基于CAN總線的汽車輪胎監測系統的設計

無錫機電高等職業技術學校 辛峰杰 王 琴

1.總體結構

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，它最初出現在80年代末的汽車工業里，被設計作為汽車環境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，增加系統的可靠性，減少連線，形成汽車電子控制網絡。由于CAN總線具有很高的實時性能在汽車工業、航空工業、工業控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。

CAN總線有較優越的特點：（1）CAN總線為多主站總線，各結點均可在任意時刻主動向網絡上的其他結點發送信息，通信靈活。（2）CAN總線上每幀有效字節數最多為8個，傳輸時間短，受干擾概率低，并有CRC及其他校驗措施，具有極好的檢錯效果，數據出錯率極低。（3）走線少，系統擴充容易，改型靈活；（4）數據傳輸距離可滿足5-10米的汽車系統，也可滿足長達10km工業應用；并且在40米范圍內高速的數據傳輸速率高達1Mbit/s；（5）可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；（6）可靠的錯誤處理和檢錯機制；發送的信息遭到破壞后可自動重發；結點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能。

CAN總線可廣泛應用于機械制造、紡織機械、醫療器械、消防管理、傳感檢測、自動儀表等領域。基于CAN總線的汽車輪胎監測系統能實時有效進行輪胎溫度壓力數據采集預警，顯示具有廣泛的應用前景。它集成于汽車電子中，和諸如發動機控制系統、制動防抱死控制系統（ABS）、牽引力控制系統、儀表管理系統、座椅調節系統、車燈控制系統等高速數據結點通過CAN總線連接起來集中由高性能處理器統一處理、控制，可大大降低系統的復雜度，減少布線，增加系統的安全性和可靠性，是汽車電子發展的趨勢。

基于CAN總線的汽車輪胎監測系統總體框圖如圖1所示。其中，虛線框內部分別是檢測處理和中央控制模塊，虛線框外部為汽車其它電子控制單元，它們都通過CAN總線相連，實現數據共享和信息傳遞。

2.系統設計

2.1 傳感器

導致輪胎故障的主要因素有：氣壓、溫度、負荷、速度、路況、環境溫度、連續行駛時間等，其中氣壓和溫度影響最大。因此輪胎溫度、壓力參數的檢測是關鍵，不但要保證參數測量的精度、速度等指標滿足系統的需求，還要保證傳感器在測量和待機過程中消耗的電流較小以滿足系統的電池壽命要求。另外，傳感器工作在輪胎中，環境狀況十分惡劣，因此傳感器還應滿足在溫度、潮濕、震動等環境參數十分惡劣的條件下的工作需求。綜合上述因素，選用英飛凌的SP12傳感器，它可以同時傳輸四組不同的數據（溫度、壓力、加速度和供電），并配有一個能完成測量、信號補償與調整及SPI串行通信接口CMOS大規模集成電路，但不含MCU，因此可選用通用MCU，不必采用專用的開發平臺。

2.2 數據采集處理器

圖1 汽車輪胎監測系統總體框圖

讀取英飛凌SP12傳感器測得的溫度、壓力值，需要外部的處理器。SP12傳感器可以和多種微控制器相連，本系統考慮選用P89LPC913微控制器。此控制理器的主要功能是接收125kHz的低頻喚醒信號，控制RF發射器在不同的模式下工作。P89LPC 913是一款單片封裝的微控制器，適合于許多高集成度、低成本要求的場合，可以滿足多方面的性能需求。P89LPC913采用了高性能的處理器結構指令，執行時間只需2到4個時鐘周期，當操作頻率為12MHz時，除乘法和除法指令外，高速80C51 CPU的指令執行時間為167～333ns，同一時鐘頻率下其速度為標準80C51器件的6倍，只需要較低的時鐘頻率即可達到同樣的性能，這樣無疑降低了功耗和EMI。P89LPC913集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目和電路板面積這樣也降低了系統的成本。

2.3 無線射頻發射器和接收器

由于采用了直接式的溫度、壓力測量方法，傳感器必須安裝在輪胎內部，這樣導致了走線的困難，因此傳感器與CAN總線之間的通信采用無線通信技術。由于處于高速行駛等工作環境比較惡劣的場合，而且存在著屏蔽、干擾性等問題，信號會出現漂移以及時有時無的情況，并且在使用手機、汽車音響等產品時，相互會有干擾，會影響信號的穩定性，系統需要著力解決的關鍵技術是無線信號傳輸的穩定性和可靠性問題，特別是高速行駛時的信號傳輸的穩定性。德國英飛凌在無線信號傳輸技術方面有著特別領先地位，利用它的無線信號傳輸收發模塊可以解決這些問題。因此本系統選用英飛凌的TDK510XF系列芯片，它可用于不同的頻帶（315、434、868和915MHz），并可進行ASK和FSK調制。該裝置包含一個全面集成的PLL合成器和一個高效功率放大器來驅動環形天線。在RF輸出功率為5dBm，電阻為50歐的情況下，典型的耗電量為7mA（可以視為最低的耗電量）。該裝置可在－40℃到125℃的溫度范圍內運行，并采用小型P-TSSOP-10封裝。RF的信號接收可用與之配套的無線射頻接收芯片TDA5210。

