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1 引言 本文通過TPMS在國外某車型上的設計和應用，詳細介紹TPMS軟硬件設計方法。本方案中綜合了CAN、LIN總線的設計，滿足了TPMS在實際應用中的整車布線要求，并與整車總線集成，真正實現了TPMS的系統化、智能化。 2 項目需求分析及TPMS系統方案設計 TPMS的設計是一個系統工程，除了產品本身的設計，需要更多關注其應用環境——汽車本身，從TPMS的安裝、布線、功能、性能、通信、干擾等方面來分析，從而明確TPMS的設計要求，確定其技術方案。 2.1 TPMS技術需求分析 根據車輛具體環境，對TPMS的特殊技術要求分析如下： a) 射頻信號傳輸是TPMS系統中的一個關鍵技術。當輪胎內發射信號要傳輸到車內接收系統時，首先輪胎要造成信號衰減，其次車輛本身的金屬殼體相當于一個屏蔽盒，這樣會造成TPMS信號很不穩定。特別在此項目中針對的高端車型，車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境，使其設計面臨諸多難點。 c)在本項目設計中，原車具有1Mbps高速CAN的通信功能，因此TPMS必須與整車的CAN總線集成，實現系統的信息化、智能化控制。 2.2 TPMS應用方案設計 TPMS系統包含：四個胎壓傳感模塊、一個ECU主控模塊、兩個射頻數字天線模塊以及CAN/LIN通訊線材。其信息處理及傳輸過程如圖1所示。 圖1 TPMS信號處理流程 3 基于NPX1傳感芯片的發射模塊設計 3.1 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的專用芯片，具有功能完善、性能可靠、應用靈活等顯著優點。主要實現對輪胎壓力/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程。 T5754是高增益輸出的射頻芯片，通過不同的外圍電路設計可以實現ASK/FSK調制信號。外部晶振Y1為該芯片提供基準頻率，不同的頻率經過32倍頻后，可以實現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，實現FSK的調制功能。另外電路中的C1、L1、R1相并聯，組成低頻接口，專用于接收125kHz的低頻信號，可以實現對胎壓傳感的主動喚醒，從而進行功能檢測或雙向通信。 圖2 傳感模塊原理圖 3.2 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，這樣可以使整個發射模塊在大部分時間處于休眠狀態，只有當中斷發生時，才處于短暫的工作狀態。 圖 3為固件程序流程圖。ITOV為4s定時中斷主線工作流程，當車輛運行時，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，實現對壓力、溫度等輪胎信息的無線發送；LTOV為200μs的定時中斷，當ITOV和LTOV配合工作進行低頻窗口的打開和關閉時，可以實現每4s打開一次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傳感模塊的功耗；WUP為低頻信號喚醒中斷，當外部設備發送125kHz的低頻信號時，傳感模塊將被喚醒，接收低頻數據，并根據低頻命令發送射頻信號，實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，可實現TPMS接收模塊對傳感模塊的主動查詢。 圖3 傳感模塊程序流程 4 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的設計，一定要設計者對具體車輛的無線電傳輸環境做可靠的評估，從而決定LIN總線上的射頻數字天線的節點數。另外根據系統設計需求，在LIN總線上擴展四個低頻喚醒模塊，如4圖示藍色部分為LIN總線上擴展的模塊，分別安裝在輪胎附近，由ECU 主控模塊給四個低頻喚醒模塊發送命令，再由低頻喚醒模塊發送低頻信號激活輪胎內的壓力傳感模塊，實現TPMS的雙向通信，達到ECU主控模塊對輪胎信息的主動、實時查詢。 圖4 LIN總線擴展圖 在本項目設計中，根據客戶需求和系統無線電環境，TPMS設計為單向傳輸系統，并在底盤的前后安裝兩個射頻數字天線。 5 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，實現對數據的接收、處理、發送及整個系統的控制。 TJA1050是高速CAN收發器，最高可達1Mbps的數據傳輸率；TJA1020是LIN收發器，速率可達20kbps。這兩個芯片都是Philips推出的總線驅動芯片，具有很強的EMC性能和傳輸穩定性。 