輪胎

包括 ATXATX II和 Wilderness AT 三種型號因為不斷有事故報告指出

BridgestoneFirestone 的輪胎行駛中發生爆胎胎紋裂開導致汽車失控發生車禍

根據美國國家高速公路交通安全局(National Highway Traffic Safety Administration

簡稱為 NHTSA)2001 年二月份最新發表的數字和 BridgestoneFirestone 的輪胎爆

胎相關的抱怨累計超過六千件相關連的車禍事故中造成 174 人死亡700 人以上

受傷

美國政府做了一項調查發現駕駛人都不重視輪胎胎壓問題因而經常引起車

禍發生每年至少八十人死亡好幾千人受傷調查報告指出道路上車輛有四分

之一輪胎胎壓不足而輕型卡車更是達三分之一大量數據表明對輪胎正確充氣

會大大降低爆胎的可能性正是由於這樣一個事實美國前 總統克林頓當年簽署了

有關加強運輸設備收回責任確定和文件記錄(Transportation Recall Accountability

and Documentation簡稱 TREAD)法案因此根據美國 NHTSA 公佈的最後法規

2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設

無線胎壓感測器（Wireless Tire Pressure Monitoring System簡稱 WTPMS）來提高

汽車的安全[4]

全球現有發表配備WTPMS的車種包括福特雷諾標緻而賓士列為選配

國內只有裕隆CERFIRO有選配且為進口產品目前可提供產品系統解決方案除汽

車廠本身外美國有Smart Tire公司[5]歐洲在英國有公司提出關鍵性零件供應商

目前有Motorola提出完整解決方案因此除了車廠極少數大廠還在推廣階段發

展此一系統--WTPMS將是提昇台灣競爭力的好時機

表 11 汽車輪胎安全空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 21 31 5

交叉胎 21 21 31 4 21 31 4

- 2 -

表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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表 12 汽車輪胎危險空氣壓（kgfcm2）

輪胎 轎車用 輕型貨車 小型貨車

輪胎數 4 4 6 8 4 6 8

輻射胎 3 4 6

交叉胎 3 3 4 5 3 4 5

12 研究計畫目的

胎壓不足會使輪胎內的空氣溫度快速上升造成爆胎等事故在長途駕駛及炎熱

高溫的夏天問題更是嚴重在美國的調查人員於加油站訪問了一萬一千名駕駛人

結果發現只有百分之二十五的人知道要定期檢查胎壓

本研究計劃之目的在於成功發展出一套完整的無線胎壓感測系統此系統包

含了壓力感測器溫度感測器短距離無線電發射接收模組微控制器及相關週

邊輸出入及電源管理等介面模組上述之無線發射接收模組微控制器以及週邊相

關介面系統將可自行研發而感測器部分現有之市面成品已有相當成熟之技術及表

現

目前國外一套 WTPMS 之價格約在 USD$200~$300 之間故將於研發成功後

以低於國外廠商之價格並將所研發之技術提供給汽車製造業輪胎業煉油廠

石化廠聯勤兵工廠等希望結合國內電子等產業增進駕駛人之行車安全同時提

昇國內汽車產業的高附加價值最後更期許提高國際競爭力為目的下圖 13 為裝

設於 Benz 車系上之 WTPMS 部分裝置

圖 13 裝設於 Benz 車系輪胎上之 WTPMS

- 3 -

13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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13 國內外有關本計畫之研究情況

在國內研究方面致力於微機電通訊產品的亞太優勢微系統已於去年（2002）

量產無線胎壓感測器及相關微機電產品原倍強真空科技股份公司現為倍強科技

股份有限公司研發之表面聲波元件（SAW）應用於無線通訊產品中其中一項即

為 WTPMS立朗科技亦針對無線通訊系統開發了一系列之半導體元件在 WTPMS

亦是一項運用長庚大學的盧而輝處長與台塑貨運公司於 91 年申請之國科會計劃rdquo

胎壓胎溫監控及警示系統rdquo亦利用無線傳輸技術將轉動中之輪胎壓力及溫度訊

號傳至駕駛室作為預警

在國外研究方面目前 NHTSA 批准了兩種偵測輪胎胎壓的方式1直接量測

（Pressure Sensor Based簡稱 PSB）系統2間接量測（Wheel Speed Based簡稱

WSB）系統

PSB 系統要求在每個輪胎內使用壓力傳感器並安裝無線發射器位於胎內

的感測器將測得之訊號以無線傳輸方式周期性地傳送資料特殊之天線設計則位

於輪胎風嘴處用於將壓力信息發送至中央接收器模塊上的系統接著藉控制單元

即可區分各輪胎不同之變識碼於駕駛座顯示各胎之胎壓

WSB 系統要求使用車輛防抱死制動系統(ABS)來確定輪胎壓力變化的系統

ABS 通過車速傳感器來確定車輪是否抱死從而決定是否啟動防抱死系統對於在

四個輪子上都裝有車輪速度傳感器的系統來說此類軟件的升級可以用於監測車速

的變化輪胎壓力變低也會導致車速發生變化當輪胎壓力降低時車輛的重量會

使輪胎直徑變小這反過來會導致車速發生變化經過正確計算這種車速變化可

用於觸發警報系統來向司機發出警告

每個系統都有自己的優點直接系統可以提供更高級的功能使用直接系統

可以隨時測定每個輪胎內部的實際瞬壓很容易確定故障輪胎[6]低壓的警告速度

較快Mercedes SL-Class 車系則是利用此法達到監視胎壓的目的[7]間接系統相對

便宜使用間接系統已經裝備了四輪 ABS (每個輪胎裝備一個輪速傳感器)的汽車

只需對軟件進行升級而且不需要電池的裝置但是目前這類系統沒有直接系統

準確率高它根本不能確定故障輪胎而且系統校準非常複雜此外在某些情況

- 4 -

下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

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以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

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第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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下此類系統會無法正常工作例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低

很明顯直接傳感系統更有效基於這樣一種觀點有人可能預測當 NHTSA

在 2005 年修改 TPMS 法規時會使用直接傳感系統全部取代過渡期間的間接系統

如果情況屬實將會出現一個巨大的 WTPMS 硬件市場

另外Motorola 亦針對此系統提供完整的解決方案使用者可根據需求修改成

晶片內之程式達到廣泛應用之目的

14 研究方法與構想

本系統設計將以四輪房車作為設計之主軸無線胎壓系統會在車輛啟動時對四

條輪胎執行自檢程序在車輛行駛過程中執行實時檢測程序司機可以通過安裝在

儀表臺附近的液晶顯示屏隨時觀察四條輪胎的溫度和氣壓狀態

在每條輪胎上安裝配有傳感器的不鏽鋼氣嘴並使用原氣嘴固定系統固定傳

感器將信息發送到最近的接收導線接收導線再將信息傳遞給接收機當輪胎氣壓

高於基準胎壓 12 倍當輪胎氣壓低於基准胎壓 25當輪胎溫度高於 75等情況

下輪胎安全監控器會采取聲光形式自動報警明確提示司機異常情況出現在哪

條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

本系統設計胎壓的測量方式將以能提供較穩定訊號變化之 PSB（Pressure

Sensor Based）法為基礎[4]系統主要架構如下圖 14（為一汽車頂視圖）所示

TU1

TU3

TU2

TU4

TU5

Cont

rolle

r

圖 14 WTPMS 之控制單元（Control Unit--CU）及輪胎單元（Tire Unit--TU）

- 5 -

Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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Controller 為系統之控制單元TU1~TU5 為輪胎控制單元其中 TU5 安裝於汽

車的備胎中圖 15 及圖 16 為 CU 及 TU 之系統架構圖

圖 15 WTPMS 控制中心單元（CU-Control Unit）系統架構圖

E E P R O MM e m o ry

B a n kC o n tro lle r

T ra n s m itte r

P o w e rM a n a g e m e n t

B a tte ry

E n c o d e r

P T S e n s o r

圖 16 WTPMS 輪胎單元（TU-Tire Unit）系統架構圖

15 重要參考文獻之評述

美國 SENSORS 雜誌於網路上針對此系統刊載出一文rdquoA Smart Tire Pressure

Monitoring Systemrdquo [10]下圖 17 為 WTPMS 系統之頂視圖

- 6 -

圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

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第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

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無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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圖 17 WTPMS 系統之頂視圖

圖 18 中顯示每個輪胎配有一組獨立的 RSM（Remote Sensing Module）此模

組負責感測量測處理RF 傳輸以及電源之管理下圖 18 為其方塊圖

圖 18 RSM 模組方塊圖

圖 18 中之 P Cell 表壓力感測部分T Cell 表溫度感測部分電路均以 CMOS

技術完成因此能達到低電流之消耗進而延長電池之壽命感測器內部可透過微控

制器設定其兩個腳位來達到四種模式之切換分別是 Standby Pressure

measurementTemperature measurement 及 Read 模式當處於 Standby 模式時所

有類比及數位的電路將關掉直至一個內部之低頻振盪器週期性地送出一個喚醒之

脈波信號後才開啟裝置

Motorola 晶片組在此方面提供了完整的解決方案[11]MPXY80xx 系列包含了

壓力及溫度感測器和介面電路68HC908RF2 系列則內含微控制器和 RF 發射器

而接收器型號為 MC33594 的接收器及 MC9S12DP256 的微處理器如下圖 19 所示

- 7 -

圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖 19 Motorola TPMS 晶片組

MC68HC908RF2 的微控制器在電源的計算輸出入資源及功率消耗方面可以做

有效的運用其內部的 2KB 快閃記憶體(Flash memory)更提供設計者更有彈性且低

成本之效用在 RF 發射器方面是採用 BiCMOS 技術設計出的鎖相迴路

(Phase-Locked-Loop) 包含了振幅調變 (Amplitude Shift Keying) 和頻率調變

(Frequency Shift Keying)傳輸率可達 9600 鮑率其以 1356MHz 為基準的石英振

盪器經由鎖相迴路可產生 315MHz433MHz 及 868MHz 三種頻率以因應在不同

國家的變換使用

上述提及當感測器處於 Standby 模式時其內部低頻振盪器將週期性的喚醒微

控制器在每次的喚醒之後控制器將依設定之程式執行所需工作在兩個喚醒脈波

之間控制器將處於 Stop 模式以減低功率之消耗直到給予外部的激勵信號才動作

為了提昇電源之管理及電池壽命一個內部的開關可用來偵測是否處於停車模式

當處於停車模式時 RF 發射器將可停止或大幅減低其傳輸

在接收器部分此文提出可以將 RKE（Remote Keyless Entry）系統與 TPM 系

統整合而共用一個接收器以降低設計時間及成本Motorola 的 MC33591 便提供

了此一功能

- 8 -

第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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第二章 理論探討

