綜合CAN和LIN通信功能的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

引言

本文通過(guò)TPMS在國(guó)外某車(chē)型上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，詳細(xì)介紹TPMS軟硬件設(shè)計(jì)方法。本方案中綜合了CAN、LIN總線的設(shè)計(jì)，滿足了TPMS在實(shí)際應(yīng)用中的整車(chē)布線要求，并與整車(chē)總線集成，真正實(shí)現(xiàn)了TPMS的系統(tǒng)化、智能化。

項(xiàng)目需求分析及TPMS系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

TPMS的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)，需要更多關(guān)注其應(yīng)用環(huán)境——汽車(chē)本身，從TPMS的安裝、布線、功能、性能、通信、干擾等方面來(lái)分析，從而明確TPMS的設(shè)計(jì)要求，確定其技術(shù)方案。

TPMS技術(shù)需求分析

根據(jù)車(chē)輛具體環(huán)境，對(duì)TPMS的特殊技術(shù)要求分析如下：

a) 射頻信號(hào)傳輸是TPMS系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)輪胎內(nèi)發(fā)射信號(hào)要傳輸?shù)杰?chē)內(nèi)接收系統(tǒng)時(shí)，首先輪胎要造成信號(hào)衰減，其次車(chē)輛本身的金屬殼體相當(dāng)于一個(gè)屏蔽盒，這樣會(huì)造成TPMS信號(hào)很不穩(wěn)定。特別在此項(xiàng)目中針對(duì)的高端車(chē)型，車(chē)輛對(duì)射頻信號(hào)的影響更大。

b) 輪胎內(nèi)的胎壓傳感模塊是TPMS設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容，由于輪胎內(nèi)惡劣的應(yīng)用環(huán)境，使其設(shè)計(jì)面臨諸多難點(diǎn)。

c)在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，原車(chē)具有1Mbps高速CAN的通信功能，因此TPMS必須與整車(chē)的CAN總線集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息化、智能化控制。

TPMS應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

TPMS系統(tǒng)包含：四個(gè)胎壓傳感模塊、一個(gè)ECU主控模塊、兩個(gè)射頻數(shù)字天線模塊以及CAN/LIN通訊線材。其信息處理及傳輸過(guò)程如圖1所示。

圖1 TPMS信號(hào)處理流程

基于NPX1傳感芯片的發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

傳感模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

NPX是高精度傳感器和低功耗單片機(jī)的集成芯片，是應(yīng)用于TPMS的專(zhuān)用芯片，具有功能完善、性能可靠、應(yīng)用靈活等顯著優(yōu)點(diǎn)。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎壓力/溫度的測(cè)量、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)的計(jì)算和校準(zhǔn)、數(shù)字信號(hào)編碼輸出等過(guò)程。

T5754是高增益輸出的射頻芯片，通過(guò)不同的外圍電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)ASK/FSK調(diào)制信號(hào)。外部晶振Y1為該芯片提供基準(zhǔn)頻率，不同的頻率經(jīng)過(guò)32倍頻后，可以實(shí)現(xiàn)315MHz或434MHz的射頻信號(hào)。

圖 2是胎壓傳感模塊的原理圖，軟件設(shè)置P14作為數(shù)據(jù)流輸出端口，數(shù)據(jù)流的高低電平不斷切換開(kāi)集電極三極管Q1的導(dǎo)通和閉合，而達(dá)到對(duì)晶振Y1負(fù)載電容 C7||C8的容值改變，由此影響晶振的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)FSK的調(diào)制功能。另外電路中的C1、L1、R1相并聯(lián)，組成低頻接口，專(zhuān)用于接收125kHz的低頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)胎壓傳感的主動(dòng)喚醒，從而進(jìn)行功能檢測(cè)或雙向通信。

圖2 傳感模塊原理圖

傳感模塊固件程序設(shè)計(jì)