在本模塊設計中，高速CAN的電路設計是關鍵步驟，它直接關系到TPMS與車輛系統之間通信的兼容性和可靠性，現將設計要點歸納如下： a) PCB設計：在高速CAN的應用中，PCB設計中對CAN元器件的布線是至關重要的，一方面要保證高速CAN的傳輸線盡量短、布線緊湊、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，避免布線走彎和交叉，容易引起信號的串擾和不穩定。實踐證明，布線合理的PCB不但信號穩定而且傳輸距離也很遠。 b) 負載匹配：CAN網絡設計中，節點和總線的負載匹配是很重要的指標，特別針對高速CAN的設計更應該關注。TPMS作為汽車系統中CAN網絡的一個節點，其負載設計必須充分考慮系統總線的設計要求。 c) 傳輸率的配置：CAN信號傳輸中每個Bit都由三個部分組成，分別為SYNC_SEG、T_SEG1、T_SEG2，我們必須兼顧傳輸率、采樣點等系統要求對CAN控制器進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的時鐘信號，通過寄存器分別配置SYNC_SEG=1、T_SEG1=4、T_SEG2=3，總線預分頻 Prescale Value="1"。 CAN總線的速率 采樣點 圖5 ECU主控模塊原理圖 d) CAN總線仿真和測試：當CAN總線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程。在此項目中，采用了Kvaser CAN總線診斷工具進行仿真測試，可以模擬被測節點與網路上其他CAN節點之間的信息交換，實時跟蹤CAN總線上的數據傳輸。另外可以通過該診斷工具隨機向CAN總線發送干擾數據流，測試CAN總線上的數據可靠性。 如圖6示為CAN工具的數據仿真測試。其中紅線標注的數據幀0x343、 0x344、0x345為TPMS的ECU主控模塊向車輛系統發送的輪胎信息及TPMS系統狀態信息；藍線標注的數據幀0x1A0是模擬車輛系統向 TPMS發送的車速信息；其他數據幀為仿真器在總線上隨機發送的干擾數據幀。 圖6 CAN總線仿真測試圖 6 射頻數字天線的硬件電路設計 射頻數字天線原理如圖7示，主要由射頻接收芯片、單片機、LIN收發芯片組成。MC33594是一個具有自動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總線上有主機請求數據時，LIN數據包將會通過TJA1020被發送到LIN總線上。 圖7 射頻數字天線原理圖 LIN 總線的報文幀由報文頭和響應場組成，波形分析圖如圖8所示。報文頭由主機發送，包括了一個同步間隔場、一個同步場和一個標識符場，其中標識符場就是主機發送給從機的事件命令。從機接收到該命令后根據協議規定發送或接收8字節數據和校驗和，就構成了響應場。由此，完成主機對每個從機的逐一訪問和信息傳遞。 圖8 LIN數據波形分析圖 LIN總線是一個單主機多從機的網絡結構。在本系統的LIN總線設計中，主要實現ECU主控模塊(主機)對兩個射頻數字天線(從機)的配置和對輪胎數據的讀取。如圖9為LIN總線上的信息事件的觸發工作圖。 圖9 LIN總線事件觸發圖 7 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和ECU主控模塊的固件程序流程圖。射頻數字天線主要以SPI中斷方式接收射頻數據，并以LIN請求中斷的方式發送LIN 數據幀。ECU主控模塊以定時查詢的方式工作：每隔1s主動發送CAN數據幀；每隔2s主動查詢射頻數字天線的數據；每隔30s主動檢測TPMS系統的內部故障。另外ECU主控模塊可以中斷方式接收CAN總線上的數據，實現對TPMS之發射模塊ID的注冊、參數設置及車輛信息共享等功能。 圖10 射頻數字天線流程圖 圖11 射頻數字天線流程圖 8 設計驗證 TPMS 設計是可靠性要求非常高的汽車安全系統，必須從失效分析的角度制定嚴格而科學的可靠性驗證計劃，包括實驗室測試和現場耐久性跑車測試。如圖12為TPMS 安裝在國外某款車上進行耐久跑車時，采用CAN分析儀對CAN數據進行連續采集、跟蹤的報告，四個不同顏色的曲線分別代表了車輛在運行中每個輪胎的氣壓變化，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系統跑車測試數據跟蹤圖 9 結語 本文以客戶需求為導向，闡述了一種可靠的TPMS技術方案，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無線信號不穩定的嚴重失效問題，根據車輛環境的具體要求，可以對系統進行有效裁減或擴展，以滿足不同車型的靈活設計。然而TPMS的設計畢竟是復雜的過程，特別在不同汽車環境的應用中，尚面臨許多問題，還需進一步研究，使TPMS更加可靠、智能化地應用于汽車安全中。 |
