基于CAN總線的汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 辛峰杰 王 琴

1.總體結(jié)構(gòu)

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，它最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)里，被設(shè)計作為汽車環(huán)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(tǒng)的可靠性，減少連線，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線具有很高的實時性能在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

CAN總線有較優(yōu)越的特點(diǎn)：（1）CAN總線為多主站總線，各結(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信靈活。（2）CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)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(shù)據(jù)出錯率極低。（3）走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活；（4）數(shù)據(jù)傳輸距離可滿足5-10米的汽車系統(tǒng)，也可滿足長達(dá)10km工業(yè)應(yīng)用；并且在40米范圍內(nèi)高速的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbit/s；（5）可根據(jù)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(jī)制；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)；結(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能。

CAN總線可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、消防管理、傳感檢測、自動儀表等領(lǐng)域。基于CAN總線的汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)能實時有效進(jìn)行輪胎溫度壓力數(shù)據(jù)采集預(yù)警，顯示具有廣泛的應(yīng)用前景。它集成于汽車電子中，和諸如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、制動防抱死控制系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等高速數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)通過CAN總線連接起來集中由高性能處理器統(tǒng)一處理、控制，可大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少布線，增加系統(tǒng)的安全性和可靠性，是汽車電子發(fā)展的趨勢。

基于CAN總線的汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中，虛線框內(nèi)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(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息傳遞。

2.系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳感器

導(dǎo)致輪胎故障的主要因素有：氣壓、溫度、負(fù)荷、速度、路況、環(huán)境溫度、連續(xù)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(shù)的檢測是關(guān)鍵，不但要保證參數(shù)測量的精度、速度等指標(biāo)滿足系統(tǒng)的需求，還要保證傳感器在測量和待機(jī)過程中消耗的電流較小以滿足系統(tǒng)的電池壽命要求。另外，傳感器工作在輪胎中，環(huán)境狀況十分惡劣，因此傳感器還應(yīng)滿足在溫度、潮濕、震動等環(huán)境參數(shù)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(shù)據(jù)（溫度、壓力、加速度和供電），并配有一個能完成測量、信號補(bǔ)償與調(diào)整及SPI串行通信接口CMOS大規(guī)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(fā)平臺。

2.2 數(shù)據(jù)采集處理器

圖1 汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(jié)構(gòu)指令，執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期，當(dāng)操作頻率為12MHz時，除乘法和除法指令外，高速80C51 CPU的指令執(zhí)行時間為167～333ns，同一時鐘頻率下其速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍，只需要較低的時鐘頻率即可達(dá)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(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積這樣也降低了系統(tǒng)的成本。

2.3 無線射頻發(fā)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(nèi)部，這樣導(dǎo)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(shù)。由于處于高速行駛等工作環(huán)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(xiàn)漂移以及時有時無的情況，并且在使用手機(jī)、汽車音響等產(chǎn)品時，相互會有干擾，會影響信號的穩(wěn)定性，系統(tǒng)需要著力解決的關(guān)鍵技術(shù)是無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性問題，特別是高速行駛時的信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。德國英飛凌在無線信號傳輸技術(shù)方面有著特別領(lǐng)先地位，利用它的無線信號傳輸收發(fā)模塊可以解決這些問題。因此本系統(tǒng)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(jìn)行ASK和FSK調(diào)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(qū)動環(huán)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(nèi)運(yùn)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(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行統(tǒng)一處理、控制。在本系統(tǒng)中主要接收溫度、壓力值，根據(jù)一定的策略產(chǎn)生聲光預(yù)警信號。系統(tǒng)采用性價比高、功能比較強(qiáng)大的基于ARM7內(nèi)核的S3C44B0X芯片作為中央控制處理器，它提供了豐富的內(nèi)置部件，包括：8KBCache和內(nèi)部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，系統(tǒng)管理器（片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器），帶PWM功能的5通道定時器和一個內(nèi)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(yīng)的信號上升時間在2ns左右，對應(yīng)的集總模型尺寸分界點(diǎn)為60cm，而實際設(shè)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(yīng)的影響，減少了設(shè)計的難度。S3C44B0X是目前國內(nèi)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(yù)留CAN接口，要實現(xiàn)CAN總線的連接和數(shù)據(jù)傳輸，通過SPI同步串行接口和Microchip公司生產(chǎn)的一種獨(dú)立的可編程CAN控制器芯片MCP2510控制器相連。

3.硬件抗干擾設(shè)計與電池壽命分析

3.1 硬件抗干擾設(shè)計

由于系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，汽車行駛過程中會產(chǎn)生較大的噪聲干擾，因此，在系統(tǒng)的設(shè)訓(xùn)中要考慮抗干擾性能。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ黝l率高達(dá)433MHz，因此采樣發(fā)射部分的抗干擾及電磁兼容性設(shè)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(shù)字電路與高頻電路間隔一定距離，避免高頻信號對數(shù)字電路產(chǎn)生干擾。整個電路盡量縮短導(dǎo)線長度，使高頻電路中分布參數(shù)盡可能小。

（2）為了避免數(shù)字信號通過布線間的寄生電容耦合到模擬輸入端，數(shù)字信號的輸入端與模擬信號的輸入端盡量遠(yuǎn)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?dāng)_；用銅箔做成大面積接地；在印制板的各關(guān)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(yīng)當(dāng)盡量選擇集成化程度高、抗干擾能力強(qiáng)、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(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 電池壽命分析

輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的壽命主要受其發(fā)射裝置影響，因為它置于輪胎內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)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(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)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(tǒng)連續(xù)24小時工作的話，1節(jié)電池可工作近2年時間，2節(jié)電池基本能滿足輪胎3-5年的使用壽命要求。

4.系統(tǒng)調(diào)試

鑒于系統(tǒng)比較復(fù)雜，在實驗室環(huán)境下采取仿真分布調(diào)式策略。

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

（2）采用環(huán)回測試模式調(diào)式中央控制模塊的CAN總線控制器功能狀況。

（3）采用環(huán)回模式調(diào)式單片機(jī)結(jié)點(diǎn)自發(fā)自收性能，可在簡單結(jié)點(diǎn)的MCU上臨時擴(kuò)展一LED，作為收到報文的顯示。

（4）對TPMS結(jié)點(diǎn)模塊單獨(dú)進(jìn)行測試，外圍擴(kuò)展LED指示燈，顯示是否接收到有效數(shù)據(jù)。

（5）采用正常發(fā)送模式測試中央控制模塊和TPMS結(jié)點(diǎn)之間的通信。

5.小結(jié)

本文主要研究了基于CAN總線的汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計，提出了總體結(jié)構(gòu)圖。分析了汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)硬件的選取和連接實現(xiàn)機(jī)制，尤其對電池的壽命和系統(tǒng)的抗干擾性提出了可行性解決方案。

[1]郭曉俐,陳祖爵.CAN總線在汽車輪胎監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008(07).

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