傳感模塊的固件程序設(shè)計(jì)主要圍繞省電和可靠性設(shè)計(jì)。針對(duì)TPMS的特殊應(yīng)用，NPX具有ITOV、LTOV、LF WUP等中斷功能，這樣可以使整個(gè)發(fā)射模塊在大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只有當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，才處于短暫的工作狀態(tài)。

圖 3為固件程序流程圖。ITOV為4s定時(shí)中斷主線工作流程，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，可以4s的間隔采樣輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度等輪胎信息的無(wú)線發(fā)送;LTOV為200µs的定時(shí)中斷，當(dāng)ITOV和LTOV配合工作進(jìn)行低頻窗口的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)每4s打開(kāi)一次200µs的低頻窗口，等待低頻信號(hào)的喚醒，這樣可以極大地降低整個(gè)傳感模塊的功耗;WUP為低頻信號(hào)喚醒中斷，當(dāng)外部設(shè)備發(fā)送125kHz的低頻信號(hào)時(shí)，傳感模塊將被喚醒，接收低頻數(shù)據(jù)，并根據(jù)低頻命令發(fā)送射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備對(duì)傳感模塊的檢測(cè)。另外該低頻功能也被應(yīng)用于TPMS的雙向通信中，可實(shí)現(xiàn)TPMS接收模塊對(duì)傳感模塊的主動(dòng)查詢(xún)。

圖3 傳感模塊程序流程

綜合CAN和LIN的TPMS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本 TPMS接收系統(tǒng)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性，尤其對(duì)射頻數(shù)字天線的設(shè)計(jì)，一定要設(shè)計(jì)者對(duì)具體車(chē)輛的無(wú)線電傳輸環(huán)境做可靠的評(píng)估，從而決定LIN總線上的射頻數(shù)字天線的節(jié)點(diǎn)數(shù)。另外根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，在LIN總線上擴(kuò)展四個(gè)低頻喚醒模塊，如4圖示藍(lán)色部分為L(zhǎng)IN總線上擴(kuò)展的模塊，分別安裝在輪胎附近，由ECU 主控模塊給四個(gè)低頻喚醒模塊發(fā)送命令，再由低頻喚醒模塊發(fā)送低頻信號(hào)激活輪胎內(nèi)的壓力傳感模塊，實(shí)現(xiàn)TPMS的雙向通信，達(dá)到ECU主控模塊對(duì)輪胎信息的主動(dòng)、實(shí)時(shí)查詢(xún)。

圖4 LIN總線擴(kuò)展圖

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，根據(jù)客戶需求和系統(tǒng)無(wú)線電環(huán)境，TPMS設(shè)計(jì)為單向傳輸系統(tǒng)，并在底盤(pán)的前后安裝兩個(gè)射頻數(shù)字天線。

ECU主控模塊硬件電路設(shè)計(jì)

如圖5為ECU 主控模塊原理設(shè)計(jì)圖。MC9S08DZ16是Freescale公司推出的一款高性能8位單片機(jī)，采用HCS08內(nèi)核，最高運(yùn)行頻率可達(dá)40MHz，具有CAN、LIN等豐富的設(shè)備資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送及整個(gè)系統(tǒng)的控制。

TJA1050是高速CAN收發(fā)器，最高可達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率;TJA1020是LIN收發(fā)器，速率可達(dá)20kbps。這兩個(gè)芯片都是Philips推出的總線驅(qū)動(dòng)芯片，具有很強(qiáng)的EMC性能和傳輸穩(wěn)定性。