21 各式氣壓感測器介紹

氣壓或液壓測量是工業控制中重要之一環壓力定義為單位面積所受的力在

SI單位中使用牛頓frasl平方公尺來表示一般稱為Pa在英制中使用lbin2來表示一般

稱為psi（pound per square inch）另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法表

21 是氣壓單位之間的互換

表 21 氣壓單位的互換

壓力感測器的種類及其各自所運用的原理相當多有電容式電位計式磁阻

式電感電橋式應變計式與半導體壓力感測器等等以下分別針對不同類型的壓

力感測器進行介紹

1 電容式壓力感測器

電容式壓力感測器構造如圖 21 所示待測壓力經通道導入施加於一個可動膜

片上膜片受壓時與固定電極板間產生相對位置變化此舉亦使固定電極板內電容

量隨之改變故可藉由量測電容量變化而得到壓力值根據參考資料中表示此電

容式壓力感測器較適合用於低壓力感測（大約 800 kPa 內）及真空測量方面

- 9 -

可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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可動膜片

固定電極板 待測壓力 P

訊號輸出

圖 21 電容式壓力感測器示意圖

2 電位計式壓力感測器

電位計式是壓力感測器中較為普遍之一種其內部利用波頓管(Bourdon Tube)

作為感測元件波頓管為一中空彈性金屬管外型如圖 22當管內被注入具有壓力

之氣體時其管半徑會因受壓而增大使管前端產生位移再利用電位計測量此位移

量並轉換為電訊號輸出是常見的位移式氣壓感測元件通常此類壓力感測器具有

很大的輸出訊號在某些應用範圍裡並不需要經過放大處理即可測得輸出訊號

圖 22 波頓管外型及剖面圖

3 電感電橋式壓力感測器

此型壓力感測器利用感測技術中最常見的電橋電路作為感測元件其內部構造

如圖 23利用久磁性材料製成膜片放置於兩感應線圈之間當感測器內部受壓且膜

片兩側所受壓力大小不同時會使其中一個線圈電感量增加並減少另一線圈的電感

量而這兩個線圈被分別連接於電橋電路之一臂因電感量增減便可造成電橋輸出

電壓的改變藉以測得壓力變化

- 10 -

P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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P 1

磁性受壓膜片 感應線圈

P 2

圖 23 電感式壓力感測器示意圖

4 磁阻式壓力感測器

此型壓力感測元件之感測原理與電位計式類似亦是利用材料受壓力作用後產

生位移量對應出壓力變化量不同處在於磁阻式使用導磁材料作為製作材質並於

周圍佈置感應線圈故而位移變化會使得在導磁材料周圍的感應線圈電阻值改變

藉以測得壓力值通常此類壓力感測器亦會使用波頓管或夾囊(bellow)作為感測元

件

5 應變規式壓力感測器

此類壓力感測器構造如圖 24通常是將 4 個應變規直接黏附於金屬膜片上以

膜片作為其感測元件此一膜片之邊緣被安裝於基座上當膜片受壓時其中央部分

因受力而凹陷變形於是應變規之電阻值因膜片表面伸縮而產生變化再利用四個

電阻所構成的電橋電路將阻值變化轉換為差動電壓訊號輸出其數值會相對於待測

壓力的大小

壓力 P

金屬膜片 應變規 R2 R1 R4 R3

圖 24 應變規式壓力感測器

- 11 -

6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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6 半導體壓力感測器

半導體壓力感測器的作動原理與應變規式壓力感測器相當類似不同僅為用來

感測壓力變化的元件一是利用應變規一是利用半導體材料半導體壓力感測器利

用半導體材料取代應變規構成電橋電路同樣形成一個四片應變規的壓力感測器

其結構可以下圖 25 簡單表示

壓力 P

半導體應變規 內部中空

矽單結晶

圖 25 半導體壓力感測器示意圖

22 數位調變解調技術之理論

一般在有限頻寬的系統內作信號傳輸時必須將傳輸的訊號限制在系統的有限

頻寬之內否則會因部分信號頻率被衰減掉致使接收端接收到錯誤的信號或無

法辨識信號而產生錯誤就如同我們無法將數位信號直接用電話線來傳輸因為數

位信號的高頻部份將被嚴重衰減這好比是將高頻信號通過一個低通濾波器一樣

而解決的方法就是透過調變的技術將數位的信號轉為系統頻寬內的類比信號

在無線通訊中因為長距離通訊的要求下我們不直接將信號發送出去而是

先將它轉換成另一個不同的波形後利用通訊頻道將它傳送出去在接收端則以相

反的轉換方式得到原信號將原信號轉換成更適合於傳輸介質藉以提高傳輸距離

及傳輸效率的方式稱之為調變(Modulation)在接收端將調變後的訊號還原的方

式則稱之為解調(Demodulation)調變中通常含有兩種波形信號表示欲傳輸資料

訊息的調變信號(Modulated Signal)又稱基頻信號(Base-band Signal)訊息信號

(Message Signal)及適合在傳輸通道傳送的載波信號(Carrier Signal)簡單的來說

調變就是將資訊(Information)整合到一個載波(Carrier)中使得信號經由載波而更適

於傳輸

調變之正弦波有振幅相位頻率三種參量可以攜帶資訊因此可構成調幅

- 12 -

調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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調相及調頻三種形式在數位化趨勢下調變信號均採數位形式由於一般數位信

號是二進位制因此在調變時用它去鍵送載波的參數如振幅相位頻率將資

訊載到正弦波而這三種數位調變方式與前相對應分別是振幅鍵送 (Amplitude

Shift Keying簡稱 ASK)頻移鍵送 (Frequency Shift Keying簡稱 FSK)相移鍵

送(Phase Shift Keying簡稱 PSK)本研究 WTPMS 使用的射頻無線傳輸模組是採

ASK 方式

一種好的調變技術必須具備下列特點

1 高頻譜效率(Spectral Efficiency)現今因無線頻率資源短缺使得頻譜的利用更

形重要也就是調變後之信號能量必須更有效率地集中於更窄的頻寬內如此才

可使頻譜使用率提高

2 緊緻的頻譜(Constant Spectrum)減少調變後之訊號對鄰近頻道干擾

3 相同包跡性質(Constant Envelope)可減低調變信號在通過非線性電路後所

產生的非線性效應如旁波帶與高頻訊號振幅擾動現象

4 良好的位元錯誤率 BER(Bit Error Rate)良好的位元錯誤率可降低發射功率與提

高傳輸品質所以 BER 為系統的重要參數

以下將針對三種基本的數位調變解調方式作介紹

- 13 -

221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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221 振幅鍵送(ASK)

基本上振幅鍵送就是一個 AM 調變高頻載波的振幅隨著基頻信號大小而變

動在數位系統的基頻信號表示數值僅0與1因此載波振幅是以準位的有無行

成載波信號的包絡線(Envelope)來辨識表示式如下其中二元基頻信號為

是位元的閒期波形如下圖 26 所示

( )tS bT

( ) ( )cccc tAta ϑϖ += cos I f ( )tS =10≦t≦ (21) bT

( ) 0=tac I f ( )tS =00≦t≦ (22) bT

bT

( )tS

( )tASKφ

圖 26 理想的 ASK 信號波形

這種調變方式是依數位的 0與 1信號而改變載波的振幅一般來說載

波是被訊號波所調變其公式如(21)而調變訊號 ( )tgm 的數學表示式為

( ) ( )suminfin

infinminus

minus= kTtgatg okm (23)

其中 為 0 或 1 的數位信號ka T 為時間週期 ( )tgo 為單一脈波波形載波與數位

調變訊號的乘積以(24)式表示

( ) ( ) ( )ccmCgm ttgAta ϑω += cos (24)

將(24)式經傅立葉轉換可得被調變訊號之頻譜 ( )ωgmA

( ) ( ) [ ]dttjtaA gmgm intinfin

infinminusminus= ωω exp

- 14 -

( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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( ) ( cmccmc GAGA ωωωω ++minus=21

21 ) (25)

式中的調變訊號頻譜以 cωplusmn 移動 ( )ωmG 會受數位訊號 0 或 1 的影響而產生 ON

OFF 的變化所以此種調變又稱為 OOK(On-Off Keying)調變ASK 調變之方塊圖

如圖 27 所示

( )tgm

( )tcωcos

( )tASKφ

圖 27 ASK 調變之方塊圖

此種調變通常不單獨使用於數位傳輸上而是會配合 PSK 調變用於高速的發射

機上原因是雜訊亦屬於振幅調變可以輕易地改變載波的振幅使傳輸時產生振

幅的變化導致所接收的信號發生錯誤

若要將調變信號0與 1解調出來通常利用兩種技術一為匹配濾波器

(Match Filter)另一為相關接收器(Correlation Receiver)匹配濾波器假設匹配濾

波器的脈衝響應(Impulse Response) ( )th 如式(26)

( ) ( ) ( )cccc tAtath ϑω +== cos (26)

