基于CAN總線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

黃國(guó)桂，張彥會(huì)

1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005；2.廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西柳州 545006

0 引言

隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，在汽車研發(fā)與制造方面進(jìn)行了大量的投入，與此同時(shí)隨著汽車的自主研發(fā)制造能力不斷提升，我國(guó)汽車制造商進(jìn)一步擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模，使得全國(guó)汽車的保有量在逐年遞增。據(jù)有關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.72億輛，其中汽車的保有量占比高達(dá)75%，正在實(shí)現(xiàn)歷史性突破。汽車在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著重要作用，道路上的車輛密度在不斷增大，便捷出行，拉近城市距離的同時(shí)，交通事故發(fā)生的頻率也在逐年增加，駕乘人員的生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅，給社會(huì)的發(fā)展帶來了惡劣影響，引起了社會(huì)高度重視。輪胎是車輛重要組成部件，用來支撐車身以及緩沖吸收來自地面的沖擊[1]，由于在行駛過程中受到車身重力以及地面摩擦力，所以一直處于高速、高溫和高壓狀態(tài)，一旦車輛的輪胎發(fā)生異常(如爆胎)，極易引發(fā)惡性的交通事故，且爆胎是突發(fā)性的，適中的輪胎壓力不僅能起到節(jié)能的作用，更能直接影響汽車行駛的安全性。目前缺乏有效的裝置對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，為了實(shí)時(shí)掌握輪胎的工作狀態(tài)，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生且被迅速推廣，通過胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎的胎壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)來了解輪胎的狀態(tài)，判斷其是否滿足正常行駛的標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)樘罕O(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)喬サ奶骸囟鹊戎匾獏?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到輪胎的異常參數(shù)，便會(huì)將警報(bào)信息傳遞至駕駛室。實(shí)踐證明，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛爆胎具有一定的預(yù)防作用，能有效降低因爆胎、輪胎失壓造成交通事故的概率[2]。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)與安全氣囊、防抱死系統(tǒng)(ABS)是汽車三大安全系統(tǒng)。安全氣囊與ABS是被動(dòng)應(yīng)急使用的，而胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻能提前預(yù)警潛在事故的發(fā)生，并且還可減少因輪胎胎壓過高或過低造成的輪胎磨損以及能源消耗，可見胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在整車中的重要作用。將CAN總線技術(shù)與汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)，能提高汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性能，因此基于CAN總線的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文首先對(duì)CAN總線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;其次對(duì)基于CAN總線的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)輪胎胎壓、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的;最后對(duì)基于CAN總線的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 CAN總線的結(jié)構(gòu)分析

CAN總線最早是由德國(guó)汽車電子制造商BOSCH進(jìn)行研發(fā)，屬于多路傳輸系統(tǒng)的一種，也被稱為CANbus、CAN總線，具有制造成本低，傳輸速率快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[3]，其工作原理如圖1所示。

圖1 CAN總線工作原理

傳統(tǒng)的汽車零部件、各控制單元采用電線線束進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)功能。現(xiàn)大部分汽車已使用CAN總線技術(shù)可以使車輛線束量進(jìn)一步減少，簡(jiǎn)化車內(nèi)線束布局，降低線束成本。CAN總線系統(tǒng)由多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)和兩根數(shù)據(jù)線組成，通信節(jié)點(diǎn)為各電氣系統(tǒng)控制單元，如整車控制器VCU、ABS控制單元、組合儀表、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制單元、變速箱TCU、氣囊控制單元等均作為CAN通信節(jié)點(diǎn)。

CAN控制器的主要功能是接收從控制單元處理器發(fā)出的數(shù)據(jù)指令，根據(jù)設(shè)置好的程序?qū)χ噶钸M(jìn)行處理，并將處理完的數(shù)據(jù)指令發(fā)送至CAN收發(fā)器。CAN控制器也可以將CAN收發(fā)器發(fā)送的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行處理，然后發(fā)送至控制單元處理器，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的過程是雙向傳導(dǎo)。向CAN總線上發(fā)送信號(hào)時(shí)：CAN收發(fā)器的作用就是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過RX線接收來自CAN控制器上的信號(hào)，將電平信號(hào)差分至CAN_H和CAN_L。CAN控制器與CAN收發(fā)器都是對(duì)信息進(jìn)行接收與發(fā)送。數(shù)據(jù)傳送終端電阻主要功能就是防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被反射(防止紋波電流產(chǎn)生)，提高信號(hào)質(zhì)量。CAN通信線以雙絞線的形式排布傳輸差分電壓信號(hào)，主要是防止外界的電磁波對(duì)其傳輸工作的影響，同時(shí)也防止信號(hào)對(duì)外界的輻射。兩根雙絞線名稱分別為CAN-H和CAN-L。CAN總線傳輸信號(hào)主要依靠CAN-H和CAN-L兩線之間的電壓差值變化來實(shí)現(xiàn)。CAN總線還對(duì)各車載控制模塊起到一個(gè)監(jiān)測(cè)的作用，如監(jiān)測(cè)到某一部分運(yùn)行異常，CAN總線便會(huì)將警報(bào)信息發(fā)送至汽車儀表顯示，駕駛員可根據(jù)組合儀表上顯示警報(bào)信息初步判斷異常所在，并根據(jù)警報(bào)信息及時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)辦法，起到及時(shí)止損的作用。

2 基于CAN總線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置框圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含電源模塊，數(shù)據(jù)采集與無線發(fā)射模塊，無線接收與CAN發(fā)射模塊、CAN接收與數(shù)據(jù)顯示模塊。

