综合CAN和LIN通信功能在TPMS系统的应用

 

　　随着工业经济的进步，汽车开始大量使用，公路和高速公路也日渐得到重视，并开始发展起来。美国现有公路总里程和高速公路里程长，已经形成了约 6.9万公里的州际高速公路网，公路已成为美国人日常生活必不可少的一部分。西欧各国和日本，公路网基础好，高速公路也逐步成网，公路运输一直为内陆运输的主力。作为发展中国家，中国高速公路通车总里程去年跃居世界第二位，目前总里程为2万公里，但因幅员辽阔，高速公路网的平均密度很低，路况相对来说也比较差。高速公路的速度和便利，改变了人们的时空观念，拉近了地域距离，改善了人们的生活方式。但是随之而来的高速公路恶性交通事故却令人震惊，已经引起世界各国的强烈关注和重视，并开始讨论或采取相应防范措施。

　　2001年7月，为响应美国国会对车辆安装TPMS 立法的要求，美国运输部和国家高速公路安全管理局（NHTSA）联合对现有的两种轮胎压力监测系统（TPMS）进行了评价，次将 TPMS 作为专用词汇，并确认直接式TPMS优越的性能和准确的监测能力。由此TPMS汽车轮胎智能监测系统作为汽车三大安全系统之一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统（ABS）一起被大众认可并受到应有的重视。

　　项目需求分析及TPMS系统方案设计

　　TPMS的设计是一个系统工程，除了产品本身的设计，需要更多关注其应用环境--汽车本身，从TPMS的安装、布线、功能、性能、通信、干扰等方面来分析，从而明确TPMS的设计要求，确定其技术方案。

　　TPMS技术需求分析

　　根据车辆具体环境，对TPMS的特殊技术要求分析如下：

　　a） 射频信号传输是TPMS系统中的一个关键技术。当轮胎内发射信号要传输到车内接收系统时，首先轮胎要造成信号衰减，其次车辆本身的金属壳体相当于一个屏蔽盒，这样会造成TPMS信号很不稳定。特别在此项目中针对的高端车型，车辆对射频信号的影响更大。

　　b） 轮胎内的胎压传感模块是TPMS设计中的内容，由于轮胎内恶劣的应用环境，使其设计面临诸多难点。

　　c）在本项目设计中，原车具有1Mbps高速CAN的通信功能，因此TPMS必须与整车的CAN总线集成，实现系统的信息化、智能化控制。

　　TPMS应用方案设计

　　TPMS系统包含：四个胎压传感模块、一个ECU主控模块、两个射频数字天线模块以及CAN/LIN通讯线材。其信息处理及传输过程如图1所示。

  图1 TPMS信号处理流程

                                                 
　　基于NPX1传感芯片的发射模块设计

　　传感模块的硬件电路设计

　　NPX是高传感器和低功耗单片机的集成芯片，是应用于TPMS的专用芯片，具有功能完善、性能可靠、应用灵活等显着优点。主要实现对轮胎压力/温度的测量、信号放大、A/D转化、数据的计算和校准、数字信号编码输出等过程。

　　T5754是高增益输出的射频芯片，通过不同的外围电路设计可以实现ASK/FSK调制信号。外部晶振Y1为该芯片提供基准频率，不同的频率经过32倍频后，可以实现315MHz或434MHz的射频信号。

　　图 2是胎压传感模块的原理图，软件设置P14作为数据流输出端口，数据流的高低电平不断切换开集电极三极管Q1的导通和闭合，而达到对晶振Y1负载电容 C7||C8的容值改变，由此影响晶振的谐振频率，实现FSK的调制功能。另外电路中的C1、L1、R1相并联，组成低频接口，专用于接收125kHz的低频信号，可以实现对胎压传感的主动唤醒，从而进行功能检测或双向通信。

  图2 传感模块原理图

                                                       

　　传感模块固件程序设计

　　传感模块的固件程序设计主要围绕省电和可靠性设计。针对TPMS的特殊应用，NPX具有ITOV、LTOV、LF WUP等中断功能，这样可以使整个发射模块在大部分时间处于休眠状态，只有当中断发生时，才处于短暂的工作状态。

　　图 3为固件程序流程图。ITOV为4s定时中断主线工作流程，当车辆运行时，可以4s的间隔采样轮胎的压力和温度数据，并根据系统判断，实现对压力、温度等轮胎信息的无线发送；LTOV为200μs的定时中断，当ITOV和LTOV配合工作进行低频窗口的打开和关闭时，可以实现每4s打开200μs的低频窗口，等待低频信号的唤醒，这样可以极大地降低整个传感模块的功耗；WUP为低频信号唤醒中断，当外部设备发送125kHz的低频信号时，传感模块将被唤醒，接收低频数据，并根据低频命令发送射频信号，实现外部设备对传感模块的检测。另外该低频功能也被应用于TPMS的双向通信中，可实现TPMS接收模块对传感模块的主动查询。

 

  图3 传感模块程序流程 

                                                 

　　综合CAN和LIN的TPMS接收系统设计

　　本 TPMS接收系统具有很强的系统扩展性，尤其对射频数字天线的设计，一定要设计者对具体车辆的无线电传输环境做可靠的评估，从而决定LIN总线上的射频数字天线的节点数。另外根据系统设计需求，在LIN总线上扩展四个低频唤醒模块，如4图示蓝色部分为LIN总线上扩展的模块，分别安装在轮胎附近，由ECU 主控模块给四个低频唤醒模块发送命令，再由低频唤醒模块发送低频信号激活轮胎内的压力传感模块，实现TPMS的双向通信，达到ECU主控模块对轮胎信息的主动、实时查询。

                                                                 图4 LIN总线扩展图
　　在本项目设计中，根据客户需求和系统无线电环境，TPMS设计为单向传输系统，并在底盘的前后安装两个射频数字天线。

　　ECU主控模块硬件电路设计

　　如图5为ECU 主控模块原理设计图。MC9S08DZ16是Freescale公司推出的一款高性能8位单片机，采用HCS08内核，运行频率可达40MHz,具有CAN、LIN等丰富的设备资源，实现对数据的接收、处理、发送及整个系统的控制。

　　TJA1050是高速CAN收发器，可达1Mbps的数据传输率；TJA1020是LIN收发器，速率可达20kbps.这两个芯片都是Philips推出的总线驱动芯片，具有很强的EMC性能和传输稳定性。

　　在本模块设计中，高速CAN的电路设计是关键步骤，它直接关系到TPMS与车辆系统之间通信的兼容性和可靠性，现将设计要点归纳如下：

　　a） PCB设计：在高速CAN的应用中，PCB设计中对CAN元器件的布线是至关重要的，一方面要保证高速CAN的传输线尽量短、布线紧凑、分布电容小，以减小回路面积，增强抗干扰性能；另一方面要保证高速信号的流畅性，避免布线走弯和交叉，容易引起信号的串扰和不稳定。实践证明，布线合理的PCB不但信号稳定而且传输距离也很远。

　　b） 负载匹配：CAN网络设计中，节点和总线的负载匹配是很重要的指标，特别针对高速CAN的设计更应该关注。TPMS作为汽车系统中CAN网络的一个节点，其负载设计必须充分考虑系统总线的设计要求。

　　c） 传输率的配置：CAN信号传输中每个Bit都由三个部分组成，分别为SYNC_SEG、T_SEG1、T_SEG2,我们必须兼顾传输率、采样点等系统要求对CAN控制器进行合理的寄存器配置。