則輸入調變後訊號 ( )tASKφ 到匹配濾波器可輸出為 ( )tTy hSc minus 又 ( ) ( )tat cASK =φ 則在

時判定信號如下 bTt =

( ) ( )bcb TAETy lowastlowast== 20 50 (27)

當輸入匹配濾波器的信號 ( )tASKφ 是 ASK 載波信號中的1時 ( ) ( )tat cASK =φ 因此

濾波器輸出 在 時將可輸出( )tTy hSc minus bTt = ( )bc TA lowastlowast 250 相反的當 ( )tφ 為0時

濾波器輸出為 0如圖 28 所示

- 15 -

bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

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以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

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- 74 -

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bT

( )tASKφ ( )th( )tTy hSc minus ( )bTy

cA

cAminus

bT

t

( ) ( )tat cASK =φ

0E

bT

t

( )tTy hSc minus

圖 28 利用匹配濾波器檢測 ASK 波形信號

另一種解調技術相關接收器原理是利用正弦波信號的正交性來檢波若先

輸入信號 ( )tASKφ 乘上一個載波信號 ( ) ( )tAta ccc ϖcos= 再去積分則一樣可得信號能

量如圖 29 所示

bT

int

( )ccc tA ϑϖ +cos

( )bTy( )tASKφ

圖 29 利用相關接收器檢測 ASK 波形信號

數位調變系統中接收解調方式分為同調與非同調同調的接收解調系統在接

收機上要求 的頻率及相角和傳輸端的( )tac ( )tac 同步就像相關接收器而非同調系統

則不要求與傳輸端的載波相角同步如匹配濾波器

- 16 -

222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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222 頻移鍵送(FSK)

以兩種頻率 與 分別代表數位的1與0準位通常以高頻信號代表邏輯

1其值約為傳輸速度(Bit Rate)的 15 倍而低頻信號代表邏輯0其值約為傳輸

速度的 34 倍所以當我們調高調變速度時頻寬( － )亦會變大故在公眾

電話線路的 03K 到 34K 之頻寬帶內其傳輸速率是有限制的而其值大約為 1800

bps

1f 0f

1f 0f

對頻移鍵送(FSK)而言載波信號隨著數位二元基頻信號 ( )tS 的不同而轉換表

示式如下如下圖 210 所示

( ) ( tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =10≦t≦ ( 28) bT

( ) ( tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast= ) I f ( )tS =00≦t≦ ( 29) bT

bT

( )tS

( )tFSKφ

圖 210 理想的 FSK 信號波形

FSK 調變對應角頻率 0ω 與 1ω 其數學表示式為

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑωφ tatakTtgAt kkcFSK (210)

( ) ( ) ( ) (suminfin

infinminus

+minus++minus= 11000 cos1cos ϑωϑω tptpkTtgAc )

( ) ( ) ( )[ 1100 coscos ]ϑωϑω +minus+minus+ ttpak (211)

(211)式中 與 1- 表示 0 與 1 可能發生的機率第一二項為角頻率p p 0ω 及 1ω 的載

- 17 -

波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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波部分第三項為依存數位訊號 的頻譜部分實際的頻譜可以此式的傅立葉變換

來求FSK 調變之方塊圖如圖 211 所示

ka

( )tFSKφ

( ) ( )tfTEta

bc 11 2cos02 πlowast=

( ) ( )tfTEta

bc 22 2cos02 πlowast=

( )tS

圖 211 FSK 信號調變方塊圖

FSK 調變信號特性與 PSK 調變信號相同振幅沒有資訊所以受位準的變動或

雜訊的影響較少但 FSK 是非線性的調變其頻譜的分佈會有變寬的性質產生尤

其是在角頻率變換時若調變的相位不是連續相位此種現象將會特別嚴重

FSK 調變的解調方式由於兩個載波信號的頻率不同因此使用兩個匹配濾波

器如圖 212 或相關接收器如圖 213 就可以解調出 FSK 的信號若 FSK 信號 ( )tFSKφ

傳的位元是 1即 ( ) ( ) ( tfTEtat

bcFSK 11 2cos02 πφ lowast== )則匹配濾波器 輸出將為

而另一匹配濾波器 輸出為 0所以可透過

( )th1

0E ( )th2 ( )th1 還得位元 1反之 ( )tFSKφ

傳的位元是 0則匹配濾波器 ( )th1 輸出將為 0另一匹配濾波器 輸出為 所

以可以還得位元-1即位元 0

( )th2 0E

- 18 -

bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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bT

bT( )tS( )tFSKφ

( ) ( )tTath bc minus= 11

( ) ( )tTath bc minus= 22

圖 212 利用匹配濾波器的非同調 FSK 接收系統

bT

bT( )tS( )tFSKφ

int

int

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

( ) ( )tfTtb

11 2cos2 πφ lowast=

圖 213 利用相關接收器的同調 FSK 接收系統

223 相移鍵送(PSK)

調變的信號相位隨著0與1準位改變對於上述的 ASK 調變之 0 或 1 的 ON

OFF 鍵轉換也可能採用為-1 或+1 的鍵這就是相位的反轉與最簡單的二相位調

變(Binary PSKBPSK)相同也就是載波的相位以(23)式中的數位訊號 變化就

可以得到 PSK 的信號如圖 214 所示

ka

- 19 -

bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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bT

( )tS

( )tPSKφ

圖 214 理想的 PSK 信號波形

不過因 BPSK 需一個參考相位故通常用於同步傳輸而 BPSK 之解調只要將

訊號 再乘上載波訊號後用( )tac ( )ωH 濾掉兩倍頻率的載波後即可得 A21

與 A21

minus 的

訊號其解調的方塊如圖 215 所示解調過程可用數學式說明如下

( ) ( )( )ttAtta ccc ωω 2coscos =lowast

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += ttA cωcos

21

21 (212)

( )( ) ( ) ( )TAttA Hc 2

12cos121

⎯⎯ rarr⎯+= ωω

1as logic 1 ( )⎩⎨⎧

=tA-1as logic 0

)cos( tcω

( )tg ( )ωH

圖 215 BPSK 信號解調方塊圖

- 20 -

23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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23 表面聲波之探討

所謂表面聲波（surface acoustic wave簡稱 SAW）是在 1885 年由英國的 Lord

Rayleigh 所提出因此也稱為 Rayleigh 波1965 年以此一 Rayleigh 波來作用的電子

元件首次被開發出來自此以後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在

通訊系統方面因而使表面聲波元件的市場大為擴張

SAW 是指聲波在材料表面傳送的現象且其優點有下列幾項

1 形體較小頻率愈高形體愈小

2 可利用積體電路（integrated circuitIC）的方式來生產因此可量產且可靠性

高

3 元件特性受材料體形及特性之影響較小主要是由元件之表面電極形狀所控制

因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性

表面聲波元件的基本架構是在一具有壓電性（piezoelectricity）的基版上製作兩

組指叉狀電極（interdigital transducer簡稱 IDT）其中一組作為輸入端另一組作為

輸出端當外加電訊號加入時作為輸入端的 IDT 將經由逆壓電效應來將電訊號轉

變成聲波此一聲波將沿著基版上一特定方相的表面來傳輸當此一波動接觸到用

作輸出端的 IDT 時它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉換成電訊號輸出

輸入 IDT 和輸出 IDT 之間的基板部分稱為延遲線（delay line）而延遲線上的任何

的變化可以藉由比較輸入和輸出端的 RF 訊號來檢測出來

如下圖 216 所示只要在壓電薄膜（例如鋯鈦酸鉛PZT）上利用半導體製程

製作兩對指叉型結構的電極（Interdigital TransducerIDT）便構成一表面聲波元件

此元件是利用聲波在薄膜上傳遞來作應用故薄膜厚度必須在一個波長內所以必

需在元件在背部蝕刻尚未開始前藉由網路分析儀來量測到表面波之訊號同時利

用中心頻率的漂移所產生之波速改變來反推壓電薄膜目前之厚度也藉此瞭解表

面波之波傳行為

- 21 -

圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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圖 216 表面聲波元件示意圖

在感測的領域裡SAW 傳輸路徑上兩個 IDT 之間的延遲線就是感測區這一

區域通常都會塗上一層分析感測用的壓電薄膜把壓電薄膜與表面聲波的特性結合

在一起所製作出來的壓電表面聲波元件將可運用其濾波的特性應用使該材料成

為超高頻表面彈性波式諧振器及濾波器的商用材料表面聲波元件除了可用來作為

通訊元件外由於表面聲波對於微小的物理變化皆會有彈性表面波的特性因此還

可用來作為感測器

在目前最熱門的衛星資訊傳波系統以及光學能量聚集之用以確保台海軍事

力量之平衡（利用衛星聚集光束在外太空以雷射光束摧毀共軍）另外在醫學上的

應用(如血壓計心濾調整器與斷層掃描等)亦是值得去開發與探討

24 低電壓低功耗設計理論

本研究開發 WTPMS 無線胎壓監測系統在每個輪胎內部都將各置於一組發射

機該發射機的供應電源是來自於一顆 3V 的鋰電池由於器件和電池均在輪胎內

使用者當然不可能每隔數天為了換電池而拆了輪胎因此在有限的電源資源下

如何省電有效延長電池的壽命使系統在良好的反應與省電中取得平衡將是開

發者須深思的

在一個器件中功耗通常用電流消耗來表示下式表明消耗的電池與器件特性

之間的關係

fCVVdaCICC sdotsdot∆asympsdot= int （213）

- 22 -

式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

- 23 -

以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

- 24 -

第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

- 29 -

圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

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式中

CCI 器件消耗的電流

V∆ 電壓變化的幅值

C 器件電容和輸出容性負載的大小

f 器件運行頻率

從公式（213）可以得到降低系統功耗的理論依據將器件供電電壓從 5V 降低

3V可以至少降低 40的功耗此外降低器件的工作頻率也能成比例地降低功

耗

MCS-51 系列單晶片微電腦的器件電流包括兩部分核心電流和 IO 電流即

OICORECC III += （214）

核心電流是內部電晶體開關和內部電容充放電所消耗的電流佔有器件電流的

較大比例

fCEQVI CCCORE sdotsdot= （215）

式中

CCV 器件工作電壓

CEQ 內部結點和走線的電容是器件的固有屬性由式（215）在一定的電

流電壓和頻率測試值下計算出來

f 核心工作頻率

IO 電流主要是位址資料匯流排RDWR 和 ALE 信號消耗的電流在器件

電流中占的比例較小其數值有以下經驗公式

( ) ( ) CONTROLWRITEREADO

I IIII ++= 2080 （216）

式中

READI 讀出狀態的 IO 電流

WRITEI 寫入狀態的 IO 電流

CONTROLI 控制信號 RDWRALE 的電流

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以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

