基于CAN總線的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)在重型車輛上的應(yīng)用

引言

    TPMS在重型車輛上的應(yīng)用在國內(nèi)外的汽車電子領(lǐng)域起步比較遲緩，事實(shí)上重型車輛由于載重量較大，發(fā)生爆胎的機(jī)率更高?，F(xiàn)在汽車安全產(chǎn)品種類繁多，以致相互通信復(fù)雜且資源浪費(fèi)，本文就重型車輛上整合TPMS與汽車行駛記錄儀等汽車安全配件，提出一種全新的實(shí)現(xiàn)方法，以一個(gè)電控單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理取代以往多個(gè)汽車安全用品單獨(dú)控制，形成汽車安全電控系統(tǒng)。整個(gè)汽車安全電控系統(tǒng)由胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、倒車?yán)走_(dá)裝置、汽車行駛記錄儀等組成，所有裝置均掛接于CAN總線上，共享儀表盤顯示。其中重點(diǎn)介紹TPMS的實(shí)現(xiàn)原理。接收顯示部分的軟件由源碼公開的微型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II來管理，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可靠性進(jìn)一步提高。

1 方案選擇

    大卡車用TPMS的發(fā)射器可多至36個(gè)，因此后面幾十個(gè)輪子的信號都要接力和中轉(zhuǎn)，必須加信號轉(zhuǎn)發(fā)器，因?yàn)楝F(xiàn)在的大卡車從后輪到駕駛室的距離在10米左右，半掛車更長，TPMS的發(fā)射功率如超過10dbm，那么整個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)要受無線電管制委員會管制。信號中轉(zhuǎn)可采用兩種方法：一、無線收發(fā)，即通過無線方式接收發(fā)射模塊的射頻信號，然后又以無線方式傳輸給接收模塊。二、無線接收發(fā)射模塊的射頻信號，通過CAN總線傳輸給接收模塊。

    無線收發(fā)方案，中轉(zhuǎn)模塊便于安裝，但是存在可靠性較低，模塊之間射頻信號容易相互串?dāng)_的缺點(diǎn)。相比于無線收發(fā)方案CAN總線傳輸有著較高的通訊速率又有非常高的可靠性；同時(shí)，外部接線方便、靈活，且成本低，非常適合于中轉(zhuǎn)模塊的應(yīng)用。故本胎壓監(jiān)測系統(tǒng)采用CAN總線中轉(zhuǎn)信號的方案。

2 TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

    TPMS一共由三個(gè)功能模塊組成：射頻發(fā)射模塊、信號中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)、接收顯示主節(jié)點(diǎn)。圖1所示為TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)射模塊監(jiān)測輪胎壓力、溫度、電池電量等信息，通過集成射頻芯片的RF2單片機(jī)將這些信息以電磁波的形式發(fā)送出來；中轉(zhuǎn)模塊將接收到的射頻信號處理并通過CAN總線傳給接收顯示模塊；接收顯示模塊一方面接收距離較短的兩個(gè)前輪發(fā)送的射頻信號，另一方面接收由中轉(zhuǎn)模塊通過CAN傳輸?shù)妮喬毫囟鹊刃盘枴AN采用短幀方式傳輸，傳輸時(shí)間短，受干擾概率小，可靠性高。同時(shí)有利于實(shí)時(shí)傳輸。發(fā)射模塊安裝于輪胎外的氣門咀上，外面用金屬外殼加固。中轉(zhuǎn)模塊和接收顯示模塊分別安裝于遠(yuǎn)離接收顯示模塊靠近輪胎附近的固定位置和駕駛室儀表盤上。

3 系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)

3.1發(fā)射模塊

圖2 發(fā)射模塊的傳感器連接電路

    發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，其測量檢測部分連接電路如圖2所示。傳感器采用Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SP12T，該芯片胎壓測量范圍為50～1400KPa，是一款專門為重型車設(shè)計(jì)的傳感器。SP12T內(nèi)部集成了壓力傳感器、溫度傳感器和電壓傳感器，提供精確的輪胎狀態(tài)信息。908RF2使用內(nèi)部振蕩器，提供這個(gè)單片機(jī)的工作時(shí)鐘，增強(qiáng)抗干擾能力。SP12T與908RF2之間通過SPI接口相連。908RF2內(nèi)部集成發(fā)射芯片MC33493，使整板面積、成本降低，同時(shí)可靠性更高。發(fā)射采用曼徹斯特編碼方式，F(xiàn)SK的調(diào)制方式，發(fā)射頻率433.92MHz。

3.2中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)

    中轉(zhuǎn)模塊用于將從發(fā)射模塊接收到的信息進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)給接收模塊，起信號接力的作用。中轉(zhuǎn)模塊主要由接受芯片MC33594和帶CAN接口的成本低廉的單片機(jī)MC68HC908GZ16組成。33594將接收到的射頻號以SPI協(xié)議傳送格式傳送給GZ16，GZ16將數(shù)據(jù)信息以CAN協(xié)議的傳送格式傳送給接收模塊。

3.3接收顯示主節(jié)點(diǎn)

    接收顯示模塊主芯片采用FREESCALE的16位單片機(jī)MC9S12DP256，具有5個(gè)CAN接口，2個(gè)串口，8路增強(qiáng)型定時(shí)器等豐富的內(nèi)部外設(shè)，為系統(tǒng)的升級留下較大的空間。CAN0接口用于接收中轉(zhuǎn)模塊發(fā)送的信息。接收芯片MC33594接收距離較近的兩前輪的射頻信號，并解碼后以SPI傳輸協(xié)議送給MC9S12DP256。CAN接口芯片采用MAXIM公司的MAX3050, 為總線提供差分發(fā)射能力，為CAN控制器提供差分接收能力。

4 基于uCOS-II的軟件實(shí)現(xiàn)

    發(fā)射模塊接收中轉(zhuǎn)模塊代碼量很少，軟件采用傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)方式編寫，既節(jié)省時(shí)間又占用最小的內(nèi)存。發(fā)射模塊的軟件主程序流程非常簡單，上電進(jìn)入系統(tǒng)初始化，完畢進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。等待SP12T的定時(shí)喚醒中斷。 整個(gè)接收顯示關(guān)于TPMS部分一共四個(gè)任務(wù)，三個(gè)中斷。四個(gè)任務(wù)包括MC33594配置任務(wù)，MC33594接收射頻數(shù)據(jù)任務(wù)，液晶顯示任務(wù)，串口發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，對應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級分別為6，9，12，15。三個(gè)中斷分別為串口接收中斷，CAN總線接收中斷，按鍵中斷。本系統(tǒng)使用了一個(gè)信號量，兩個(gè)郵箱消息，兩個(gè)消息隊(duì)列，用于任務(wù)間的通信。具體軟件流程如圖4所示。

5 結(jié)論

    本設(shè)計(jì)硬件上將可靠性高的CAN總線傳輸與直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸結(jié)合，CAN傳輸避免了用無線中轉(zhuǎn)模塊引起的相互之間干擾問題。軟件上將傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)的編程方式與可移植性好的嵌入式系統(tǒng)的編程方式結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，揚(yáng)長避短。本系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測的所有功能，有著廣大的實(shí)際應(yīng)用市場。系統(tǒng)整體可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。