基于CAN總線的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)在重型車輛上的應用

引言

    TPMS在重型車輛上的應用在國內(nèi)外的汽車電子領(lǐng)域起步比較遲緩，事實上重型車輛由于載重量較大，發(fā)生爆胎的機率更高?，F(xiàn)在汽車安全產(chǎn)品種類繁多，以致相互通信復雜且資源浪費，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，提出一種全新的實現(xiàn)方法，以一個電控單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理取代以往多個汽車安全用品單獨控制，形成汽車安全電控系統(tǒng)。整個汽車安全電控系統(tǒng)由胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、倒車雷達裝置、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。其中重點介紹TPMS的實現(xiàn)原理。接收顯示部分的軟件由源碼公開的微型實時操作系統(tǒng)uCOS-II來管理，使整個系統(tǒng)的實時性，可靠性進一步提高。

1 方案選擇

    大卡車用TPMS的發(fā)射器可多至36個，因此后面幾十個輪子的信號都要接力和中轉(zhuǎn)，必須加信號轉(zhuǎn)發(fā)器，因為現(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擾的缺點。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，外部接線方便、靈活，且成本低，非常適合于中轉(zhuǎn)模塊的應用。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一共由三個功能模塊組成：射頻發(fā)射模塊、信號中轉(zhuǎn)節(jié)點、接收顯示主節(jié)點。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?。CAN采用短幀方式傳輸，傳輸時間短，受干擾概率小，可靠性高。同時有利于實時傳輸。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

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，提供這個單片機的工作時鐘，增強抗干擾能力。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[!--empirenews.page--]

    中轉(zhuǎn)模塊用于將從發(fā)射模塊接收到的信息進行處理并轉(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

    接收顯示模塊主芯片采用FREESCALE的16位單片機MC9S12DP256，具有5個CAN接口，2個串口，8路增強型定時器等豐富的內(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，上電進入系統(tǒng)初始化，完畢進入停機狀態(tài)。等待SP12T的定時喚醒中斷。 整個接收顯示關(guān)于TPMS部分一共四個任務(wù)，三個中斷。四個任務(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)，對應的任務(wù)優(yōu)先級分別為6，9，12，15。三個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)使用了一個信號量，兩個郵箱消息，兩個消息隊列，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，揚長避短。本系統(tǒng)完全實現(xiàn)胎壓監(jiān)測的所有功能，有著廣大的實際應用市場。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。