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第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

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參考文獻

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以寫狀態 IO 電流為例

( ) ( ) ( YXnfCVI CCWRITE +sdotsdotsdotsdot= 1 ) （217）

式中

C 每個引腳的負載電容和電路板的線路電容約 2pFin(in 為英寸)

f CPU 工作頻率

n每個匯流排週期所花費的機器週期數 =24 n

X 定址階段變化的引腳數

Y 傳輸資料階段變化引腳數

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第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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第三章 WTPMS 系統設計

無線胎壓監測系統(WTPMS）可分為兩大部分分別是發射機與接收機如圖

31和32不論在發射機或接收機中微控制器均扮演系統中的控制中心微控制器

將掌控週邊系統之訊號處理包括壓力溫度感測器訊號編解碼IC位址設定

RF無線傳輸資料人機介面顯示訊號車胎危急警示信號電源管理停車中停止

偵測及周邊電路之輸出入等

圖31 WTPMS發射機

圖32 WTPMS接收機

31 微控制器(Micro-Controller)之設計

如果說感測器是人類的感官器官的話用來接收外部環境變化訊息那麼微控

制器在系統中絕對有資格稱的上是人類生理系統中最高管理者~大腦那賦予系

統生命運行的靈魂即是程式

省電有效延長電池壽命是WTPMS非常重要的課題特別是無線胎壓監測系

統的發射機全靠一顆3V的鋰電池供應因此擁有較長的系統生命週期是被我們

期望的省電的設計技巧除了善用軟體程式中的功率下降模式或閒置模式即可

有效降低功率損耗在硬體方面慎選低功率的硬體IC零件是設計者需仔細評估

的特別是低功率的微控制器

- 25 -

MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

- 26 -

W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

- 27 -

圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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MCS-51 系列單晶片微電腦由於功能全面成熟穩定開發工具較為完善

衍生產品豐富大量的設計資源可以繼承和共用成本低廉不但具有較多的 IO 接

腳廣大的記憶體空間強而有力的運算速度尤其是位元運算指令更是使得

MCS-51 系列單晶片微電腦被廣泛應用於機電整合領域由於使用 MCS-51 系列單

晶片微電腦採用高階組合語言編程可有效降低了設計的技術風險大大提升設

計產品的效率及縮短開發時間

隨著微控制器的進步同一些低速的微控制器（如四位元單片機）和高速的 RISC

處理器相比MCS-51 系列單晶片微電腦在功耗上沒有絕對優勢為了在 WTPMS

產品中發揮 MCS-51 系列單晶片微電腦的上述特長吾人將採取軟硬體整合的一

系列措施加強低電壓低功耗設計善用軟體低功率模式有效縮短工作執行時

間在擁有良好的效果與省電中取得平衡確實延長電池壽命該 WTPMS 發射機

使用一顆 3V 高功率型鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間最大工作電流小於

20mA待機電流小於 50microA一顆電池即能使用較長的時間達到滿意的設計指標

近年來 MCS-51 系列單晶片微電腦衍生產品湧現出許多低電壓低功耗品種

各具特色如ATMEL 公司 AT89LS5X 系列AT89LV5X 系列程式記憶體 4KB

～20KBPHILIPS 公司 LPC 系列高速低耗片內集成的多種低功耗功能極有

階段程式記憶體空間有 2KB 或 4KB臺灣華邦電子公司 W78LE 和 W77LE 系列

有 8～64KB 程式空間和普通高速多種型號可以選擇選擇合適的微控制器將與後

介紹的各項低功耗設計技術的使用軟體規劃和正確程式編撰有關

在 WTPMS 開發過程中吾人經過多款 MCS-51 系列比較和測試發現最適合

WTPMS 類產品應用性能價格比最高的兩款微控制器是台灣華邦電子公司出產的

W78LE 系列中的 W78LE58 與 ATMEL 公司出產的 AT89LS5X 系列中的 AT89LS51

這兩款均屬於新型 MCS-51彼此功能有不少相似處最大差別在於程式記憶體

(ROM)的容量AT89LS51 僅有 4K 的程式記憶體W78LE58 的程式記憶體高達 32K

容量由於目前 ATMEL 台灣的代理商尚未代理 AT89LS51在考慮到零件取得之

方便性與性能價格比吾人將選擇由國人自我研發的微控制器華邦電子公司出產

的 W78LE58 作為開發 WTPMS 的微控制器如圖 33圖 34 為 W78LE58 內部構

造方塊圖

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

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第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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W78LE58它有以下特點適合 WTPMS 類產品

1 內函八位元的 CPU適合與 MPXY8020A 溝通傳輸

2 完善的低功耗模式特別是外部中斷能夠喚醒功率下降模式

3 工作電壓 27～60V適合 3V 鋰電池的供電方式

4 全靜態設計工作頻率從 0 到最大 16MHz低功耗產品的特殊要求

5 32 個雙相性即可單獨定址的 IO Ports可滿足 WTPMS 的需要

6 32KB 應用程式記憶體容量超大

7 程式記憶體採用 Flash Memory 形式大幅提升開發產品的速度

8 PLCC 和 QFP 封裝有效將體積減小釋放硬體更多空間

9 於 PLCC 和 QFP 封裝時將多提供兩組外部中斷和四個 IO Ports

10 可靠的加密編程保護開發者的知識產權和勞動成果

圖 33 W78LE58 各式封裝外型

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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圖 34 W78LE58 內部方塊圖

令人耳目一新的是以往舊型的微控制器如 80C51僅有在閒置模式下才能使

用軟體中斷控制或硬體重置將系統脫離閒置模式而擁有更低功率損耗的功率下

降模式要喚醒至工作運行模式唯有靠硬體重置一徒硬體重置即利用手動按鍵

來重新啟動系統這在 WTPMS 發射機中是完全不可行而 W78LE58 當系統在功

率下降模式時可以通過第二途徑mdashmdash中斷 INT0 和 INT1 來喚醒這對於 WTPMS

類產品更為有利因為功率下降模式的功耗會比閒置模式小 2～3 個數量級整機

功耗將會進一步降低類似的功能在ATMEL公司出產的AT89LS5X系列和PHILIPS

公司的 PLC 系列低功耗單片機中也提供

- 28 -

32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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32 壓力與溫度感測器(Pressure and Temperature Sensor) 之設計

精確地抓到輪胎內的壓力與溫度是踏出的第一步如何選擇適當的感測器便是

重要的課題胎壓方面根據表 1112 可得知輪胎所需安全壓力範圍由

21kgfcm2~3kgfcm2約為 2059kPa~2942kPa此為一般傳統胎壓計所得之錶壓力

值而我們真正需要的是絕對壓力值故將錶壓力加上一大氣壓 1013kPa可得正

常絕對胎壓範圍 3072kPa~3955kPa胎溫方面影響胎溫的因素不少除了外在環

境溫度改變尚有車重行車速度行車時間等影響因子因此吾人採取較嚴苛的

限制條件當胎壓未在 300kPa～400kPa絕對安全壓力範圍內或當胎溫超過 75

時將以LED閃爍警示駕駛人停車檢查

眾合上述基本條件吾人採用能符合此規格之 Motorola MPXY8020A如圖

35這是一顆單體壓力和溫度的數位感測器可測量絕對壓範圍力 0kPa~6375kPa

溫度範圍為-40~125數位解析度達 8 bits專用於滿足 WTPMS 在壓力和溫度

兼容方面的要求MPXY8020A 包含可變電容型 MEMS(Micro Electro Mechanical

System)絕對壓力感測器正溫度係數(PTC)電阻溫度感測器所有的介面電路均被

設計於單一微小晶片(Chip)上外部封裝採取超小型外型封裝(Super-Small Outline

Package或簡稱 SSOP)內部製程採用 CMOS(Complementary Metal Oxide

Semiconductor)可有效降低功率延長電池壽命並具備電源管理和數位輸出功能

套件內的媒介保護過濾器可以使其硅片免受環境影響圖 36 為 MPXY8020A 內部

構造圖

圖 35 MPXY8020A 外部封裝

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

- 30 -

表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

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- 74 -

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圖 36 MPXY8020A 內部構造圖

MPXY8020A 共有八支引腳如表 31 MPXY8020A 的腳位說明其中兩支為電

源引腳( 和 )提供微控制器 6 個引腳2 個引腳作輸入用於控制其操作模式

(S1S0)2 個引腳作輸入用於數據串行交換(DATACLK)另外 1 個引腳作輸出

用於數據傳送和喚醒(OUT)OUT 引腳於不同模式下會有不同功用MPXY8020A

還具有復位針(Reset)該針作為一個輸出端子此端子大約每隔 52 分鐘向控制器發

送復位信號如表 2 2 MPXY8020A 的腳位描述

DDV SSV

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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表 31 MPXY8020A 的腳位

該系統有四種操作模式可由微控制器控制 S1S0 的高低準位變化來切換之

分別為待機模式 (耗電 06uA)測定壓力模式(耗電 1300uA)測定溫度模式(耗電

400uA)和輸出數據讀取模式(耗電 400uA)如表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

表 32 MPXY8020A 的四種工作模式

321 待機模式

當 MPXY8020A 進入待機模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0S0=0)

