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1 引言 本文通過(guò)TPMS在國外某車(chē)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(xiàn)的設計，滿(mǎn)足了TPMS在實(shí)際應用中的整車(chē)布線(xiàn)要求，并與整車(chē)總線(xiàn)集成，真正實(shí)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(gè)系統工程，除了產(chǎn)品本身的設計，需要更多關(guān)注其應用環(huán)境——汽車(chē)本身，從TPMS的安裝、布線(xiàn)、功能、性能、通信、干擾等方面來(lái)分析，從而明確TPMS的設計要求，確定其技術(shù)方案。 2.1 TPMS技術(shù)需求分析 根據車(chē)輛具體環(huán)境，對TPMS的特殊技術(shù)要求分析如下： a) 射頻信號傳輸是TPMS系統中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。當輪胎內發(fā)射信號要傳輸到車(chē)內接收系統時(shí)，首先輪胎要造成信號衰減，其次車(chē)輛本身的金屬殼體相當于一個(gè)屏蔽盒，這樣會(huì )造成TPMS信號很不穩定。特別在此項目中針對的高端車(chē)型，車(chē)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(huán)境，使其設計面臨諸多難點(diǎn)。 c)在本項目設計中，原車(chē)具有1Mbps高速CAN的通信功能，因此TPMS必須與整車(chē)的CAN總線(xiàn)集成，實(shí)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(gè)胎壓傳感模塊、一個(gè)ECU主控模塊、兩個(gè)射頻數字天線(xiàn)模塊以及CAN/LIN通訊線(xiàn)材。其信息處理及傳輸過(guò)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(fā)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(zhuān)用芯片，具有功能完善、性能可靠、應用靈活等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。主要實(shí)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(guò)程。 T5754是高增益輸出的射頻芯片，通過(guò)不同的外圍電路設計可以實(shí)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(jīng)過(guò)32倍頻后，可以實(shí)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(kāi)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(shí)現FSK的調制功能。另外電路中的C1、L1、R1相并聯(lián)，組成低頻接口，專(zhuān)用于接收125kHz的低頻信號，可以實(shí)現對胎壓傳感的主動(dòng)喚醒，從而進(jìn)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(gè)發(fā)射模塊在大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只有當中斷發(fā)生時(shí)，才處于短暫的工作狀態(tài)。 圖 3為固件程序流程圖。ITOV為4s定時(shí)中斷主線(xiàn)工作流程，當車(chē)輛運行時(shí)，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(shí)現對壓力、溫度等輪胎信息的無(wú)線(xiàn)發(fā)送；LTOV為200μs的定時(shí)中斷，當ITOV和LTOV配合工作進(jìn)行低頻窗口的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，可以實(shí)現每4s打開(kāi)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(gè)傳感模塊的功耗；WUP為低頻信號喚醒中斷，當外部設備發(fā)送125kHz的低頻信號時(shí)，傳感模塊將被喚醒，接收低頻數據，并根據低頻命令發(fā)送射頻信號，實(shí)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(shí)現TPMS接收模塊對傳感模塊的主動(dòng)查詢(xún)。 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(xiàn)的設計，一定要設計者對具體車(chē)輛的無(wú)線(xiàn)電傳輸環(huán)境做可靠的評估，從而決定LIN總線(xiàn)上的射頻數字天線(xiàn)的節點(diǎn)數。另外根據系統設計需求，在LIN總線(xiàn)上擴展四個(gè)低頻喚醒模塊，如4圖示藍色部分為L(cháng)IN總線(xiàn)上擴展的模塊，分別安裝在輪胎附近，由ECU 主控模塊給四個(gè)低頻喚醒模塊發(fā)送命令，再由低頻喚醒模塊發(fā)送低頻信號激活輪胎內的壓力傳感模塊，實(shí)現TPMS的雙向通信，達到ECU主控模塊對輪胎信息的主動(dòng)、實(shí)時(shí)查詢(xún)。 圖4 LIN總線(xiàn)擴展圖 在本項目設計中，根據客戶(hù)需求和系統無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，TPMS設計為單向傳輸系統，并在底盤(pán)的前后安裝兩個(gè)射頻數字天線(xiàn)。 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(shí)現對數據的接收、處理、發(fā)送及整個(gè)系統的控制。 TJA1050是高速CAN收發(fā)器，最高可達1Mbps的數據傳輸率；TJA1020是LIN收發(fā)器，速率可達20kbps。這兩個(gè)芯片都是Philips推出的總線(xiàn)驅動(dòng)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(guān)鍵步驟，它直接關(guān)系到TPMS與車(chē)輛系統之間通信的兼容性和可靠性，現將設計要點(diǎn)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(xiàn)是至關(guān)重要的，一方面要保證高速CAN的傳輸線(xiàn)盡量短、布線(xiàn)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(xiàn)走彎和交叉，容易引起信號的串擾和不穩定。實(shí)踐證明，布線(xiàn)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(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T(mén)PMS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 6 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 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(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 8 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 9 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。 |