胎壓、胎溫等傳感器信號(hào)是由安裝在對(duì)應(yīng)位置上的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，采集信號(hào)經(jīng)過分壓、濾波等處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線，然后儀表中的CAN模塊將發(fā)送在CAN總線上的信息接收處理后再發(fā)送至中央控制單元，根據(jù)設(shè)定好的算法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的顯示屏上顯示。

圖2 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置框圖

圖3 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件模塊分析

3.1 監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)壓力傳感器的選型，經(jīng)資料對(duì)比分析，行業(yè)優(yōu)勢(shì)資源飛思卡爾公司生產(chǎn)的壓力傳感器(MPXY8020A)與英飛凌科技公司的壓力傳感器(SP12T)都具有低功耗特性，但是綜合考慮傳感器的測(cè)量精度、范圍、集成度、電路實(shí)現(xiàn)的容易程度等因素,英飛凌SP12T型傳感器更適合用作本次設(shè)計(jì)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器。SP12T具有4組傳輸數(shù)據(jù)的通道：壓力、溫度、加速度和供電電壓，兼容性和穩(wěn)定性較好。另外SP12T具有獨(dú)特的傳感器標(biāo)識(shí)符，實(shí)現(xiàn)識(shí)別難度小速度快，當(dāng)監(jiān)測(cè)到工作環(huán)境溫度異常會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保證所測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性[4]。SP12T是一種壓電電阻傳感器，測(cè)量精度高達(dá)0.01%～0.03%FS，可用在100～450 kPa的環(huán)境下進(jìn)行壓力測(cè)量；SP12T所需工作電壓為1.8～3.6 V；適應(yīng)電壓范圍廣。因此本文的傳感器模塊選擇英飛凌科技的SP12T傳感器。

3.2 無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

無線收發(fā)模塊具有無線發(fā)射和接收兩種功能：胎壓傳感器實(shí)時(shí)采集輪胎的胎壓和胎溫等重要參數(shù)，無線發(fā)射模塊是將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)射出去；無線接收模塊接收胎壓、胎溫等數(shù)據(jù)并發(fā)送給主控元件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于無線發(fā)射模塊在輪胎內(nèi)部進(jìn)行工作，考慮其工作環(huán)境的特殊性，無線收發(fā)模塊須具備相對(duì)簡(jiǎn)單的外圍電路和良好低功耗性，同時(shí)運(yùn)用起來易于和單片機(jī)進(jìn)行編程控制，具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

綜合考慮可選用TI公司的高性能低功耗射頻收發(fā)芯片(CC1101)作為無線收發(fā)模塊的核心芯片。CC1101的使用成本低，在低功耗無線設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。CC1101作為無線收發(fā)芯片，具有體積小、穩(wěn)定性高、工作性能高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),非常適合作為無線發(fā)送與接收模塊；自帶頻率合成器，不需再為其單獨(dú)提供射頻轉(zhuǎn)換器或?yàn)V波器，工作所需的外圍電路較為簡(jiǎn)單；有兩個(gè)64字節(jié)的FIF0,RX FIF0負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)TX FIF0負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。

3.3 CAN通信模塊設(shè)計(jì)

CAN總線通信模塊由CAN控制器和CAN收發(fā)器兩部分組成。此次研究的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的中央控制單元內(nèi)置CAN總線控制器，其主要功能是處理接收到的數(shù)據(jù)并發(fā)送給相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行單元。CAN收發(fā)器選用NXP的TJA1050，其主要作用是接收CAN控制器已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)信號(hào)，擁有最快可達(dá)1 Mbit/s傳輸速度，傳輸效率得到了極大的提高。CAN通信電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 CAN通信電路設(shè)計(jì)

3.4 主控元件的選用

(1)無線發(fā)射模塊的主控元件采用MSP430單片機(jī)[5]，工作電壓為低電源電壓(1.8～3.6 V),滿足模塊的低功耗性能設(shè)計(jì)需求，使用周期更長(zhǎng)；處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，片內(nèi)大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及寄存器可參加多種運(yùn)算，在處理傳感器采集的數(shù)據(jù)方面展現(xiàn)出良好的性能；且片內(nèi)中斷源較多，使用較為靈活，可以任意嵌套，編程容易實(shí)現(xiàn)。

(2)無線接收以及CAN 發(fā)射模塊的主控元件采用AT89S52單片機(jī)，此單片機(jī)是一種功耗低、可靠性高的CMOS 8位微處理器，對(duì)于通過無線接收得到數(shù)據(jù)可很好地處理，并且和CAN發(fā)射模塊的電平匹配度較高，對(duì)于無線接收以及CAN發(fā)射模塊的控制易于實(shí)現(xiàn)[6]。

(3)CAN接收以及控制顯示報(bào)警模塊的主控元件同樣采用 AT89S52單片機(jī)，控制系統(tǒng)將胎壓、胎溫顯示在儀表或液晶屏上容易實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車研發(fā)制造能力以及人們生活質(zhì)量的不斷提升，人們對(duì)于汽車在安全性、舒適性的表現(xiàn)也在提高，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用可在一定程度上減少爆胎發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。CAN總線將汽車各個(gè)模塊連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，工作效率得到全面提高，能夠使汽車內(nèi)部傳感器更加精確的信息采集并共享，提高汽車整體工作表現(xiàn)。本文主要是基于CAN總線技術(shù)對(duì)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，介紹了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備的功能以及工作原理，系統(tǒng)硬件的分析，使系統(tǒng)更加智能化，信息采集與處理更加精確化。故基于CAN總線設(shè)計(jì)出智能化、數(shù)字化的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)是車輛胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方向。