系統可進入極低功率環境下幾乎是不耗電(耗電約 06uA)絕大部分電路已停止工

作除了內部低頻震盪器(LFO)串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)

數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱 DAR)喚醒脈波重

置脈波是持續工作的如圖 37

- 31 -

圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

- 32 -

圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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圖 37 MPXY8020A 進入待機模式下

當 MPXY8020A 進入待機模式OUT 引腳準位隨即為 High喚醒脈波將由 OUT

輸出於微控制器喚醒脈波(Wake-up Purse)重置脈波(Reset Purse)是由內部低頻震

盪器持續提供不論在何模式下喚醒脈波每隔 3 秒周期性發出一個 Low 波如圖

38重置脈波則是每隔 52 分鐘如圖 39在 MPXY8020A 進入待機模式隨即我們

會要求微控制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已

達真正低功率有效節省電源不過當微控制器要脫離功率下降模式或閒置模式

就必須仰賴中斷功能或外部硬體手動重置當然手動重置是完全不用考慮中斷功

能是唯一僅存的方法在此吾人設計將 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波

拉至微控制器的外部中斷 0 的腳位作相連結如此以來微控制器也能在工作模式

與省電模式正常切換

圖 38 3 秒一次的喚醒脈波

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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圖 39 52 分鐘一次的重置脈波

322 測定壓力模式

當 MPXY8020A 進入測定壓力模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=0

S0=1)MPXY8020A 內部的電容型壓力感測器將會把電容信號轉換成類比電壓並

透過內部 OP 放大器將信號調整大小與校正誤差經放大後的類比信號將由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 310而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際壓力的

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 500 uS 最為穩定

圖 310 MPXY8020A 進入測定壓力模式

323 測定溫度模式

當 MPXY8020A 進入測定溫度模式即微控制器輸出至 MPXY8020A(S1=1

S0=0)MPXY8020A 內部會提供一固定電流供給正溫度係數電阻溫度感測器經由

正溫度係數電阻值隨溫度變化改變電阻值類比電壓也將同步產生變化經由內

部多工器的導引存放於內部的取樣電容即對電容作充電工作如圖 311而 RC

充電時間也是我們即須注意的重點倘若充電時間太短將無法真正表現實際溫度的

- 33 -

類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

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無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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類比電壓輸出數據將無法被信任經由實際修改程式與 MPXY8020A 參考資料相

互比較我們發現取充電時間 200 uS 最為穩定

圖 311 MPXY8020A 進入測定溫度模式

324 輸出數據讀取模式

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式如圖 312 即微控制器輸出至

MPXY8020A(S1=1S0=1)在進入輸出數據讀取模式之前必須先進入測定壓力

或測定溫度模式將壓力或溫度的類比電壓確實充電於內部取樣電容進入輸出數

據讀取模式後即可啟動 AD 輸出比較經由內部 OP此 OP 在此作為一比較器

用之前的取樣電容的電壓值視作一參考值而與之比較的值便是由微控器所提供

的此值該如何提供呢需提供多少才能有效將電容內的類比信號轉成數位信

號是關鍵的技術

圖 312 MPXY8020A 進入輸出數據讀取模式

在了解如何提供比較值之前我們必須先認識微控制器與 MPXY8020A 彼此溝

通的介面串列外圍介面(Serial Peripheral Interface簡稱 SPI)一個標準的 SPI 必

- 34 -

須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

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須含有兩支引腳(DATACLK)當 CLK 產生正緣觸發便能將欲傳輸 8bit 資料中

的其一 bit 載入於數位轉類比暫存器(Digital to Analog Converter Register簡稱

DAR)DAR 是 MPXY8020 內部特殊設計簡單來說其功能像是串列型的數位轉類

比器欲從微控制器載入八位元的比較值於 DAR 中尚須注意資料位元須從高位

元至低位元依序載入而與 DATA 引腳相連結的 IO 準位必須配合載入位元的變化

改變每傳一 bit 就得觸發一次 CLK如此觸發八次便能確實將比較值載入 DAR 中

每觸發八次後 DAR 會將值經由數位轉類比器(Digital to Analog Converter簡稱 DAC)

轉成類比電壓信號如圖 313提及每次完整觸發時間即準位高低切換的時間

是需仔細考量的最短時間可設置 1uS一次觸發時間 最好能滿足下式 CLKT

64 20ms (31) CLKT le

如此限制時間的長短是為了避免 MPXY8020A 內部取樣電容因時間拖長造成

電容放電效應產生誤差此外SPI 的同步傳輸是被嚴謹要求的因此在初始值

設定與 CLK 觸發八次完後需保持 CLK 在低準位MPXY8020A 提供的兩支引腳

(DATACLK)便是做 SPI 用此處吾人設計將 DATACLK 兩支引腳與微控制器

任兩支 IO 引腳作相連結由微控制器程式控制八位元資料由高位元至低位元依

序輸出改變與 DATA 引腳相連結的 IO 準位每改變一次準位與 CLK 連結的 IO

均需正緣觸發一次如此比較值可正確載入

圖 313 利用 SPI 載入資料

- 35 -

當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

- 36 -

眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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當 MPXY8020A 進入輸出數據與讀取模式MPXY8020A 的 OUT 引腳就變的

更加重要前言提及的由微控制器產生於 DAC 的類比電壓將與壓力或溫度的取樣

電容類比電壓作比較OUT 引腳在此便是用於判斷彼此之間的大小如圖 314當

DAC 類比電壓大於或等於取樣電容類比電壓時OUT 引腳為低準位如圖 315

當 DAC 類比電壓小於取樣電容類比電壓時OUT 引腳則為高準位如圖 316

圖 314 OUT 引腳判斷彼此之間的大小

圖 315 DAC 大於等於取樣電壓OUT 為 LOW

圖 316 DAC 小於取樣電壓OUT 為 HIGH

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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眾合上述基本觀念我們可以了解微控制器與感測器彼此之間如何做數據傳輸

與比較至於該傳送些什麼資料才能將暫存於取樣電容電壓值表現出來才是我們

更加關心的

在此吾人提出一判斷法則一成功近似法(Successive Approximation)此法是利用

逼近原則將取樣電容內電壓值經多次大小比較求出首先在微控制器中先行定義

出三個暫存器ABC將暫存器 A 內容初始設為八位元全距的一半即為

128= 暫存器 B 內容設為 0並將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料

傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC即可觀察 OUT 的變化當 OUT 引腳為低準位時

表示猜測值 C 太大或相等於取樣電容電壓值當 OUT 引腳為高準位時表示猜測

值 C 小於取樣電容電壓值下一次的猜測需參考上一次 OUT 的變化若上次 OUT

引腳為低準位時暫存器 A 內容需設為上次全距的一半暫存器 B 內容保持不變

將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C 資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀

察 OUT 的變化若上次 OUT 引腳為高準位時暫存器 A 內容依舊設為上次全距

的一半上次暫存器 C 內容則放於 B 中將 AB 相加後放於 C 中利用 SPI 將 C

資料傳輸至 MPXY8020A 內的 DAC觀察 OUT 的變化依序比較下去直至暫存

器 A 內容為 1= 並執行完畢因此 DAC 將會與取樣電容電壓值比較八次方可從

微控制器暫存器 B 得知近似取樣電容電壓值的八位元表示值即 AD Code而此

AD Code 並非完全嚴謹因為當 OUT 引腳為低準位有可能是猜測值剛好相等於

電容電壓值因此當比完八次求得的 AD Code 尚需自動加一才是真正的實際值

72

02

求得的八位元解析度的壓力溫度 AD Code即可用來轉換成壓力溫度實際

值壓力(kPa)=25AD Code當壓力 AD Code 數位值為 則壓力為 1025 (kPa)

溫度()=

1041

( ) 411861516-Code AD minus 當溫度 AD Code 數位值為 則溫度為

707()

10163

- 37 -

33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

- 39 -

HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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33 編解碼 IC 之設計

在 WTPMS 系統中當中央接收機面對四組發射機及附近臨車輪胎發射機時

如何辨識是由哪個輪胎所傳送出的胎壓胎溫資料及分辨是否為本車輪胎資訊是

開發 WTPMS 重點之一因此對輪胎壓力溫度資料作編碼是有必要的而辯識位

址碼的設定方式可由程式開發者自行決定此外無線收發模組必須搭配編解

碼 IC將所設定的密碼與資料一同傳送與接收可以避免外部雜訊干擾

在此吾人提出兩種輪胎辨識碼的設定方式其一為由於各車輛之引擎號碼為唯

一故提出以引擎號碼附加於傳送的訊號中另一為經由產品出廠的先後順序作為

編碼設定值兩種方式將可藉以辨識輪胎是否屬該車資訊號及分辨每一輪胎

由於上述兩種設定編碼方式將使用大量的辨識位址碼因此編解碼 IC 能編解

多少碼是我們極為關切的經吾人測試與比較後以 HOLTEK 出產的編解碼 IC

系列中的 HT-600 編碼器(Encoder) 與 HT-604L 解碼器(Decoder)適合用於 WTPMS

的開發

HT-604L(Decoder)與 HT-600(Encoder)適用於 WTPMS 主要特性如

1 採用CMOS技術具有低功率省電高抗雜訊等優點

2 工作電壓在24V~12V 3V即可正常工作

3 極低電流於待機模式在3V耗電流不到01uA有效延長電池壽命

4 HT-600編碼IC有 ＝1024組密碼設定每次傳送4個位元資料 102

5 HT-604L解碼IC可解 ＝1024組密碼4個位元資料傳送資料具有拴鎖功能 102

6 HT-600編碼IC有5個AddressData共用引腳可依使用者定義

7 內含振盪電路只需外加一電阻即可提供工作頻率(OSC1與OSC2)

