基于CAN总线的胎压监测系统在重型车辆上的应用研究

胎压对于道路安全、乘坐舒适度、轮胎寿命以及车辆油耗来说是一个非常重要的因素。胎压监测系统（TPMS）使用由电池供电的车轮电子设备，在短时间内可测量轮胎内部的气压和温度。通过无线电，将这些数值连同车轮电子设备的各个识别码以及电池寿命信息一起以数据电文的形式传输到安装在轮罩拱中的射频天线上。然后从那里将数据电文通过电缆转发到电子控制单元。该控制单元对数据电文进行评估，并识别它们的发送点，然后确定是否应将其告知驾驶员。对每个轮胎进行单独监测。借助于温度特性，将其胎压转换成标准压力。无论是驾驶员还是汽车制造商都可以输入额定胎压值，以作为汽车的理想胎压值。如果由驾驶员进行输入，系统将检查该输入值的合理性以避免导致错误。检查该值后，便将其用于胎压监测。系统自动识别车辆所安装的车轮，因此不会因为安装新车轮或其他车轮（例如冬季用轮胎）或因邻近系统的胎压监测系统的无线电信号干扰而发生混淆。该系统甚至能够识别汽车上的某个点，例如安装有新车轮的后部右侧的点。也可以将作为选配件的备用轮胎纳入胎压监测系统。本文就重型车辆上整合TPMS与汽车行驶记录仪等汽车安全配件，提出一种全新的实现方法，以一个电控单元统一协调管理取代以往多个汽车安全用品单独控制，形成汽车安全电控系统。整个汽车安全电控系统由胎压监测系统、倒车雷达装置、汽车行驶记录仪等组成，所有装置均挂接于CAN总线上，共享仪表盘显示。其中重点介绍TPMS的实现原理。接收显示部分的软件由源码公开的微型实时操作系统uCOS-II来管理，使整个系统的实时性，可靠性进一步提高。

1 方案选择

大卡车用TPMS的发射器可多至36个，因此后面几十个轮子的信号都要接力和中转，必须加信号转发器，因为现在的大卡车从后轮到驾驶室的距离在10米左右，半挂车更长，TPMS的发射功率如超过10dbm,那么整个产品和系统要受无线电管制委员会管制。信号中转可采用两种方法：一、无线收发，即通过无线方式接收发射模块的射频信号，然后又以无线方式传输给接收模块。二、无线接收发射模块的射频信号，通过CAN总线传输给接收模块。

无线收发方案，中转模块便于安装，但是存在可靠性较低，模块之间射频信号容易相互串扰的缺点。相比于无线收发方案CAN总线传输有着较高的通讯速率又有非常高的可靠性；同时，外部接线方便、灵活，且成本低，非常适合于中转模块的应用。故本胎压监测系统采用CAN总线中转信号的方案。

2 TPMS系统结构

图1 TPMS系统结构示意图

TPMS一共由三个功能模块组成：射频发射模块、信号中转节点、接收显示主节点。图1所示为TPMS系统结构示意图，发射模块监测轮胎压力、温度、电池电量等信息，通过集成射频芯片的RF2单片机将这些信息以电磁波的形式发送出来；中转模块将接收到的射频信号处理并通过CAN总线传给接收显示模块；接收显示模块一方面接收距离较短的两个前轮发送的射频信号，另一方面接收由中转模块通过CAN传输的轮胎压力温度等信号。CAN采用短帧方式传输，传输时间短，受干扰概率小，可靠性高。同时有利于实时传输。中转模块和接收显示模块分别安装于远离接收显示模块靠近轮胎附近的固定位置和驾驶室仪表盘上。

3 系统各功能模块设计

3.1发射模块

图2 发射模块的传感器连接电路

发射模块安装在轮胎内，其测量检测部分连接电路如图2所示。传感器采用Infineon公司的硅压阻式压力传感器SP12T,该芯片胎压测量范围为50~1400KPa,是一款专门为重型车设计的传感器。SP12T内部集成了压力传感器、温度传感器和电压传感器，提供精确的轮胎状态信息。908RF2使用内部振荡器，提供这个单片机的工作时钟，增强抗干扰能力。SP12T与908RF2之间通过SPI接口相连。908RF2内部集成发射芯片MC33493,使整板面积、成本降低，同时可靠性更高。发射采用曼彻斯特编码方式，FSK的调制方式，发射频率433.92MHz.

3.2中转节点

中转模块用于将从发射模块接收到的信息进行处理并转发给接收模块，起信号接力的作用。中转模块主要由接受芯片MC33594和带CAN接口的成本低廉的单片机MC68HC908GZ16组成。33594将接收到的射频号以SPI协议传送格式传送给GZ16,GZ16将数据信息以CAN协议的传送格式传送给接收模块。

3.3接收显示主节点

接收显示模块主芯片采用FREESCALE的16位单片机MC9S12DP256,具有5个CAN接口，2个串口，8路增强型定时器等丰富的内部外设，为系统的升级留下较大的空间。CAN0接口用于接收中转模块发送的信息。接收芯片MC33594接收距离较近的两前轮的射频信号，并解码后以SPI传输协议送给N接口芯片采用MAXIM公司的MAX3050, 为总线提供差分发射能力，为CAN控制器提供差分接收能力。

4 基于uCOS-II的软件实现

发射模块接收中转模块代码量很少，软件采用传统的前后台系统方式编写，既节省时间又占用最小的内存。发射模块的软件主程序流程非常简单，上电进入系统初始化，完毕进入停机状态。等待SP12T的定时唤醒中断。

整个接收显示关于TPMS部分一共四个任务，三个中断。四个任务包括MC33594配置任务，MC33594接收射频数据任务，液晶显示任务，串口发送数据任务，对应的任务优先级分别为6,9,12,15.三个中断分别为串口接收中断，CAN总线接收中断，按键中断。本系统使用了一个信号量，两个邮箱消息，两个消息队列，用于任务间的通信。具体软件流程如图4所示。

图4 任务流程图

5 结论

本设计硬件上将可靠性高的CAN总线传输与直接式胎压监测系统的无线传输结合，CAN传输避免了用无线中转模块引起的相互之间干扰问题。软件上将传统的前后台系统的编程方式与可移植性好的嵌入式系统的编程方式结合，优势互补，扬长避短。本系统完全实现胎压监测的所有功能，有着广大的实际应用市场。系统整体可靠性高，稳定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。

参考文献：

1 Labrosse Jean croC/OS-II The Real-Time Kernel.

2 An Evaluation of Existing Tire Pressure Monitoring Systems July 2001 NHTSA

3 Motorola Inc. AN1951/D Rev 1,05/2003

4 邵贝贝.uCOS-II-源码公开的实时嵌入式操作系统【M】. 中国电力出版社.2001年8月第二版 5颜重光.TPMS技术与发展趋势。2005年8月

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