基于CAN总线的汽车轮胎监测系统的设计

【摘要】据国家公安部统计，我国高速公路上发生的重大交通事故约有70%是由于爆胎引起的。保持标准的车胎气压行驶和及时发现轮胎故障是防止爆胎的关键。汽车轮胎压力监测系统在用于汽车行驶时可以对汽车轮胎的温度或压力进行实时自动检测，并对轮胎故障进行及时报警，属于防止事故发生的主动安全装备。因此，汽车轮胎压力监测系统已成为防止爆胎的理想工具。

【关键词】CAN 总线；监测系统；系统设计

1.总体结构

CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，它最初出现在80年代末的汽车工业里，被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，增加系统的可靠性，减少连线，形成汽车电子控制网络。由于CAN总线具有很高的实时性能在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

CAN总线有较优越的特点：（1）CAN总线为多主站总线，各结点均可在任意时刻主动向网络上的其他结点发送信息，通信灵活。（2）CAN总线上每帧有效字节数最多为8个，传输时间短，受干扰概率低，并有CRC及其他校验措施，具有极好的检错效果，数据出错率极低。（3）走线少，系统扩充容易，改型灵活；（4）数据传输距离可满足5-10米的汽车系统，也可满足长达10km工业应用；并且在40米范围内高速的数据传输速率高达1Mbit/s；（5）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；（6）可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后可自动重发；结点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。

CAN总线可广泛应用于机械制造、纺织机械、医疗器械、消防管理、传感检测、自动仪表等领域。基于CAN总线的汽车轮胎监测系统能实时有效进行轮胎温度\压力数据采集\预警，显示具有广泛的应用前景。它集成于汽车电子中，和诸如发动机控制系统、制动防抱死控制系统（ABS）、牵引力控制系统、仪表管理系统、座椅调节系统、车灯控制系统等高速数据结点通过CAN总线连接起来集中由高性能处理器统一处理、控制，可大大降低系统的复杂度，减少布线，增加系统的安全性和可靠性，是汽车电子发展的趋势。

基于CAN总线的汽车轮胎监测系统总体框图如图1所示。其中，虚线框内部分别是检测处理和中央控制模块，虚线框外部为汽车其它电子控制单元，它们都通过CAN总线相连，实现数据共享和信息传递。

2.系统设计

2.1 传感器

导致轮胎故障的主要因素有：气压、温度、负荷、速度、路况、环境温度、连续行驶时间等，其中气压和温度影响最大。因此轮胎温度、压力参数的检测是关键，不但要保证参数测量的精度、速度等指标满足系统的需求，还要保证传感器在测量和待机过程中消耗的电流较小以满足系统的电池寿命要求。另外，传感器工作在轮胎中，环境状况十分恶劣，因此传感器还应满足在温度、潮湿、震动等环境参数十分恶劣的条件下的工作需求。综合上述因素，选用英飞凌的SP12传感器，它可以同时传输四组不同的数据（温度、压力、加速度和供电），并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口CMOS大规模集成电路，但不含MCU，因此可选用通用MCU，不必采用专用的开发平台。

2.2 数据采集处理器

读取英飞凌SP12传感器测得的温度、压力值，需要外部的处理器。SP12传感器可以和多种微控制器相连，本系统考虑选用P89LPC913微控制器。此控制理器的主要功能是接收125kHz的低频唤醒信号，控制RF发射器在不同的模式下工作。P89LPC

913是一款单片封装的微控制器，适合于许多高集成度、低成本要求的场合，可以满足多方面的性能需求。P89LPC913采用了高性能的处理器结构指令，执行时间只需2到4个时钟周期，当操作频率为12MHz时，除乘法和除法指令外，高速80C51 CPU的指令执行时间为167～333ns，同一时钟频率下其速度为标准80C51器件的6倍，只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和EMI。P89LPC913集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积这样也降低了系统的成本。

2.3 无线射频发射器和接收器

由于采用了直接式的温度、压力测量方法，传感器必须安装在轮胎内部，这样导致了走线的困难，因此传感器与CAN总线之间的通信采用无线通信技术。由于处于高速行驶等工作环境比较恶劣的场合，而且存在着屏蔽、干扰性等问题，信号会出现漂移以及时有时无的情况，并且在使用手机、汽车音响等产品时，相互会有干扰，会影响信号的稳定性，系统需要着力解决的关键技术是无线信号传输的稳定性和可靠性问题，特别是高速行驶时的信号传输的稳定性。德国英飞凌在无线信号传输技术方面有着特别领先地位，利用它的无线信号传输收发模块可以解决这些问题。因此本系统选用英飞凌的TDK510XF系列芯片，它可用于不同的频带（315、434、868和915MHz），并可进行ASK和FSK调制。该装置包含一个全面集成的PLL合成器和一个高效功率放大器来驱动环形天线。在RF输出功率为5dBm，电阻为50欧的情况下，典型的耗电量为7mA（可以视为最低的耗电量）。该装置可在－40℃到125℃的温度范围内运行，并采用小型P-TSSOP-10封装。RF的信号接收可用与之配套的无线射频接收芯片TDA5210。

