基于CAN總線的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在重型車(chē)輛上的應(yīng)用

TPMS在重型車(chē)輛上的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)電子領(lǐng)域起步比較遲緩，事實(shí)上重型車(chē)輛由于載重量較大，發(fā)生爆胎的機(jī)率更高?，F(xiàn)在汽車(chē)安全產(chǎn)品種類繁多，以致相互通信復(fù)雜且資源浪費(fèi)，本文就重型車(chē)輛上整合TPMS與汽車(chē)行駛記錄儀等汽車(chē)安全配件，提出一種全新的實(shí)現(xiàn)方法，以一個(gè)電控單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理取代以往多個(gè)汽車(chē)安全用品單獨(dú)控制，形成汽車(chē)安全電控系統(tǒng)。整個(gè)汽車(chē)安全電控系統(tǒng)由胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、倒車(chē)?yán)走_(dá)裝置、汽車(chē)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(pán)顯示。其中重點(diǎn)介紹TPMS的實(shí)現(xiàn)原理。接收顯示部分的軟件由源碼公開(kāi)的微型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II來(lái)管理，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可靠性進(jìn)一步提高。
1 方案選擇
大卡車(chē)用TPMS的發(fā)射器可多至36個(gè)，因此后面幾十個(gè)輪子的信號(hào)都要接力和中轉(zhuǎn)，必須加信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，因?yàn)楝F(xiàn)在的大卡車(chē)從后輪到駕駛室的距離在10米左右，半掛車(chē)更長(zhǎng)，TPMS的發(fā)射功率如超過(guò)10dbm，那么整個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)要受無(wú)線電管制委員會(huì)管制。信號(hào)中轉(zhuǎn)可采用兩種方法：一、無(wú)線收發(fā)，即通過(guò)無(wú)線方式接收發(fā)射模塊的射頻信號(hào)，然后又以無(wú)線方式傳輸給接收模塊。二、無(wú)線接收發(fā)射模塊的射頻信號(hào)，通過(guò)CAN總線傳輸給接收模塊。
無(wú)線收發(fā)方案，中轉(zhuǎn)模塊便于安裝，但是存在可靠性較低，模塊之間射頻信號(hào)容易相互串?dāng)_的缺點(diǎn)。相比于無(wú)線收發(fā)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(shí)，外部接線方便、靈活，且成本低，非常適合于中轉(zhuǎn)模塊的應(yīng)用。故本胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用CAN總線中轉(zhuǎn)信號(hào)的方案。
2  TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

                          圖1  TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

TPMS一共由三個(gè)功能模塊組成：射頻發(fā)射模塊、信號(hào)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)、接收顯示主節(jié)點(diǎn)。圖1所示為T(mén)PMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)射模塊監(jiān)測(cè)輪胎壓力、溫度、電池電量等信息，通過(guò)集成射頻芯片的RF2單片機(jī)將這些信息以電磁波的形式發(fā)送出來(lái)；中轉(zhuǎn)模塊將接收到的射頻信號(hào)處理并通過(guò)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(gè)前輪發(fā)送的射頻信號(hào)，另一方面接收由中轉(zhuǎn)模塊通過(guò)CAN傳輸?shù)妮喬毫囟鹊刃盘?hào)。CAN采用短幀方式傳輸，傳輸時(shí)間短，受干擾概率小，可靠性高。同時(shí)有利于實(shí)時(shí)傳輸。發(fā)射模塊安裝于輪胎外的氣門(mén)咀上，外面用金屬外殼加固。中轉(zhuǎn)模塊和接收顯示模塊分別安裝于遠(yuǎn)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(pán)上。

3 系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)

3.1發(fā)射模塊

 
圖2  發(fā)射模塊的傳感器連接電路

發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，其測(cè)量檢測(cè)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(cè)量范圍為50～1400KPa，是一款專門(mén)為重型車(chē)設(shè)計(jì)的傳感器。SP12T內(nèi)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(tài)信息。908RF2使用內(nèi)部振蕩器，提供這個(gè)單片機(jī)的工作時(shí)鐘，增強(qiáng)抗干擾能力。SP12T與908RF2之間通過(guò)SPI接口相連。908RF2內(nèi)部集成發(fā)射芯片MC33493，使整板面積、成本降低，同時(shí)可靠性更高。發(fā)射采用曼徹斯特編碼方式，F(xiàn)SK的調(diào)制方式，發(fā)射頻率433.92MHz。
3.2中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)
 
中轉(zhuǎn)模塊用于將從發(fā)射模塊接收到的信息進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)給接收模塊，起信號(hào)接力的作用。中轉(zhuǎn)模塊主要由接受芯片MC33594和帶CAN接口的成本低廉的單片機(jī)MC68HC908GZ16組成。33594將接收到的射頻號(hào)以SPI協(xié)議傳送格式傳送給GZ16，GZ16將數(shù)據(jù)信息以CAN協(xié)議的傳送格式傳送給接收模塊。

3.3接收顯示主節(jié)點(diǎn)

接收顯示模塊主芯片采用FREESCALE的16位單片機(jī)MC9S12DP256，具有5個(gè)CAN接口，2個(gè)串口，8路增強(qiáng)型定時(shí)器等豐富的內(nèi)部外設(shè)，為系統(tǒng)的升級(jí)留下較大的空間。CAN0接口用于接收中轉(zhuǎn)模塊發(fā)送的信息。接收芯片MC33594接收距離較近的兩前輪的射頻信號(hào)，并解碼后以SPI傳輸協(xié)議送給MC9S12DP256。CAN接口芯片采用MAXIM公司的MAX3050, 為總線提供差分發(fā)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(shí)現(xiàn)

發(fā)射模塊接收中轉(zhuǎn)模塊代碼量很少，軟件采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)方式編寫(xiě)，既節(jié)省時(shí)間又占用最小的內(nèi)存。發(fā)射模塊的軟件主程序流程非常簡(jiǎn)單，上電進(jìn)入系統(tǒng)初始化，完畢進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。等待SP12T的定時(shí)喚醒中斷。
整個(gè)接收顯示關(guān)于TPMS部分一共四個(gè)任務(wù)，三個(gè)中斷。四個(gè)任務(wù)包括MC33594配置任務(wù)，MC33594接收射頻數(shù)據(jù)任務(wù)，液晶顯示任務(wù)，串口發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，對(duì)應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)分別為6，9，12，15。三個(gè)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(tǒng)使用了一個(gè)信號(hào)量，兩個(gè)郵箱消息，兩個(gè)消息隊(duì)列，用于任務(wù)間的通信。具體軟件流程如圖4所示。

                           
 
5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)硬件上將可靠性高的CAN總線傳輸與直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸結(jié)合，CAN傳輸避免了用無(wú)線中轉(zhuǎn)模塊引起的相互之間干擾問(wèn)題。軟件上將傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)的編程方式與可移植性好的嵌入式系統(tǒng)的編程方式結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。本系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)的所有功能，有著廣大的實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)。系統(tǒng)整體可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。

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