基于CAN總線的胎壓監測系統在重型車輛上的應用

TPMS在重型車輛上的應用在國內外的汽車電子領域起步比較遲緩，事實上重型車輛由于載重量較大，發生爆胎的機率更高。現在汽車安全產品種類繁多，以致相互通信復雜且資源浪費，本文就重型車輛上整合TPMS與汽車行駛記錄儀等汽車安全配件，提出一種全新的實現方法，以一個電控單元統一協調管理取代以往多個汽車安全用品單獨控制，形成汽車安全電控系統。整個汽車安全電控系統由胎壓監測系統、倒車雷達裝置、汽車行駛記錄儀等組成，所有裝置均掛接于CAN總線上，共享儀表盤顯示。其中重點介紹TPMS的實現原理。接收顯示部分的軟件由源碼公開的微型實時操作系統uCOS-II來管理，使整個系統的實時性，可靠性進一步提高。
1 方案選擇
大卡車用TPMS的發射器可多至36個，因此后面幾十個輪子的信號都要接力和中轉，必須加信號轉發器，因為現在的大卡車從后輪到駕駛室的距離在10米左右，半掛車更長，TPMS的發射功率如超過10dbm，那么整個產品和系統要受無線電管制委員會管制。信號中轉可采用兩種方法：一、無線收發，即通過無線方式接收發射模塊的射頻信號，然后又以無線方式傳輸給接收模塊。二、無線接收發射模塊的射頻信號，通過CAN總線傳輸給接收模塊。
無線收發方案，中轉模塊便于安裝，但是存在可靠性較低，模塊之間射頻信號容易相互串擾的缺點。相比于無線收發方案CAN總線傳輸有著較高的通訊速率又有非常高的可靠性；同時，外部接線方便、靈活，且成本低，非常適合于中轉模塊的應用。故本胎壓監測系統采用CAN總線中轉信號的方案。
2  TPMS系統結構

                          圖1  TPMS系統結構示意圖

TPMS一共由三個功能模塊組成：射頻發射模塊、信號中轉節點、接收顯示主節點。圖1所示為TPMS系統結構示意圖，發射模塊監測輪胎壓力、溫度、電池電量等信息，通過集成射頻芯片的RF2單片機將這些信息以電磁波的形式發送出來；中轉模塊將接收到的射頻信號處理并通過CAN總線傳給接收顯示模塊；接收顯示模塊一方面接收距離較短的兩個前輪發送的射頻信號，另一方面接收由中轉模塊通過CAN傳輸的輪胎壓力溫度等信號。CAN采用短幀方式傳輸，傳輸時間短，受干擾概率小，可靠性高。同時有利于實時傳輸。發射模塊安裝于輪胎外的氣門咀上，外面用金屬外殼加固。中轉模塊和接收顯示模塊分別安裝于遠離接收顯示模塊靠近輪胎附近的固定位置和駕駛室儀表盤上。

3 系統各功能模塊設計

3.1發射模塊

 
圖2  發射模塊的傳感器連接電路

發射模塊安裝在輪胎內，其測量檢測部分連接電路如圖2所示。傳感器采用Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SP12T，該芯片胎壓測量范圍為50～1400KPa，是一款專門為重型車設計的傳感器。SP12T內部集成了壓力傳感器、溫度傳感器和電壓傳感器，提供精確的輪胎狀態信息。908RF2使用內部振蕩器，提供這個單片機的工作時鐘，增強抗干擾能力。SP12T與908RF2之間通過SPI接口相連。908RF2內部集成發射芯片MC33493，使整板面積、成本降低，同時可靠性更高。發射采用曼徹斯特編碼方式，FSK的調制方式，發射頻率433.92MHz。
3.2中轉節點
 
中轉模塊用于將從發射模塊接收到的信息進行處理并轉發給接收模塊，起信號接力的作用。中轉模塊主要由接受芯片MC33594和帶CAN接口的成本低廉的單片機MC68HC908GZ16組成。33594將接收到的射頻號以SPI協議傳送格式傳送給GZ16，GZ16將數據信息以CAN協議的傳送格式傳送給接收模塊。

3.3接收顯示主節點

接收顯示模塊主芯片采用FREESCALE的16位單片機MC9S12DP256，具有5個CAN接口，2個串口，8路增強型定時器等豐富的內部外設，為系統的升級留下較大的空間。CAN0接口用于接收中轉模塊發送的信息。接收芯片MC33594接收距離較近的兩前輪的射頻信號，并解碼后以SPI傳輸協議送給MC9S12DP256。CAN接口芯片采用MAXIM公司的MAX3050, 為總線提供差分發射能力，為CAN控制器提供差分接收能力。

4  基于uCOS-II的軟件實現

發射模塊接收中轉模塊代碼量很少，軟件采用傳統的前后臺系統方式編寫，既節省時間又占用最小的內存。發射模塊的軟件主程序流程非常簡單，上電進入系統初始化，完畢進入停機狀態。等待SP12T的定時喚醒中斷。
整個接收顯示關于TPMS部分一共四個任務，三個中斷。四個任務包括MC33594配置任務，MC33594接收射頻數據任務，液晶顯示任務，串口發送數據任務，對應的任務優先級分別為6，9，12，15。三個中斷分別為串口接收中斷，CAN總線接收中斷，按鍵中斷。本系統使用了一個信號量，兩個郵箱消息，兩個消息隊列，用于任務間的通信。具體軟件流程如圖4所示。

                           
 
5 結論

本設計硬件上將可靠性高的CAN總線傳輸與直接式胎壓監測系統的無線傳輸結合，CAN傳輸避免了用無線中轉模塊引起的相互之間干擾問題。軟件上將傳統的前后臺系統的編程方式與可移植性好的嵌入式系統的編程方式結合，優勢互補，揚長避短。本系統完全實現胎壓監測的所有功能，有著廣大的實際應用市場。系統整體可靠性高，穩定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。

參考文獻：
1 Labrosse Jean J.MicroC/OS-II The Real-Time Kernel.
2 An Evaluation of Existing Tire Pressure Monitoring Systems   July 2001 NHTSA
3 Motorola Inc. AN1951/D Rev 1,05/2003
4邵貝貝.uCOS-II—源碼公開的實時嵌入式操作系統[M]. 中國電力出版社.2001年8月第二版
5顏重光.TPMS技術與發展趨勢.2005年8月