在本模塊設(shè)計(jì)中，高速CAN的電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵步驟，它直接關(guān)系到TPMS與車(chē)輛系統(tǒng)之間通信的兼容性和可靠性，現(xiàn)將設(shè)計(jì)要點(diǎn)歸納如下：

a) PCB設(shè)計(jì)：在高速CAN的應(yīng)用中，PCB設(shè)計(jì)中對(duì)CAN元器件的布線是至關(guān)重要的，一方面要保證高速CAN的傳輸線盡量短、布線緊湊、分布電容小，以減小回路面積，增強(qiáng)抗干擾性能;另一方面要保證高速信號(hào)的流暢性，避免布線走彎和交叉，容易引起信號(hào)的串?dāng)_和不穩(wěn)定。實(shí)踐證明，布線合理的PCB不但信號(hào)穩(wěn)定而且傳輸距離也很遠(yuǎn)。

b) 負(fù)載匹配：CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)和總線的負(fù)載匹配是很重要的指標(biāo)，特別針對(duì)高速CAN的設(shè)計(jì)更應(yīng)該關(guān)注。TPMS作為汽車(chē)系統(tǒng)中CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其負(fù)載設(shè)計(jì)必須充分考慮系統(tǒng)總線的設(shè)計(jì)要求。

c) 傳輸率的配置：CAN信號(hào)傳輸中每個(gè)Bit都由三個(gè)部分組成，分別為SYNC_SEG、T_SEG1、T_SEG2，我們必須兼顧傳輸率、采樣點(diǎn)等系統(tǒng)要求對(duì)CAN控制器進(jìn)行合理的寄存器配置。

在本系統(tǒng)中如圖5，選擇外部晶振Y1給CAN控制器提供fcanclk=8MHz的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)寄存器分別配置SYNC_SEG=1、T_SEG1=4、T_SEG2=3，總線預(yù)分頻 Prescale Value="1"。

CAN總線的速率

采樣點(diǎn)

圖5 ECU主控模塊原理圖

d) CAN總線仿真和測(cè)試：當(dāng)CAN總線的軟硬件設(shè)計(jì)完成后，基本的功能、性能仿真和測(cè)試是必要的過(guò)程。在此項(xiàng)目中，采用了Kvaser CAN總線診斷工具進(jìn)行仿真測(cè)試，可以模擬被測(cè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)路上其他CAN節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，實(shí)時(shí)跟蹤C(jī)AN總線上的數(shù)據(jù)傳輸。另外可以通過(guò)該診斷工具隨機(jī)向CAN總線發(fā)送干擾數(shù)據(jù)流，測(cè)試CAN總線上的數(shù)據(jù)可靠性。

如圖6示為CAN工具的數(shù)據(jù)仿真測(cè)試。其中紅線標(biāo)注的數(shù)據(jù)幀0x343、 0x344、0x345為T(mén)PMS的ECU主控模塊向車(chē)輛系統(tǒng)發(fā)送的輪胎信息及TPMS系統(tǒng)狀態(tài)信息;藍(lán)線標(biāo)注的數(shù)據(jù)幀0x1A0是模擬車(chē)輛系統(tǒng)向 TPMS發(fā)送的車(chē)速信息;其他數(shù)據(jù)幀為仿真器在總線上隨機(jī)發(fā)送的干擾數(shù)據(jù)幀。

圖6 CAN總線仿真測(cè)試圖

射頻數(shù)字天線的硬件電路設(shè)計(jì)

射頻數(shù)字天線原理如圖7示，主要由射頻接收芯片、單片機(jī)、LIN收發(fā)芯片組成。MC33594是一個(gè)具有自動(dòng)增益控制的高靈敏度的OOK/FSK接收芯片，主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的接收和解調(diào)，并通過(guò)SPI接口以中斷的方式將數(shù)據(jù)傳輸給MC9S08SG8單片機(jī)，該單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后組成LIN數(shù)據(jù)包，當(dāng)LIN總線上有主機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，LIN數(shù)據(jù)包將會(huì)通過(guò)TJA1020被發(fā)送到LIN總線上。