8 嚴謹的確認性當HT-604L收到Code會做兩次確認以保資料無誤之虞

9 簡易連結性易與無線收發模組搭配

10 最少的元件介面以整合了大部分功能

- 38 -

331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

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顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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- 74 -

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331 HT-600編碼IC

HT-600 編碼 IC 如圖 317 提供固定的 9 支 Address 的接腳 Address 接腳

(Pin11~Pin19)即為位址密碼設定用5支AddressData共用腳AD共用腳可依設計

者需求定義為何用途眾觀整體系統需求吾人會將8Bits欲傳資料拆成高低各4Bits

來傳送至於先傳高4Bits或先傳低4Bits並不嚴謹要求只要程式設計者能掌握傳

輸狀態即可因此AD共用腳需定義其中4支為Data腳用(Pin2~Pin5)而多出的一支

(Pin1)即定義為第十支Address接腳圖318為HT-600內部方塊圖

圖317 HT-600外部接腳圖

圖318 HT-600內部方塊圖

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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HT-600的接腳如表33 Pin11~Pin19Pin1可作為10位元將提供 =1024組密

碼的設定Pin2~Pin5作為4位元資料輸入也就是說當設定一組密碼後HT-600編

碼IC會將此密碼與資料一同傳送出去當接收端所設定的密碼相同時將讀取4位元

資料HT-600的Pin6(DATA OUT)是資料發送端連接至發射模組Pin8(OSC2)與

Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin14(TE)為編碼致能接腳當TE接腳為高準位

ldquo1rdquo時將Pin11~Pin19Pin1所設定的密碼與Pin2~Pin5的4位元資料進行編碼組合

由DATA OUT端以串列資料傳送出去假如TE接腳為低電位ldquo0rdquo時則停止編碼與傳

送此TE接腳狀態可由單晶片予以控制

102

表33 HT-600接腳說明圖

令人興奮的是當我們將8Bits欲傳的資料拆成高低各4Bits來傳送時將連帶使

Address碼執行兩次才能構成一筆完整8Bits資料這使得原來僅能編 組位址碼

可再乘一次辨識碼可達 =1048576組這筆組數勢必能滿足大量編碼

的需求

102102 102 = 202

TE為編碼致能程序圖如圖319若TE由Low變為High再變為Low即便變化時

間小於一完整字串時TE依舊視為一次有效致能HT-600會將Address接腳

- 40 -

(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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(Pin11~Pin19Pin1)和Data接腳(Pin2~Pin5)的狀態掃描一次連同Header Bits構成一

完整的字串(Words)如圖320 將字串經由引腳DATA OUT傳送出去並傳送字串

三次為一循環若TE持續為High則字串傳送3次的一迴圈將不斷的循環直至

TE變為LOW時HT600會做完最後一次的迴圈才停止並進入省電模式如圖321

為HT-600運作流程圖此外值得一提的是當HT600在3V時進入省電模式所耗

電流不到1uA

圖319 TE為編碼致能程序圖

圖320 一完整字串的內容與時間

- 41 -

圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

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參考文獻

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- 74 -

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圖321 HT-600工作流程圖

HT-600每一Bit是由12個震盪器頻率所組成的Waveform如圖322 WTPMS

發射機有大部分時間是在等待編碼的傳送此段時間系統是全速運轉的最為耗電

因此調高HT-600內部震盪頻率以換取最短編碼時間是刻不容緩的此類編解碼

IC的震盪頻率在固定電壓下可經由外部電阻來調整如圖323由圖我們可得知

電阻值越低系統盪頻率越高傳送速度相對也越快反之電阻值越高系統盪頻率

越低傳送速度相對也越慢因此吾人將使用120KΩ作為震盪器外部電阻

HT-600在外部電阻120KΩ和供應電壓3V的環境下震盪頻率將有225KHz的表

現定義好震盪頻率後一個完整字串的時間將是我們急需知道的於前提及一Word

時間是最短有效致能時間經由吾人多次實驗測試在 =225KHz時採用

=100Ms時最為穩定

oscf

wordT

- 42 -

圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

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無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

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- 74 -

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圖322 HT600一Bit由12個震盪器頻率所組成

圖323 HT-600震盪頻率與電阻電壓關係

332 HT-604L解碼IC

在HOLTEK出的一系列編解碼IC中均互為成對匹配的經由廠商建議對應

系列中的HT-600最佳解碼IC為HT-604L如圖324HT-604L提供10支固定位址引

腳將可對 組密碼解碼4支固定Data引腳輸出資料為4Bits且資料保

留具備拴鎖功能可穩定保留資料圖325為HT-604L內部構造圖

183

1024210 =

- 43 -

圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

- 44 -

此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

- 45 -

圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

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圖324 HT-604L外部接腳圖

圖325 HT-604L內部構造圖

HT-604L解碼IC的接腳說明如表34 同樣原理Pin11~Pin19Pin1作為10位

元 組密碼設定的解碼用Pin2~Pin5作為4位元資料輸出當發射端與接

收端密碼相同時編碼電路所傳送的4位元資料會顯示在解碼電路4位元資料輸出接

腳解碼IC的Pin7(DATA IN)為資料接收端連接至接收模組的(DIGITAL OUTPUT)

引腳Pin8(OSC2)與Pin9(OSC1)連接電阻產生工作頻率Pin6(VT)為解碼致能接腳

當接收電路接收到串列資料時解碼IC會連續核對密碼兩次若密碼相同時將使

得VT解碼致能接腳呈現高電位ldquo1rdquo並將4位元資料送至Pin2~Pin5(D12~D15)密碼

錯誤時VT解碼致能接腳呈現低電位ldquo0rdquo保留原始資料也就是拴鎖(Latch)功能

1024210 =

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

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RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

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參考文獻

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此VT接腳狀態變化可由單晶片讀取由程式判斷何時讀取四位元資料

表34 HT-604L接腳說明圖

VT解碼致能程序圖如圖326當HT-604L的DIN引腳收到接收模組傳送的訊號

時會將14Bits的資料擷取前10Bits的Address Bits並與系統設計者原先自行定義的

Address Bits相互比對當比對第一次成功將進行第二次比對確認以保資料正確

無誤之虞當成功比對兩次後VT將由Low變為High準位1並擷取後4Bits的Data

Bits送至Pin2~Pin5VT Pin將維持高電位直至無資料進入或有新的14Bits資料進

入致使Address Bits比對錯誤才降為Low如圖327 值得一提的是VT Pin是

屬於Momentary TypeData Pin是屬於Latch Type

圖326 HT-604L之VT解碼致能程序圖

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

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35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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工程學系碩士班 2002

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖327 HT-604L工作流程圖

HT-604L與HT-600均已內建震盪器設計者僅需提供一外部電阻即可產生震

盪頻率至於外部電阻值該提供多少尚需配合所需頻率和供給電壓此部分除了

廠商提供資料外實際的測試更為重要電阻值與頻率和電壓三者彼此間有存在的

關係如圖328經由廠商提供的資料HT-604L與HT-600所需頻率的最佳表現於

彼此相等此外HT-604L將置於中央接收機處因此外部提供電壓為5V由汽車電

源提供於前提及HT-600將採用225KHz頻率因此吾人將設定HT-604L的震盪頻率

為225KHz頻率當在5V電源下所需外部電阻值應為127KΩ附近

- 46 -

圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

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36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

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ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

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[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

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Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

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[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

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全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖328 HT-604L震盪頻率與電阻電壓關係

- 47 -

34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

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工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

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[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

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自動控制工程研究所 1998

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Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

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Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

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ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

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Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

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[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

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[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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34 無線收發模組(Transmitter and Receiver) 之設計

在 WTPMS 系統中無線收發模組將扮演發射機與中央接收機之間最重要的

溝通介面若採有線連線之方式取得胎壓胎溫的資訊或自汽車電瓶取得電源當

汽車行進時將發生電線捲繞之問題

經吾人多次測試與比較以台灣文星無線公司(WENSHING)出的TWS-CS (發射

器)與RWS-530(接收器)最適合於WTPMS系統需求如圖329特別是TWS-CS在

3V即能正常工作這是TG系列無線電收發模組無法辦到的

TWS-CS與RWS-530所組成的無線收發模組適用於WTPMS主要特性如

1 穩定的頻率不偏頻頻率範圍採用歐規43392MHz

2 數位調變形式採用振幅鍵移(ASK)

3 低電壓的工作範圍(2V～5V)能符合WTPMS供給3V的需求

4 快速的傳輸接收速度傳輸速率高達8Kbps

5 極高的接收能力RWS-530接收感度最高可達-112dB

6 高環境適應性能在-20到85正常工作

7 簡易連結性易與微控制器和編解碼IC搭配

8 小型的積體電路設計採用表面聲波（SAW）元件

9 搭配編解碼IC不易受外界雜訊干擾

10 多型號的選擇可更換同一系列的美規315MHZ

CCV CCV

圖329 TWS-CS (發射器)與RWS-530(接收器)

48

35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

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第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

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圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

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圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

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圖 45 成功近似法流程圖

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圖 46 輪胎編碼流程圖

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42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

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ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

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Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

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ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

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[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

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Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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35 LCD 儀表顯示

WTPMS 透過人機介面將可設定週邊模組操作模式如停車時省電模式駕

駛啟動時之傳輸模式公英制單位切換模式警告值設定模式等等並於 LCD

顯示器上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

值以數位化數值顯示各輪胎之胎壓使駕駛人明確掌握車胎資訊如圖 330

此外考慮到駕駛行車的安全將合併於圖示化顯示以便駕駛者在行車同時也

能一目了然輪胎之情況下圖 331 所示為取樣自國際標準組織（ISO）但經統

計後發現並不容易瞭解因此後來更新之圖示如圖 332 所示

當輪胎氣壓高於基準胎壓 350kPa當輪胎氣壓低於基準胎壓 280kPa或輪

胎溫度高於 75等情況下輪胎安全監控器會採取聲光形式自動報警明確

提示司機異常情況出現在哪條輪胎上要求司機停車檢查或換胎

Cdeg

圖 330 LCD 顯示左前輪胎壓胎溫值

圖 331 國際標準組織（ISO）輪胎警示圖 圖 332 較易於辨識警示圖

- 49 -

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

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- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

