綜合CAN和LIN通信功能的TPMS系統設計和應用

引言

本文通過(guò)TPMS在國外某車(chē)型上的設計和應用，詳細介紹TPMS軟硬件設計方法。本方案中綜合了CAN、LIN總線(xiàn)的設計，滿(mǎn)足了TPMS在實(shí)際應用中的整車(chē)布線(xiàn)要求，并與整車(chē)總線(xiàn)集成，真正實(shí)現了TPMS的系統化、智能化。

項目需求分析及TPMS系統方案設計

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

TPMS技術(shù)需求分析

根據車(chē)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系統中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。當輪胎內發(fā)射信號要傳輸到車(chē)內接收系統時(shí)，首先輪胎要造成信號衰減，其次車(chē)輛本身的金屬殼體相當于一個(gè)屏蔽盒，這樣會(huì )造成TPMS信號很不穩定。特別在此項目中針對的高端車(chē)型，車(chē)輛對射頻信號的影響更大。

b) 輪胎內的胎壓傳感模塊是TPMS設計中的核心內容，由于輪胎內惡劣的應用環(huán)境，使其設計面臨諸多難點(diǎn)。

c)在本項目設計中，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(xiàn)集成，實(shí)現系統的信息化、智能化控制。

TPMS應用方案設計

TPMS系統包含：四個(gè)胎壓傳感模塊、一個(gè)ECU主控模塊、兩個(gè)射頻數字天線(xiàn)模塊以及CAN/LIN通訊線(xiàn)材。其信息處理及傳輸過(guò)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)射模塊設計

傳感模塊的硬件電路設計

NPX是高精度傳感器和低功耗單片機的集成芯片，是應用于TPMS的專(zhuān)用芯片，具有功能完善、性能可靠、應用靈活等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。主要實(shí)現對輪胎壓力/溫度的測量、信號放大、A/D轉化、數據的計算和校準、數字信號編碼輸出等過(guò)程。

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

圖 2是胎壓傳感模塊的原理圖，軟件設置P14作為數據流輸出端口，數據流的高低電平不斷切換開(kāi)集電極三極管Q1的導通和閉合，而達到對晶振Y1負載電容 C7||C8的容值改變，由此影響晶振的諧振頻率，實(shí)現FSK的調制功能。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，可以實(shí)現對胎壓傳感的主動(dòng)喚醒，從而進(jìn)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計

傳感模塊的固件程序設計主要圍繞省電和可靠性設計。針對TPMS的特殊應用，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(xiàn)工作流程，當車(chē)輛運行時(shí)，可以4s的間隔采樣輪胎的壓力和溫度數據，并根據系統判斷，實(shí)現對壓力、溫度等輪胎信息的無(wú)線(xiàn)發(fā)送;LTOV為200µs的定時(shí)中斷，當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)現每4s打開(kāi)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(gè)傳感模塊的功耗;WUP為低頻信號喚醒中斷，當外部設備發(fā)送125kHz的低頻信號時(shí)，傳感模塊將被喚醒，接收低頻數據，并根據低頻命令發(fā)送射頻信號，實(shí)現外部設備對傳感模塊的檢測。另外該低頻功能也被應用于TPMS的雙向通信中，可實(shí)現TPMS接收模塊對傳感模塊的主動(dòng)查詢(xún)。

圖3 傳感模塊程序流程

綜合CAN和LIN的TPMS接收系統設計

本 TPMS接收系統具有很強的系統擴展性，尤其對射頻數字天線(xiàn)的設計，一定要設計者對具體車(chē)輛的無(wú)線(xiàn)電傳輸環(huán)境做可靠的評估，從而決定LIN總線(xiàn)上的射頻數字天線(xiàn)的節點(diǎn)數。另外根據系統設計需求，在LIN總線(xiàn)上擴展四個(gè)低頻喚醒模塊，如4圖示藍色部分為L(cháng)IN總線(xiàn)上擴展的模塊，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)送低頻信號激活輪胎內的壓力傳感模塊，實(shí)現TPMS的雙向通信，達到ECU主控模塊對輪胎信息的主動(dòng)、實(shí)時(shí)查詢(xún)。

圖4 LIN總線(xiàn)擴展圖

在本項目設計中，根據客戶(hù)需求和系統無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，TPMS設計為單向傳輸系統，并在底盤(pán)的前后安裝兩個(gè)射頻數字天線(xiàn)。

ECU主控模塊硬件電路設計

如圖5為ECU 主控模塊原理設計圖。MC9S08DZ16是Freescale公司推出的一款高性能8位單片機，采用HCS08內核，最高運行頻率可達40MHz，具有CAN、LIN等豐富的設備資源，實(shí)現對數據的接收、處理、發(fā)送及整個(gè)系統的控制。

TJA1050是高速CAN收發(fā)器，最高可達1Mbps的數據傳輸率;TJA1020是LIN收發(fā)器，速率可達20kbps。這兩個(gè)芯片都是Philips推出的總線(xiàn)驅動(dòng)芯片，具有很強的EMC性能和傳輸穩定性。

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

a) PCB設計：在高速CAN的應用中，PCB設計中對CAN元器件的布線(xiàn)是至關(guān)重要的，一方面要保證高速CAN的傳輸線(xiàn)盡量短、布線(xiàn)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(xiàn)走彎和交叉，容易引起信號的串擾和不穩定。實(shí)踐證明，布線(xiàn)合理的PCB不但信號穩定而且傳輸距離也很遠。