综合CAN和LIN通信功能的TPMS设计和应用

1 引言 

本文通过TPMS在国外某车型上的设计和应用，详细介绍TPMS软硬件设计方法。本方案中综合了CAN、LIN总线的设计，满足了TPMS在实际应用中的整车布线要求，并与整车总线集成，真正实现了TPMS的系统化、智能化。 

2 项目需求分析及TPMS系统方案设计 

TPMS的设计是一个系统工程，除了产品本身的设计，需要更多关注其应用环境——汽车本身，从TPMS的安装、布线、功能、性能、通信、干扰等方面来分析，从而明确TPMS的设计要求，确定其技术方案。 

2.1 TPMS技术需求分析 

根据车辆具体环境，对TPMS的特殊技术要求分析如下： 

a) 射频信号传输是TPMS系统中的一个关键技术。当轮胎内发射信号要传输到车内接收系统时，首先轮胎要造成信号衰减，其次车辆本身的金属壳体相当于一个屏蔽盒，这样会造成TPMS信号很不稳定。特别在此项目中针对的高端车型，车辆对射频信号的影响更大。 

b) 轮胎内的胎压传感模块是TPMS设计中的核心内容，由于轮胎内恶劣的应用环境，使其设计面临诸多难点。 

c)在本项目设计中，原车具有1Mbps高速CAN的通信功能，因此TPMS必须与整车的CAN总线集成，实现系统的信息化、智能化控制。 

2.2 TPMS应用方案设计 

TPMS系统包含：四个胎压传感模块、一个ECU主控模块、两个射频数字天线模块以及CAN/LIN通讯线材。其信息处理及传输过程如图1所示。 

                                                   图1 TPMS信号处理流程

3 基于NPX1传感芯片的发射模块设计 

3.1 传感模块的硬件电路设计 

NPX是高精度传感器和低功耗单片机的集成芯片，是应用于TPMS的专用芯片，具有功能完善、性能可靠、应用灵活等显著优点。主要实现对轮胎压力/温度的测量、信号放大、A/D转化、数据的计算和校准、数字信号编码输出等过程。 

T5754是高增益输出的射频芯片，通过不同的外围电路设计可以实现ASK/FSK调制信号。外部晶振Y1为该芯片提供基准频率，不同的频率经过32倍频后，可以实现315MHz或434MHz的射频信号。 

图 2是胎压传感模块的原理图，软件设置P14作为数据流输出端口，数据流的高低电平不断切换开集电极三极管Q1的导通和闭合，而达到对晶振Y1负载电容 C7||C8的容值改变，由此影响晶振的谐振频率，实现FSK的调制功能。另外电路中的C1、L1、R1相并联，组成低频接口，专用于接收125kHz的低频信号，可以实现对胎压传感的主动唤醒，从而进行功能检测或双向通信。 

                                                   图2 传感模块原理图

3.2 传感模块固件程序设计 

传感模块的固件程序设计主要围绕省电和可靠性设计。针对TPMS的特殊应用，NPX具有ITOV、LTOV、LF WUP等中断功能，这样可以使整个发射模块在大部分时间处于休眠状态，只有当中断发生时，才处于短暂的工作状态。 

图 3为固件程序流程图。ITOV为4s定时中断主线工作流程，当车辆运行时，可以4s的间隔采样轮胎的压力和温度数据，并根据系统判断，实现对压力、温度等轮胎信息的无线发送；LTOV为200μs的定时中断，当ITOV和LTOV配合工作进行低频窗口的打开和关闭时，可以实现每4s打开一次200μs的低频窗口，等待低频信号的唤醒，这样可以极大地降低整个传感模块的功耗；WUP为低频信号唤醒中断，当外部设备发送125kHz的低频信号时，传感模块将被唤醒，接收低频数据，并根据低频命令发送射频信号，实现外部设备对传感模块的检测。另外该低频功能也被应用于TPMS的双向通信中，可实现TPMS接收模块对传感模块的主动查询。 

                                                图3 传感模块程序流程

4 综合CAN和LIN的TPMS接收系统设计 

本TPMS接收系统具有很强的系统扩展性，尤其对射频数字天线的设计，一定要设计者对具体车辆的无线电传输环境做可靠的评估，从而决定LIN总线上的射频数字天线的节点数。另外根据系统设计需求，在LIN总线上扩展四个低频唤醒模块，如4图示蓝色部分为LIN总线上扩展的模块，分别安装在轮胎附近，由ECU 主控模块给四个低频唤醒模块发送命令，再由低频唤醒模块发送低频信号激活轮胎内的压力传感模块，实现TPMS的双向通信，达到ECU主控模块对轮胎信息的主动、实时查询。 

                                                  图4 LIN总线扩展图

　 　
在本项目设计中，根据客户需求和系统无线电环境，TPMS设计为单向传输系统，并在底盘的前后安装两个射频数字天线。[page]

5 ECU主控模块硬件电路设计 

如图5为ECU 主控模块原理设计图。MC9S08DZ16是Freescale公司推出的一款高性能8位单片机，采用HCS08内核，最高运行频率可达40MHz，具有CAN、LIN等丰富的设备资源，实现对数据的接收、处理、发送及整个系统的控制。 

TJA1050是高速CAN收发器，最高可达1Mbps的数据传输率；TJA1020是LIN收发器，速率可达20kbps。这两个芯片都是Philips推出的总线驱动芯片，具有很强的EMC性能和传输稳定性。 