2.4 中央控制模塊

中央控制模塊的主要功能是接收各節點的數據，對其進行統一處理、控制。在本系統中主要接收溫度、壓力值，根據一定的策略產生聲光預警信號。系統采用性價比高、功能比較強大的基于ARM7內核的S3C44B0X芯片作為中央控制處理器，它提供了豐富的內置部件，包括：8KBCache和內部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，系統管理器（片選邏輯，FP/EDO/SDRAM控制器），帶PWM功能的5通道定時器和一個內部定時器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，‖C—BUS接口，‖S—BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。66MHz的工作主頻對應的信號上升時間在2ns左右，對應的集總模型尺寸分界點為60cm，而實際設計中最大板子的尺寸為17cm×11cm，因此不用過多的考慮分布效應的影響，減少了設計的難度。S3C44B0X是目前國內使用較為普遍的ARM處理器，有較為豐富的資源可以參考，同時，采購比較方便，成本亦較低。由于S3 C44B0X沒有預留CAN接口，要實現CAN總線的連接和數據傳輸，通過SPI同步串行接口和Microchip公司生產的一種獨立的可編程CAN控制器芯片MCP2510控制器相連。

3.硬件抗干擾設計與電池壽命分析

3.1 硬件抗干擾設計

由于系統的工作環境比較惡劣，汽車行駛過程中會產生較大的噪聲干擾，因此，在系統的設訓中要考慮抗干擾性能。由于數據傳輸的工作頻率高達433MHz，因此采樣發射部分的抗干擾及電磁兼容性設計就顯得尤為重要。針對上述情況，可以采取以下抗干擾措施：

（1）布置元件時低頻數字電路與高頻電路間隔一定距離，避免高頻信號對數字電路產生干擾。整個電路盡量縮短導線長度，使高頻電路中分布參數盡可能小。

（2）為了避免數字信號通過布線間的寄生電容耦合到模擬輸入端，數字信號的輸入端與模擬信號的輸入端盡量遠離。

（3）走線平滑自然，避免長距離平行走線以抑制印刷線條之間的串擾；用銅箔做成大面積接地；在印制板的各關鍵位置配置去藕電容。

（4）供電電源使用去耦電容防止電擾動，并在電壓變換電路中增加電容濾波處理，把干擾的可能性降到最小。

（5）精心選擇元器件，應當盡量選擇集成化程度高、抗干擾能力強、功耗小的元器件。電阻、電容和電感都盡量選用貼片元件，它們具有體積小、高頻特性好、溫度系數小等優點。

3.2 電池壽命分析

輪胎監測系統的壽命主要受其發射裝置影響，因為它置于輪胎內部，檢修不方便，所以要求輪胎模塊電池的壽命較長。

該輪胎監測系統具有極低的功耗，已知鋰離子電池的容量為500mAh，正常工作下輪胎模塊平均每60秒向主機發送一次數據，發送時間為l00 ms。

則平均電流為：

I=（8×10-3×59.9+8×0.1)/60+0.6×10-3+0.6×10-3=0.03332（mA)

工作壽命即為：

由此可知，如果系統連續24小時工作的話，1節電池可工作近2年時間，2節電池基本能滿足輪胎3-5年的使用壽命要求。

4.系統調試

鑒于系統比較復雜，在實驗室環境下采取仿真分布調式策略。

（1）中央控制模塊在北京博創UPNETARM3000嵌入式實驗平臺上進行調試。

（2）采用環回測試模式調式中央控制模塊的CAN總線控制器功能狀況。

（3）采用環回模式調式單片機結點自發自收性能，可在簡單結點的MCU上臨時擴展一LED，作為收到報文的顯示。

（4）對TPMS結點模塊單獨進行測試，外圍擴展LED指示燈，顯示是否接收到有效數據。

（5）采用正常發送模式測試中央控制模塊和TPMS結點之間的通信。

5.小結

本文主要研究了基于CAN總線的汽車輪胎監測系統的硬件設計，提出了總體結構圖。分析了汽車輪胎監測系統硬件的選取和連接實現機制，尤其對電池的壽命和系統的抗干擾性提出了可行性解決方案。

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