基于CAN總線與無線傳感器的轎車胎壓監測系統

彭何歡，鄭紅平，麻則運

PENG He-huan，ZHENG Hong-ping，MA Ze-yun

（浙江農林大學 天目學院，臨安 311300）

0 引言

胎壓監測系統（TPMS）是轎車電子控制系統中較為重要的結構，這種系統在運行過程中可以接收到相關的數據信息，包括：點火開關狀態、車速、溫度等，對于TPMS性能的增強是很有幫助的。另一方面，TPMS自身帶有的辨別功能，可以有助于TPMS初始安裝、輪胎定位更新，對輪胎的位置適當調整優化。

1 轎車胎壓監測系統的設計方式

對于直接式TPMS系統結構，其內部形式如圖1所示，涉及到的組件有無線傳感器、顯示輪胎信息的儀表TPMS顯示區、TPMS接收機、低頻觸發器、CAN總線以及LIN總線。

圖1 TPMS系統結構

當把無線傳感器安裝于輪轂上后，其需要對輪胎里面的氣壓和穩定進行有效的定期檢測，通常5秒左右檢測1次，并用無線途徑將數據信息輸送到TPMS接收機。TPMS接收機一般安在駕駛室里，主要作用是對無線信號接收、處理，再把最后得到的信息經過高速CAN總線輸送至ICM儀表處理，且與BCM車身控制模塊等總線節點實施信息交換。低頻觸發器通常設置在轎車擋板內側，利用TPMS接收機經過LIN總線控制，遇到特殊情況之后，觸發器能快速查詢無線傳感器，保證駕駛員可參照儀表TPMS提供的數據加以調整。CAN總線通信控制器中覆蓋了CAN協議的物理層、數據鏈路層等方面的作用，能夠對通信數據的組幀有效調整，如：零位的插入/刪除、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等工作。而LIN主要作用在于保證當前的汽車網絡性能得到優化，對于無需使用高端通信CAN總線的場合,如：控制門、窗、后視鏡時，智能傳感器與制動裝置則會實現通信往來，有助于控制胎壓監測系統的低頻觸發器，采取LIN總線對節能降耗是很有幫助的。

2 系統設計

2.1 系統硬件設計

1）TPMS接收機：TPMS接收機通常安裝在儀表板的下面，主要構件有：射頻接收模塊、CAN通信模塊、微處理器、CAN控制器、LIN通信模塊、電源模塊。高頻天線的信息獲取多數是依靠無線傳感器的高頻無線信號，而接受之前需要通過射頻接收模塊的處理，如：濾波、放大、混頻、解調等，然后才可輸送至微處理器。微處理器的功能在于結合處理后的指令執行操作，主要功能在于CAN通信模塊往儀表傳輸消息包，以及在總線上接收需要有用的信息，在LIN通信模塊控制低頻觸發器的作用下往無線傳感器發送低頻信號。電源模塊能夠對轎車電瓶電源發揮作用。而接收機連接器作為轎車的專用接插件，其可以幫助TPMS接收機的電源、地線、CAN線束、LIN線束之間的鏈接，以保證 TPMS接收機節點和轎車CAN總線網絡實現有效通信。

2）無線傳感器：無線傳感器選擇最普遍的則是氣門嘴方式，其主要安裝位置遍布于輪輞上氣門嘴閥桿的根部，其作用是對監測輪胎內部氣壓、溫度加以控制，且可使用無線控制來傳輸到TPMS接收機。無線傳感器電路結構通常有：傳感器、信號調理、低頻接口、射頻電路、供電電池。其中，橋式電子氣壓傳感器對輪胎里的氣壓做出感應，把氣壓信號轉變成電信號進行處理。低頻模塊可以接收到低頻觸發器傳送出的125 kHz低頻信號，然后再按照觸發信號的操作指令開展操作。

3）低頻觸發器：其電路結構圖如圖2所示，低頻觸發器主要布置在轎車擋板內側，其構成組件包括了LIN通信模塊、低頻驅動和發射、微處理器、電源模塊等。

圖2 低頻觸發器電路結構框圖

LIN通信模塊利用LIN總線對TPMS接收機的信息接收處理后，可利用低頻驅動和低頻發射將信號傳輸到無線傳感器，這樣有助于TPMS接收機與無線傳感器的多方面通訊。因而，TPMS系統除了能經過單獨觸發各個無線傳感器，還能對各個無線傳感器的身份識別碼進行檢測，這對于輪胎位置的控制很有幫助，且能夠設置無線傳感器的相關參數。而連接器的線束主要有電源線、LIN數據線、地線。電源模塊的作用在于，可對轎車電瓶+12 V電源實現電平轉換、濾波等處理,然后向相關設備輸送一定的電壓，如：微處理器、低頻驅動等。

2.2 系統軟件設計

對于轎車高速CAN總線通信網絡內部里，TPMS系統涉及到的結構有：有線通信、無線通信控制模塊，每個結構的部件都是維持TPMS系統持續運行的重要方面，一旦出現異常情況后則將給系統運行帶來不便。

1）TPMS接收機的軟件控制策略及通信協議：在TPMS接收機內部調整結束之后，就可以實現輪胎的辨別與通信處理，以保證系統作用的正常發揮。輪胎位置自動識別的實現，主要是TPMS接收機利用低頻觸發器的作用，把低頻無線信號放大處理，以保證輪胎的ID信息和氣壓數據得以處理返回，這樣可以保證TPMS接收機對輪胎的參數和位置實施處理。網絡通信主要有網絡管理幀、數據處理、故障診斷等。

2）無線傳感器的軟件控制策略及通信協議：對于無線傳感器而言，其軟件控制通常涉及到的結構有：初始化、中斷喚醒、參數測試、數據解調等等。處于運行狀態的無線傳感器功能優越，其不僅能對氣壓、溫度、電壓實施檢測，還能處理相關的數據信息，若感應到數據中氣壓值或相關參數存在異常情況，則會給出對應的報警信號，且利用無線途經對報警信息及時處理，再此之后才能達到省電睡眠狀態。若檢測一切正常，無線傳感器需間隔5 min后對數據幀進行發送，以此達到省電睡眠狀態。

表1 TPMS接收機節點的總線統計

3 測試

3.1 CAN總線通信測試

將總線分析儀與包含TPMS節點的CAN通信網絡臺架互相鏈接起來，然后通過網絡平臺來實施數據處理調節。從最后的結果顯示（如表1所示），TPMS使用數據幀周期性刷新之后，其頻率變得更加準確，未出現遠程幀與錯誤幀，這些說明TPMS節點在網絡里可以保證信息的正確傳輸。

3.2 無線傳輸測試

圖3 TPMS的車載路測數據曲線

無線傳感器通常設置于輪轂上,TPMS接入CAN網絡之后與TPMS專用數據測試系統在對轎車性能檢測。如圖3（a）、（b）、（c）、（d）所示，其主要是左前、右前、左后、右后等各個位置的輪胎，圖標顯示的為4 h里輪胎氣壓、溫度等數據的變化情況。圖3中觀察，被檢測轎車的氣壓和溫度均達到了46幀以上，信號的接收程度超過95%，輪胎氣壓和溫度變化情況顯著，進而顯示出輪胎內部信息。

4 結論

若轎車總線通信網絡接入TPMS系統后，TPMS節點未發生異常情況，使用幀刷新時間間隔標準，整個系統的運行狀態較為穩定，且實際性能可達到具體要求。將此系統運用在轎車行駛時，可以對氣壓、溫度等情況做出反應，以保證信息數據的準確性。

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