2.4 中央控制模块

中央控制模块的主要功能是接收各节点的数据，对其进行统一处理、控制。在本系统中主要接收温度、压力值，根据一定的策略产生声光预警信号。系统采用性价比高、功能比较强大的基于ARM7内核的S3C44B0X芯片作为中央控制处理器，它提供了丰富的内置部件，包括：8KBCache和内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器），带PWM功能的5通道定时器和一个内部定时器，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倍频器。66MHz的工作主频对应的信号上升时间在2ns左右，对应的集总模型尺寸分界点为60cm，而实际设计中最大板子的尺寸为17cm×11cm，因此不用过多的考虑分布效应的影响，减少了设计的难度。S3C44B0X是目前国内使用较为普遍的ARM处理器，有较为丰富的资源可以参考，同时，采购比较方便，成本亦较低。由于S3

C44B0X没有预留CAN接口，要实现CAN总线的连接和数据传输，通过SPI同步串行接口和Microchip公司生产的一种独立的可编程CAN控制器芯片MCP2510控制器相连。

3.硬件抗干扰设计与电池寿命分析

3.1 硬件抗干扰设计

由于系统的工作环境比较恶劣，汽车行驶过程中会产生较大的噪声干扰，因此，在系统的设训中要考虑抗干扰性能。由于数据传输的工作频率高达433MHz，因此采样发射部分的抗干扰及电磁兼容性设计就显得尤为重要。针对上述情况，可以采取以下抗干扰措施：

（1）布置元件时低频数字电路与高频电路间隔一定距离，避免高频信号对数字电路产生干扰。整个电路尽量缩短导线长度，使高频电路中分布参数尽可能小。

（2）为了避免数字信号通过布线间的寄生电容耦合到模拟输入端，数字信号的输入端与模拟信号的输入端尽量远离。

（3）走线平滑自然，避免长距离平行走线以抑制印刷线条之间的串扰；用铜箔做成大面积接地；在印制板的各关键位置配置去藕电容。

（4）供电电源使用去耦电容防止电扰动，并在电压变换电路中增加电容滤波处理，把干扰的可能性降到最小。

（5）精心选择元器件，应当尽量选择集成化程度高、抗干扰能力强、功耗小的元器件。电阻、电容和电感都尽量选用贴片元件，它们具有体积小、高频特性好、温度系数小等优点。

3.2 电池寿命分析

轮胎监测系统的寿命主要受其发射装置影响，因为它置于轮胎内部，检修不方便，所以要求轮胎模块电池的寿命较长。

该轮胎监测系统具有极低的功耗，已知锂离子电池的容量为500mAh，正常工作下轮胎模块平均每60秒向主机发送一次数据，发送时间为l00 ms。

则平均电流为：

I=(8×10-3×59.9+8×0.1)/60+0.6×10-3+0.6×10-3=0.03332(mA)

工作寿命即为：

由此可知，如果系统连续24小时工作的话，1节电池可工作近2年时间，2节电池基本能满足轮胎3-5年的使用寿命要求。

4.系统调试

鉴于系统比较复杂，在实验室环境下采取仿真分布调式策略。

（1）中央控制模块在北京博创UP-NETARM3000嵌入式实验平台上进行调试。

（2）采用环回测试模式调式中央控制模块的CAN总线控制器功能状况。

（3）采用环回模式调式单片机结点自发自收性能，可在简单结点的MCU上临时扩展一LED，作为收到报文的显示。

（4）对TPMS结点模块单独进行测试，外围扩展LED指示灯，显示是否接收到有效数据。

（5）采用正常发送模式测试中央控制模块和TPMS结点之间的通信。

5.小结

本文主要研究了基于CAN总线的汽车轮胎监测系统的硬件设计，提出了总体结构图。分析了汽车轮胎监测系统硬件的选取和连接实现机制，尤其对电池的寿命和系统的抗干扰性提出了可行性解决方案。

参考文献

[1]郭晓俐,陈祖爵.CAN总线在汽车轮胎监测系统中的应用设计[J].计算机应用与软件,2008(07).

[2]孙述鹏.汽车胎压监测系统的研究与设计[D].合肥工业大学,2007.

[3]鲁照权,沈俊峰.汽车轮胎压力监测系统[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2007(03).

作者简介：

辛峰杰（1977—），男，江苏无锡人，无锡机电高等职业技术学校讲师，研究方向：通信与控制工程。

王琴（1975—），女，江苏无锡人，无锡机电高等职业技术学校讲师，研究方向：通信与控制工程。

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