在本模块设计中，高速CAN的电路设计是关键步骤，它直接关系到TPMS与车辆系统之间通信的兼容性和可靠性，现将设计要点归纳如下： 

a) PCB设计：在高速CAN的应用中，PCB设计中对CAN元器件的布线是至关重要的，一方面要保证高速CAN的传输线尽量短、布线紧凑、分布电容小，以减小回路面积，增强抗干扰性能；另一方面要保证高速信号的流畅性，避免布线走弯和交叉，容易引起信号的串扰和不稳定。实践证明，布线合理的PCB不但信号稳定而且传输距离也很远。

b) 负载匹配：CAN网络设计中，节点和总线的负载匹配是很重要的指标，特别针对高速CAN的设计更应该关注。TPMS作为汽车系统中CAN网络的一个节点，其负载设计必须充分考虑系统总线的设计要求。 

c) 传输率的配置：CAN信号传输中每个Bit都由三个部分组成，分别为SYNC_SEG、T_SEG1、T_SEG2，我们必须兼顾传输率、采样点等系统要求对CAN控制器进行合理的寄存器配置。 

在本系统中如图5，选择外部晶振Y1给CAN控制器提供fcanclk=8MHz的时钟信号，通过寄存器分别配置SYNC_SEG=1、T_SEG1=4、T_SEG2=3，总线预分频 Prescale Value="1"。 

CAN总线的速率 

采样点 

                                                图5 ECU主控模块原理图

d) CAN总线仿真和测试：当CAN总线的软硬件设计完成后，基本的功能、性能仿真和测试是必要的过程。在此项目中，采用了Kvaser CAN总线诊断工具进行仿真测试，可以模拟被测节点与网路上其他CAN节点之间的信息交换，实时跟踪CAN总线上的数据传输。另外可以通过该诊断工具随机向CAN总线发送干扰数据流，测试CAN总线上的数据可靠性。 

如图6示为CAN工具的数据仿真测试。其中红线标注的数据帧0x343、 0x344、0x345为TPMS的ECU主控模块向车辆系统发送的轮胎信息及TPMS系统状态信息；蓝线标注的数据帧0x1A0是模拟车辆系统向 TPMS发送的车速信息；其他数据帧为仿真器在总线上随机发送的干扰数据帧。 

                                                 图6 CAN总线仿真测试图

6 射频数字天线的硬件电路设计 

射频数字天线原理如图7示，主要由射频接收芯片、单片机、LIN收发芯片组成。MC33594是一个具有自动增益控制的高灵敏度的OOK/FSK接收芯片，主要负责射频信号的接收和解调，并通过SPI接口以中断的方式将数据传输给MC9S08SG8单片机，该单片机将数据处理后组成LIN数据包，当LIN总线上有主机请求数据时，LIN数据包将会通过TJA1020被发送到LIN总线上。 

                                            图7 射频数字天线原理图

LIN 总线的报文帧由报文头和响应场组成，波形分析图如图8所示。报文头由主机发送，包括了一个同步间隔场、一个同步场和一个标识符场，其中标识符场就是主机发送给从机的事件命令。从机接收到该命令后根据协议规定发送或接收8字节数据和校验和，就构成了响应场。由此，完成主机对每个从机的逐一访问和信息传递。 

                                         图8 LIN数据波形分析图

LIN总线是一个单主机多从机的网络结构。在本系统的LIN总线设计中，主要实现ECU主控模块(主机)对两个射频数字天线(从机)的配置和对轮胎数据的读取。如图9为LIN总线上的信息事件的触发工作图。 [page]

                                           图9 LIN总线事件触发图

7 TPMS接收系统的固件程序设计 

如图10和11分别为射频数字天线和ECU主控模块的固件程序流程图。射频数字天线主要以SPI中断方式接收射频数据，并以LIN请求中断的方式发送LIN 数据帧。ECU主控模块以定时查询的方式工作：每隔1s主动发送CAN数据帧；每隔2s主动查询射频数字天线的数据；每隔30s主动检测TPMS系统的内部故障。另外ECU主控模块可以中断方式接收CAN总线上的数据，实现对TPMS之发射模块ID的注册、参数设置及车辆信息共享等功能。 

                                             图10 射频数字天线流程图

　                                         图11 射频数字天线流程图

8 设计验证 

TPMS 设计是可靠性要求非常高的汽车安全系统，必须从失效分析的角度制定严格而科学的可靠性验证计划，包括实验室测试和现场耐久性跑车测试。如图12为TPMS 安装在国外某款车上进行耐久跑车时，采用CAN分析仪对CAN数据进行连续采集、跟踪的报告，四个不同颜色的曲线分别代表了车辆在运行中每个轮胎的气压变化，由图可知，TPMS系统能够非常准确可靠地监测轮胎气压。 

                                               图12 TRMS系统跑车测试数据跟踪图

9 结语 

本文以客户需求为导向，阐述了一种可靠的TPMS技术方案，并从系统分析、方案构建、模块设计、系统调试、项目验证等典型应用过程，详细介绍了TPMS的设计思路和步骤。该系统虽然布局复杂、模块众多，但彻底解决了TPMS无线信号不稳定的严重失效问题，根据车辆环境的具体要求，可以对系统进行有效裁减或扩展，以满足不同车型的灵活设计。然而TPMS的设计毕竟是复杂的过程，特别在不同汽车环境的应用中，尚面临许多问题，还需进一步研究，使TPMS更加可靠、智能化地应用于汽车安全中。