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

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TPMS的ECU主控模塊向車輛系統(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是模擬車輛系統(tǒng)向 TPMS發(fā)送的車速信息;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)耐久性跑車測(cè)試。如圖12為TPMS 安裝在國外某款車上進(jìn)行耐久跑車時(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)跑車測(cè)試數(shù)據(jù)跟蹤圖

結(jié)語

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無線信號(hào)不穩(wěn)定的嚴(yán)重失效問題，根據(jù)車輛環(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，以滿足不同車型的靈活設(shè)計(jì)。然而TPMS的設(shè)計(jì)畢竟是復(fù)雜的過程，特別在不同汽車環(huán)境的應(yīng)用中，尚面臨許多問題，還需進(jìn)一步研究，使TPMS更加可靠、智能化地應(yīng)用于汽車安全中。