圖7 射頻數(shù)字天線原理圖

LIN 總線的報(bào)文幀由報(bào)文頭和響應(yīng)場(chǎng)組成，波形分析圖如圖8所示。報(bào)文頭由主機(jī)發(fā)送，包括了一個(gè)同步間隔場(chǎng)、一個(gè)同步場(chǎng)和一個(gè)標(biāo)識(shí)符場(chǎng)，其中標(biāo)識(shí)符場(chǎng)就是主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的事件命令。從機(jī)接收到該命令后根據(jù)協(xié)議規(guī)定發(fā)送或接收8字節(jié)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和，就構(gòu)成了響應(yīng)場(chǎng)。由此，完成主機(jī)對(duì)每個(gè)從機(jī)的逐一訪問(wèn)和信息傳遞。

圖8 LIN數(shù)據(jù)波形分析圖

LIN總線是一個(gè)單主機(jī)多從機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)的LIN總線設(shè)計(jì)中，主要實(shí)現(xiàn)ECU主控模塊(主機(jī))對(duì)兩個(gè)射頻數(shù)字天線(從機(jī))的配置和對(duì)輪胎數(shù)據(jù)的讀取。如圖9為L(zhǎng)IN總線上的信息事件的觸發(fā)工作圖。

圖9 LIN總線事件觸發(fā)圖

TPMS接收系統(tǒng)的固件程序設(shè)計(jì)

如圖10和11分別為射頻數(shù)字天線和ECU主控模塊的固件程序流程圖。射頻數(shù)字天線主要以SPI中斷方式接收射頻數(shù)據(jù)，并以LIN請(qǐng)求中斷的方式發(fā)送LIN 數(shù)據(jù)幀。ECU主控模塊以定時(shí)查詢(xún)的方式工作：每隔1s主動(dòng)發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀;每隔2s主動(dòng)查詢(xún)射頻數(shù)字天線的數(shù)據(jù);每隔30s主動(dòng)檢測(cè)TPMS系統(tǒng)的內(nèi)部故障。另外ECU主控模塊可以中斷方式接收CAN總線上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)TPMS之發(fā)射模塊ID的注冊(cè)、參數(shù)設(shè)置及車(chē)輛信息共享等功能。

圖10 射頻數(shù)字天線流程圖

圖11 射頻數(shù)字天線流程圖

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

TPMS 設(shè)計(jì)是可靠性要求非常高的汽車(chē)安全系統(tǒng)，必須從失效分析的角度制定嚴(yán)格而科學(xué)的可靠性驗(yàn)證計(jì)劃，包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)耐久性跑車(chē)測(cè)試。如圖12為T(mén)PMS 安裝在國(guó)外某款車(chē)上進(jìn)行耐久跑車(chē)時(shí)，采用CAN分析儀對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集、跟蹤的報(bào)告，四個(gè)不同顏色的曲線分別代表了車(chē)輛在運(yùn)行中每個(gè)輪胎的氣壓變化，由圖可知，TPMS系統(tǒng)能夠非常準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測(cè)輪胎氣壓。

圖12 TRMS系統(tǒng)跑車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)跟蹤圖

結(jié)語(yǔ)

本文以客戶需求為導(dǎo)向，闡述了一種可靠的TPMS技術(shù)方案，并從系統(tǒng)分析、方案構(gòu)建、模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、項(xiàng)目驗(yàn)證等典型應(yīng)用過(guò)程，詳細(xì)介紹了TPMS的設(shè)計(jì)思路和步驟。該系統(tǒng)雖然布局復(fù)雜、模塊眾多，但徹底解決了TPMS無(wú)線信號(hào)不穩(wěn)定的嚴(yán)重失效問(wèn)題，根據(jù)車(chē)輛環(huán)境的具體要求，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效裁減或擴(kuò)展，以滿足不同車(chē)型的靈活設(shè)計(jì)。然而TPMS的設(shè)計(jì)畢竟是復(fù)雜的過(guò)程，特別在不同汽車(chē)環(huán)境的應(yīng)用中，尚面臨許多問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究，使TPMS更加可靠、智能化地應(yīng)用于汽車(chē)安全中。