綜合CAN和LIN通信功能的TPMS系統設計和應用

b) 負載匹配：CAN網(wǎng)絡(luò )設計中，節點(diǎn)和總線(xiàn)的負載匹配是很重要的指標，特別針對高速CAN的設計更應該關(guān)注。TPMS作為汽車(chē)系統中CAN網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)節點(diǎn)，其負載設計必須充分考慮系統總線(xiàn)的設計要求。

c) 傳輸率的配置：CAN信號傳輸中每個(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)等系統要求對CAN控制器進(jìn)行合理的寄存器配置。

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

CAN總線(xiàn)的速率

采樣點(diǎn)

圖5 ECU主控模塊原理圖

d) CAN總線(xiàn)仿真和測試：當CAN總線(xiàn)的軟硬件設計完成后，基本的功能、性能仿真和測試是必要的過(guò)程。在此項目中，采用了Kvaser CAN總線(xiàn)診斷工具進(jìn)行仿真測試，可以模擬被測節點(diǎn)與網(wǎng)路上其他CAN節點(diǎn)之間的信息交換，實(shí)時(shí)跟蹤CAN總線(xiàn)上的數據傳輸。另外可以通過(guò)該診斷工具隨機向CAN總線(xiàn)發(fā)送干擾數據流，測試CAN總線(xiàn)上的數據可靠性。

如圖6示為CAN工具的數據仿真測試。其中紅線(xiàn)標注的數據幀0x343、 0x344、0x345為TPMS的ECU主控模塊向車(chē)輛系統發(fā)送的輪胎信息及TPMS系統狀態(tài)信息;藍線(xiàn)標注的數據幀0x1A0是模擬車(chē)輛系統向 TPMS發(fā)送的車(chē)速信息;其他數據幀為仿真器在總線(xiàn)上隨機發(fā)送的干擾數據幀。

圖6 CAN總線(xiàn)仿真測試圖

射頻數字天線(xiàn)的硬件電路設計

射頻數字天線(xiàn)原理如圖7示，主要由射頻接收芯片、單片機、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，主要負責射頻信號的接收和解調，并通過(guò)SPI接口以中斷的方式將數據傳輸給MC9S08SG8單片機，該單片機將數據處理后組成LIN數據包，當LIN總線(xiàn)上有主機請求數據時(shí)，LIN數據包將會(huì )通過(guò)TJA1020被發(fā)送到LIN總線(xiàn)上。

圖7 射頻數字天線(xiàn)原理圖

LIN 總線(xiàn)的報文幀由報文頭和響應場(chǎng)組成，波形分析圖如圖8所示。報文頭由主機發(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)標識符場(chǎng)，其中標識符場(chǎng)就是主機發(fā)送給從機的事件命令。從機接收到該命令后根據協(xié)議規定發(fā)送或接收8字節數據和校驗和，就構成了響應場(chǎng)。由此，完成主機對每個(gè)從機的逐一訪(fǎng)問(wèn)和信息傳遞。

圖8 LIN數據波形分析圖

LIN總線(xiàn)是一個(gè)單主機多從機的網(wǎng)絡(luò )結構。在本系統的LIN總線(xiàn)設計中，主要實(shí)現ECU主控模塊(主機)對兩個(gè)射頻數字天線(xiàn)(從機)的配置和對輪胎數據的讀取。如圖9為L(cháng)IN總線(xiàn)上的信息事件的觸發(fā)工作圖。

圖9 LIN總線(xiàn)事件觸發(fā)圖

TPMS接收系統的固件程序設計

如圖10和11分別為射頻數字天線(xiàn)和ECU主控模塊的固件程序流程圖。射頻數字天線(xiàn)主要以SPI中斷方式接收射頻數據，并以L(fǎng)IN請求中斷的方式發(fā)送LIN 數據幀。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數據幀;每隔2s主動(dòng)查詢(xún)射頻數字天線(xiàn)的數據;每隔30s主動(dòng)檢測TPMS系統的內部故障。另外ECU主控模塊可以中斷方式接收CAN總線(xiàn)上的數據，實(shí)現對TPMS之發(fā)射模塊ID的注冊、參數設置及車(chē)輛信息共享等功能。

圖10 射頻數字天線(xiàn)流程圖

圖11 射頻數字天線(xiàn)流程圖

設計驗證

TPMS 設計是可靠性要求非常高的汽車(chē)安全系統，必須從失效分析的角度制定嚴格而科學(xué)的可靠性驗證計劃，包括實(shí)驗室測試和現場(chǎng)耐久性跑車(chē)測試。如圖12為T(mén)PMS 安裝在國外某款車(chē)上進(jìn)行耐久跑車(chē)時(shí)，采用CAN分析儀對CAN數據進(jìn)行連續采集、跟蹤的報告，四個(gè)不同顏色的曲線(xiàn)分別代表了車(chē)輛在運行中每個(gè)輪胎的氣壓變化，由圖可知，TPMS系統能夠非常準確可靠地監測輪胎氣壓。

圖12 TRMS系統跑車(chē)測試數據跟蹤圖

結語(yǔ)

本文以客戶(hù)需求為導向，闡述了一種可靠的TPMS技術(shù)方案，并從系統分析、方案構建、模塊設計、系統調試、項目驗證等典型應用過(guò)程，詳細介紹了TPMS的設計思路和步驟。該系統雖然布局復雜、模塊眾多，但徹底解決了TPMS無(wú)線(xiàn)信號不穩定的嚴重失效問(wèn)題，根據車(chē)輛環(huán)境的具體要求，可以對系統進(jìn)行有效裁減或擴展，以滿(mǎn)足不同車(chē)型的靈活設計。然而TPMS的設計畢竟是復雜的過(guò)程，特別在不同汽車(chē)環(huán)境的應用中，尚面臨許多問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究，使TPMS更加可靠、智能化地應用于汽車(chē)安全中。