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

引言

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

項目需求分析及TPMS系統(tǒng)方案設(shè)計

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

TPMS技術(shù)需求分析

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

a) 射頻信號傳輸是TPMS系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)輪胎內(nèi)發(fā)射信號要傳輸?shù)杰噧?nèi)接收系統(tǒng)時，首先輪胎要造成信號衰減，其次車輛本身的金屬殼體相當(dāng)于一個屏蔽盒，這樣會造成TPMS信號很不穩(wěn)定。特別在此項目中針對的高端車型，車輛對射頻信號的影響更大。

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

c)在本項目設(shè)計中，原車具有1Mbps高速CAN的通信功能，因此TPMS必須與整車的CAN總線集成，實現(xiàn)系統(tǒng)的信息化、智能化控制。

TPMS應(yīng)用方案設(shè)計

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

圖1 TPMS信號處理流程

基于NPX1傳感芯片的發(fā)射模塊設(shè)計

傳感模塊的硬件電路設(shè)計

NPX是高精度傳感器和低功耗單片機的集成芯片，是應(yīng)用于TPMS的專用芯片，具有功能完善、性能可靠、應(yīng)用靈活等顯著優(yōu)點。主要實現(xiàn)對輪胎壓力/溫度的測量、信號放大、A/D轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)的計算和校準(zhǔn)、數(shù)字信號編碼輸出等過程。

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

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集電極三極管Q1的導(dǎo)通和閉合，而達(dá)到對晶振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，專用于接收125kHz的低頻信號，可以實現(xiàn)對胎壓傳感的主動喚醒，從而進行功能檢測或雙向通信。

圖2 傳感模塊原理圖

傳感模塊固件程序設(shè)計

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

圖 3為固件程序流程圖。ITOV為4s定時中斷主線工作流程，當(dāng)車輛運行時，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，實現(xiàn)對壓力、溫度等輪胎信息的無線發(fā)送;LTOV為200µs的定時中斷，當(dāng)ITOV和LTOV配合工作進行低頻窗口的打開和關(guān)閉時，可以實現(xiàn)每4s打開一次200µs的低頻窗口，等待低頻信號的喚醒，這樣可以極大地降低整個傳感模塊的功耗;WUP為低頻信號喚醒中斷，當(dāng)外部設(shè)備發(fā)送125kHz的低頻信號時，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，實現(xiàn)外部設(shè)備對傳感模塊的檢測。另外該低頻功能也被應(yīng)用于TPMS的雙向通信中，可實現(xiàn)TPMS接收模塊對傳感模塊的主動查詢。

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

本 TPMS接收系統(tǒng)具有很強的系統(tǒng)擴展性，尤其對射頻數(shù)字天線的設(shè)計，一定要設(shè)計者對具體車輛的無線電傳輸環(huán)境做可靠的評估，從而決定LIN總線上的射頻數(shù)字天線的節(jié)點數(shù)。另外根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，在LIN總線上擴展四個低頻喚醒模塊，如4圖示藍(lán)色部分為LIN總線上擴展的模塊，分別安裝在輪胎附近，由ECU 主控模塊給四個低頻喚醒模塊發(fā)送命令，再由低頻喚醒模塊發(fā)送低頻信號激活輪胎內(nèi)的壓力傳感模塊，實現(xiàn)TPMS的雙向通信，達(dá)到ECU主控模塊對輪胎信息的主動、實時查詢。

圖4 LIN總線擴展圖

在本項目設(shè)計中，根據(jù)客戶需求和系統(tǒng)無線電環(huán)境，TPMS設(shè)計為單向傳輸系統(tǒng)，并在底盤的前后安裝兩個射頻數(shù)字天線。

ECU主控模塊硬件電路設(shè)計

如圖5為ECU 主控模塊原理設(shè)計圖。MC9S08DZ16是Freescale公司推出的一款高性能8位單片機，采用HCS08內(nèi)核，最高運行頻率可達(dá)40MHz，具有CAN、LIN等豐富的設(shè)備資源，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送及整個系統(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。這兩個芯片都是Philips推出的總線驅(qū)動芯片，具有很強的EMC性能和傳輸穩(wěn)定性。

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

a) PCB設(shè)計：在高速CAN的應(yīng)用中，PCB設(shè)計中對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，增強抗干擾性能;另一方面要保證高速信號的流暢性，避免布線走彎和交叉，容易引起信號的串?dāng)_和不穩(wěn)定。實踐證明，布線合理的PCB不但信號穩(wěn)定而且傳輸距離也很遠(yuǎn)。