36 電源(Battery)之探討

若採連線之方式自汽車電瓶取得電源當汽車行進時將發生電線捲繞之問

題因此以 3V 電池作為電源之提供將是重點而電源之使用壽命除取決於本身

的電力外微控制器感測器編碼 IC發射接收器收發訊號週邊電路處理

訊號將耗掉絕大部分電力因此系統發射機電源使用的設計如何開源節流亦是

考慮的重點之一

361 電池的選擇

該 WTPMS 發射機使用一顆 3V 鋰電池開機工作時電流小於 15mA瞬間

最大工作電流小於 20mA待機電流小於 50microA目前市面上的 3V 電池絕大部

份均為鋰電池一般 3V 的鋰電池可以分為三種紐扣型的鋰電池高功率型的

鋰電池高容量型的鋰電池

1 紐扣型鋰電池

其體積較小適合在 backup 電路使用但電池容量較小以紐扣型

中擁有最大電量的三洋 CR2450 為例理想電量為 610mAh對於 WTPMS

發射機來說似乎不足此外CR2450 正常供電電流為 02mA最大正常

供電電流僅為 2mA 而已若電流過大其容量及電壓就會被犧牲下降

因此紐扣型的鋰電池不能滿足我們

2 高功率型鋰電池

其電池容量大但相對的體積也較大形狀也較特殊因此在電路設

計上需花些時間以三洋 CR17335 為例理想電量為 1400mAh標準供

電電流為 10mA最大正常供電電流為 1500mA封裝直徑為 17mm長

度為 338mmCR17335 雖然在供應電流有不錯的表現但電池容量稍嫌

不足形狀特殊在電池設計電路上較為麻煩

3 高容量型鋰電池

- 50 -

以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

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ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

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[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

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全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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以 VRATA 出的 CRAA 為例理想電量為 2000mAh標準供電電流

為 5mA最大正常供電電流為 20mA電池形狀即為一般 3 號電池大小

CRAA 不論在電池容量上或者正常供應電流均能滿足 WTPMS 發射機的

需求此外一般的形狀將有利於電路設計

眾觀上述對各種電池的比較與了解吾人將採用高容量型的 3V 鋰電池

VRATA 出產的 CRAA 作為 WTPMS 發射機電源

362 軟體省電

W78LE58 有三種工作模式工作運行模式閒置模式和功率下降模式正

確的軟體程式編程以便使 W78LE58 在較多的時間內工作在閒置模式和功率下

降模式中是 WTPMS 類產品降低功耗之有效途徑對於 W78LE583V 供電電

壓和 12MHz 時鐘頻率下三種模式的電流消耗如表 35 所列

表 35 微控制器三種模式的電流消耗

模式 工作運行 閒置 功率下降

電流（max） 45mA 07mA 5microA

低功耗的軟體原則是讓系統在工作運行模式佔用時間遠比在閒置功率下降

模式少尤如一個占空比很小的脈衝極短的工作時間消耗的能量也較少在

開機狀態下當 MPXY8020A 感測器進入待機模式隨即我們會馬上要求微控

制器也進入功率下降模式(Power Down Mode)或閒置模式(Idle Mode)已達真正

低功率有效節省電源而 MPXY8020A 的 OUT 引腳所產生喚醒脈波將形成

一次有效的外部中斷用來喚醒 W78LE58被喚醒後的 W78LE58 隨即進入外部

中斷服務程式並執行量測壓力溫度資訊處理感測訊號建立編碼位址和

- 51 -

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

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圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

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2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

RF 無線傳送資料只在短暫的時間內工作在運行模式處理相應的事件然後

再次進入功率下降（或閒置）模式如此循環

WTPMS 類產品的主要機時佔用是感測資料和 RF 無線傳送的交互操作僅

在較短的時間內有大量的計算與存取資料是需全速運行的此外編解碼 IC

處理準位訊號需保留一定的時間是發射機耗最多時間的時段不過系統大部分

時間是處於功率下降模式等待下一次喚醒脈波到來上如果程式編撰採用輪詢

方式CPU 會在工作運行模式等待喚醒脈波的觸發則耗電較大因此吾人採

用外部中斷觸發的方式則可以藉由外部中斷 0 來喚醒 W78LE58讓系統擁有

較長的等待時間都處在功率下降模式（或閒置模式）

363 硬體省電

1 晶振頻率是決定功耗的基本環節

在 5V 電壓下運行於 12MHz 的 80C51工作電流達到十幾 mA無論如何難

以在電池電流供電環境中使用從公式（215）和圖 333圖 334圖 335 可以

看出工作電流與晶振頻率成嚴格的線性關係閒置模式功率下降模式的電流

也有類似的線性關係因此盡可能地降低晶振頻率能夠有效地降低整機電流

但是降低晶振頻率往往會受到系統運行速度的制約需要綜合考慮各部分的工

作速度和整機資訊運算的速度來選擇一個合適的最小晶振頻率對於複雜演算

法對系統運行速度將有較高的要求同時考慮到串列通信串列傳輸速率的精確計

算我們最終確定石英振盪頻率為 12MHz可讓系統在快速的反應時間與極低

功率損耗下取得較佳的平衡因此當 WTPMS 發射機在供應電壓 3V 驅動石英

震盪器選擇 12MHz工作於一小時的時間下W78LE58 的運行電量損耗約為

45mAh

- 52 -

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

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[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

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Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

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測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

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October 2000

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2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

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• 目錄pdf
• 全論文pdf

圖 333 工作電流與晶振頻率成線性關係

圖 334 閒置電流與晶振頻率成線性關係

圖 335 功率下降電流與供電電壓成線性關係

- 53 -

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

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364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

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圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

2 電壓與 CPU 功耗成正比

從式（215）還可以看到降低 W78LE58 的供電電壓能夠成比例地降低功

耗由圖 1 可知選擇 3V 供電電壓要比 5V 供電電壓的功耗下降一半此外

除了慎選好低電壓低功率的微控制器外其他硬體 IC 零件部分如壓力溫

度感測器編碼器及無線發射器也須選擇低電壓純 CMOS 製程的型號眾

觀上述使系統維持在極低功率損耗下即能有效延長電池壽命吾人選擇的器

件全部均可在工作電壓 24～60V 正常執行最終確定工作電壓為 3V將由單

一 3V 高功率型的鋰電池來供給此外值得一提的是33V 也是一個較好的選

擇因為 33V 是 W78LE58 線上編程（ISP）的電壓下降ISP 是一個很有價值

的功能並且 33V 電壓一也較容易達到正常工作電壓

3 週邊器件的合理使用

減少週邊器件的使用是 WTPMS 類產品降低功耗減小體積的積極辦法但

這要視系統可行性而定並需要軟體的配合例如使用 W78LE58 內部 32KB

程式記憶體空間對 WTPMS 的系統非常充足可以不使用外部程式記憶體善

用好 W78LE58 內部 RAM可以節省外部 RAM 和定址電路這需要對軟體很仔

細地規劃

由於週邊器件的使用不是很頻繁所以要選擇帶片選功能的週邊器件 不

使用它們時進入低功耗模式電子電路部分降低零件漏電流產生如用積層電

容取代鋁質電容等靜態消耗電流部分值得考慮

不可小視 CMOS 器件未使用的輸入口一個懸空的輸入端不但可能因為其

高輸入阻抗而感應電荷損壞器件而且可能造成不斷喚醒 CPU不能進入掉

電模式假如輸入口感應到較高頻率的信號增加的電流甚至高達 20mA這一

結論從公式（213）的理論和開實踐都可以驗證正確的處理辦法是將未使用的

輸入接到 Vcc 或接地

- 54 -

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

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• 全論文pdf

364 WTPMS 發射機電池壽命

WTPMS 發射機的工作項目有三種主要功能測量處理數據和無線傳輸

電池壽命算法的效率將與時間相關系統設計員必須弄清以下問題

1 氣壓和溫度的測量頻率是多少

2 是否需要對氣壓和溫度兩個參數都進行測量還是其中一個參數的測量頻率

要高於另外一個

3 無線數據發送的頻率是多少

4 是否需要溫度補償功能

5 若需要是在輪胎端還是在接收器端部署

經由上述討論我們可以發現當輪胎模塊執行計算的次數越多電池壽命將

越短至於發射模組要比其他任何電子零件部分更快地消耗電池能量因此經常

傳輸較短的數據通常有助於延長電池壽命

此外為確保在任何惡劣的環境下都能使數據到達中央接收器輪胎模塊應

可多次發送信號為了避免由於發射封包衝突造成的數據丟失一種智能算法可

以盡可能地避免多個輪胎模塊同時發送數據時發生的數據衝突模塊應在每個數

據值之間在隨機時間間隔內發送多個數據值而不是一個數據值這將大大降

低數據丟失的可能性但也將縮短電池的使用壽命並增加接收器軟體的複雜性

欲在良好的接收情況與有效省電中作一抉擇並非容易因此在魚與熊掌難

以兼顧下吾人提出理想的折衷辦法是每一輪胎模塊於每隔 4～6 分鐘時隨機

偵測一次壓力與溫度值間隔發送並壓縮發射時間至 2 Sec

以 CRAA 的電池電量為 2000mAh 來說發射機工作電流為 15mA待機電

流為 50uA以一天工作時間 6 小時來計算6 小時工作時間中系統並非全為

全速前進是以平均每隔 5 分鐘去偵測一次壓力與溫度值間發射時間至 2 Sec

來算其餘時間為系統待機時間計算式如下

- 55 -

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

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44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

工作電流15 (mA)

一天實際工作時間144 (sec) 3600 (sec hour) =004 (hour)

待機電流5 0 (uA)

一天待機時間約24 (hour)

工作一天功率損耗15 (mA) 004 (hour) = 06 (mAh)

待機一天功率損耗 005 (mA) 24 (hour) = 12 (mAh)

因此一天功率損耗06 (mAh) + 12 (mAh) =18 (mAh)

以電池電量為 2000 (mAh)除以一天功率損耗 18 (mAh)為 1111 天需再乘上

電池放電不完全效應的安全係數 08為 1111 08 =888 天因此本系統將有兩

年多壽命

- 56 -

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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• 全論文pdf

第四章 系統軟硬體設計流程

41 發射機流程圖

圖 41 發射機主程式

- 57 -

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

圖 42 發射機外部中斷 0 服務程式

- 58 -

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

圖 43 壓力量測流程圖 圖 44 溫度量測流程圖

- 59 -

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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• 全論文pdf

圖 45 成功近似法流程圖

- 60 -

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

圖 46 輪胎編碼流程圖

- 61 -

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

42 中央接收機流程圖

圖 47 中央接收機主程式

- 62 -

圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖 48 接收機對各輪胎辨識

- 63 -

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
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• 全論文pdf

顯示輪胎資訊Start

PTPressure Temperature

Safe

判斷胎壓值 判斷胎溫值

公英

SafeLED警示亮 LED警示亮

公英

kPa psi Cdeg Fdeg

LCD Display

RET

0 1 0 1

Yes

No No

Yes

圖 49 人機介面顯示公英制單位切換

- 64 -

43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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43 發射機硬體線路圖

圖 410 發射機硬體線路圖

- 65 -

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
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• 全論文pdf

圖 411 左前輪發射機實圖

圖 412 右前輪發射機實圖

- 66 -

圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖 413 左後輪發射機實圖

圖 414 右後輪發射機實圖

- 67 -

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

• 封面pdf
• 目錄pdf
• 全論文pdf

44 中央接收機硬體線路圖

圖 415 中央接收機硬體線路圖

- 68 -

圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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圖 416 中央接收機實圖

圖 417 WTPMS 系統全圖

- 69 -

第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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第五章 結論與未來展望

51 結論與討論

本研究主要在於開發出一符合國外市售性能標準的無線胎壓監測系統藉由

國人大量生產以降低成本無線胎壓感測系統為近年來一項實際且熱門的產品

不論國內外都有其相關研究但國內仍處與開發階段不如國外的多

根據美國 NHTSA 公佈的最後法規2003 年 11 月到 2006 年 10 月 31 日期

間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入裝設無線胎壓感測系統（WTPMS）來提

高汽車的安全所以WTPMS 投產勢在必行但考慮到投產前的時間太短因

此許多國外公司都著手生產一種簡單的系統它可以滿足 NHTSA 的要求

WTPMS 的商機在不久的將來會發展成為一個大規模市場為了促進快速的產

品開發我們提出了直接 WTPMS 系統雖然該系統簡單且組件成本也低但卻

符合 NHTSA 法規中的所有要求系統包括一個裝備在四個輪胎中的傳感器發

射器模塊和一個中央接收器

鑒于如此大的市場潛力許多公司加緊推出直接 WTPMS 解決方案因為

NHTSA 的要求目前只适用於輕型車輛而不包括大型車輛所以客車和輕型卡

車的發展空間最多

由於本論文所研究技術正應用於國外上市中的無線胎壓感測系統所能覓得

之相關參考資料甚少或有所保留吾人僅可從現有市售產品中得知其概念並無法

窺探全貌目前台灣更沒有從事此類相關的研究本文完成後預備在相關會議

與期刊發表論文一到兩篇提供相關領域研究人員一參考範例及入門台灣的汽

車製造業從以往的汽車零組件組裝到現在的零件開發腳步總是落後歐美或是日

本等工業大國本研究有鑑於此擬自行開發出無線胎壓感測系統期能降低生

產成本與結合國人電子技術工業之優勢並在此一技術發展成熟後打入國際市

場以期與世界各國一較長短

目前已完成無線胎壓感測系統電路設計及進行佈線封裝自製無線胎壓感

- 70 -

測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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測系統性能與國外廠商所生產之成品性能相差無幾甚且系統壽命效果更具良好

之特性但成本上受限於選用之數位式壓力感測器係 Motorola 公司所生產故

價格與國外廠商販售之成品相若因此降低成本便為往後續行研究之重要目標

使其達到國外市售無線胎壓感測系統要求之規格

52 未來研究

WTPMS這樣一個系統包括四個或五個(取決於備胎是否裝備傳感器)輪胎

模塊和一個中央接收器模塊輪胎模塊由壓力傳感器溫度傳感器 (需要考慮理

想氣体定律 PV = nRT)控制模塊(如 MCS 或 MCU)發射器和天線以及電池

組成一個簡單的接收器模塊由一根中央天線一個接收器 IC 和一個與車輛其

餘部分相連接的接口組成通用接口包括控制器局域網絡(CAN)接口該接口通

常裝備在車輛的車身控制器內數據由車身控制器處理當輪胎壓力低時它可

以用來向司機提出警告將來後進也可以朝測試平台或加強系統更多的外部功

能如

1 加入雙向 24GHz 的無線收發模組將使得溝通更加流暢特別是可以

對於停車省電部分作了加強

2 替換省電型微控制器德州儀器 TI 出的 MSP430 系列目前世界上最

省電的 16 位元微控制器於工作電流不到 300uA

3 開發一套包含壓力溫度轉速的平台讓系統可以在更趨近於真實輪

胎的環境下測試已達將來系統量產化時產品的穩定

4 啟動發射的低頻(LF)探測器使模塊不僅僅作為發射器還可以作為收

發器使用

5 慣性開關或無內置電池的電源如使用壓電晶體利用輪胎轉動產生離

心力的關係在行車時將開關打開或直接產生電壓

6 接收器模塊中提供 LF 信號啟動格式向每個輪胎提供自動輪胎定位

- 71 -

無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

- 74 -

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無線傳輸行之有年未來將會是一大開發市場而此技術目前已多有運用於

生活當中如藍芽技術即是一例引進藍芽技術於無線傳輸系統而藍芽裝置運

作於 24GHz屬於全球都可用免費的工業科技及醫學(Industrial Scientific and

Medical簡稱 ISM)頻帶的範圍內所以當有許多使用者及干擾源共用這個頻譜

時藍芽就使用了跳頻(Frequency Hopping)短資料封包(Short Data Packets)等的

技術來克服也就是說在每一個資料封包傳送完後兩端的裝置將其無線電調至

不同頻率有效地從一個頻道跳到另一個頻道並且如果在某一頻道傳送資料失

敗時則重送的資料總是在另一個不同頻道上傳送每個藍芽時槽為 625uS而

每傳送一個封包就跳頻一次每個封包可能占了一個三個或五個時槽為了低

功率可攜應用無線電功率必須最小化藍芽定義三種不同的功率提供的操作

範圍約 10 公尺20 公尺及 100 公尺最低功率最大傳輸距離 10 公尺藍芽將

可用以建構個人區域網路(Personal Area Network簡稱 PAN)是一種封閉範圍

的無線網路不用在連結插入安裝及設定任何東西經由一個到處都有的

標準通訊子系統這些設備將可以彼此通訊達到隨時監測每個輪胎的壓力溫

度變化

- 72 -

參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

- 73 -

October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

Manu-facturers Association ldquoTire and Auto Safetyrdquo March 2001

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參考文獻

[1] 高義軍 現代汽車電子學 全華科技圖書股份有限公司 2001

[2] 陳俊義 應用無線傳輸於重型車輛載重之自動量測碩士論文 交通大學機械

工程學系碩士班 2002

[3] 楊陳端 集群無線電通訊系統無線數據機料傳輸之研究碩士論文 逢甲大學

自動控制工程研究所 1998

[4] Department of Transportation--National Highway Traffic Safety Administration

ldquoFinal Rule for Tire Pressure Monitoring Systemsrdquo Docket No NHTSA

2000-8572 2000

[5] SmarTire Inc ldquoFull Function Display Userrsquos Manualrdquo SmarTire Inc 2001

[6] National Highway Traffic Safety Administration ldquoAn Evaluation of Exciting Tire

Pressure Monitoring Systemsrdquo DOT HS 809 297 July 2001

[7] [Online] Available wwwpcautocomcnplaycarqcyp10208810html

[8] A Pohl G Ostermayer L Reind F Seifertranz ldquoWireless Measurement of Tyre

Pressure Using Passive SAW Sensorsrdquo Proceedings Sensor vol 1 pp89-94

1997

[9] A Pohl F Seifert L Reind G Scholl T Ostertag2 W Pietschl ldquoRadio Signals for SAW

ID Tags and Sensors in Strong Electromagnetic Interferencerdquo IEEE Ul-

trasonics Symposium pp 195-198 1994

[10] [Online] Available wwwsensorsmagcomarticles110140mainshtml

[11] Motorola Inc ldquoMPXY8000 Series Tire Pressure Monitoring Sensorsrdquo

Mo-torola Inc BR1564D REV 2 2002

[12] Motorola Inc ldquoSemiconductor Technical Data-- MPXY8020A 壓力與溫度感

測器 Seriesrdquo Motorola Inc 2001

[13] Atmel Inc ldquoUHF ASKFSK ReceivermdashU3741BMrdquo Atmel Inc Rev A2 12th

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October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

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October 2000

[14] Jeremy Everard Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators

全華科技圖書股份有限公司 1998

[15] P M Shanka Introduction to Wireless Systems 全華科技圖書股份有限公司

2001

[16] [Online] Available wwwrmaorgtiresafetyauto_safety_factshtml Rubber

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