基于CAN总线胎压监测系统的研究

黄国桂，张彦会

1.东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005；2.广西科技大学机械与汽车工程学院，广西柳州 545006

0 引言

随着我国制造业的快速发展，在汽车研发与制造方面进行了大量的投入，与此同时随着汽车的自主研发制造能力不断提升，我国汽车制造商进一步扩大了生产规模，使得全国汽车的保有量在逐年递增。据有关部门公布的数据，截至2020年底，我国机动车保有量达到3.72亿辆，其中汽车的保有量占比高达75%，正在实现历史性突破。汽车在人们日常生活中发挥着重要作用，道路上的车辆密度在不断增大，便捷出行，拉近城市距离的同时，交通事故发生的频率也在逐年增加，驾乘人员的生命财产安全受到严重威胁，给社会的发展带来了恶劣影响，引起了社会高度重视。轮胎是车辆重要组成部件，用来支撑车身以及缓冲吸收来自地面的冲击[1]，由于在行驶过程中受到车身重力以及地面摩擦力，所以一直处于高速、高温和高压状态，一旦车辆的轮胎发生异常(如爆胎)，极易引发恶性的交通事故，且爆胎是突发性的，适中的轮胎压力不仅能起到节能的作用，更能直接影响汽车行驶的安全性。目前缺乏有效的装置对其进行预测控制，为了实时掌握轮胎的工作状态，胎压监测系统应运而生且被迅速推广，通过胎压监测系统实时监测轮胎的胎压、温度等关键参数来了解轮胎的状态，判断其是否满足正常行驶的标准要求。因为胎压监测系统能够对轮胎的胎压、温度等重要参数进行实时监测，一旦监测到轮胎的异常参数，便会将警报信息传递至驾驶室。实践证明，胎压监测系统对车辆爆胎具有一定的预防作用，能有效降低因爆胎、轮胎失压造成交通事故的概率[2]。胎压监测系统(TPMS)与安全气囊、防抱死系统(ABS)是汽车三大安全系统。安全气囊与ABS是被动应急使用的，而胎压监测系统却能提前预警潜在事故的发生，并且还可减少因轮胎胎压过高或过低造成的轮胎磨损以及能源消耗，可见胎压监测系统在整车中的重要作用。将CAN总线技术与汽车胎压监测系统结合设计，能提高汽车胎压监测系统的工作性能，因此基于CAN总线的胎压监测系统的研究具有重要的现实意义。

本文首先对CAN总线的结构进行分析;其次对基于CAN总线的胎压监测系统进行总体方案设计，以达到对轮胎胎压、温度进行实时监测的目的;最后对基于CAN总线的胎压监测系统的硬件部分进行设计。

1 CAN总线的结构分析

CAN总线最早是由德国汽车电子制造商BOSCH进行研发，属于多路传输系统的一种，也被称为CANbus、CAN总线，具有制造成本低，传输速率快，抗干扰能力强等优点而被广泛使用[3]，其工作原理如图1所示。

图1 CAN总线工作原理

传统的汽车零部件、各控制单元采用电线线束进行连接，实现功能。现大部分汽车已使用CAN总线技术可以使车辆线束量进一步减少，简化车内线束布局，降低线束成本。CAN总线系统由多个通信节点和两根数据线组成，通信节点为各电气系统控制单元，如整车控制器VCU、ABS控制单元、组合仪表、胎压监测系统控制单元、变速箱TCU、气囊控制单元等均作为CAN通信节点。

CAN控制器的主要功能是接收从控制单元处理器发出的数据指令，根据设置好的程序对指令进行处理，并将处理完的数据指令发送至CAN收发器。CAN控制器也可以将CAN收发器发送的数据指令进行处理，然后发送至控制单元处理器，数据发送与接收的过程是双向传导。向CAN总线上发送信号时：CAN收发器的作用就是对采集到的信号进行转化，通过RX线接收来自CAN控制器上的信号，将电平信号差分至CAN_H和CAN_L。CAN控制器与CAN收发器都是对信息进行接收与发送。数据传送终端电阻主要功能就是防止数据在传输过程中被反射(防止纹波电流产生)，提高信号质量。CAN通信线以双绞线的形式排布传输差分电压信号，主要是防止外界的电磁波对其传输工作的影响，同时也防止信号对外界的辐射。两根双绞线名称分别为CAN-H和CAN-L。CAN总线传输信号主要依靠CAN-H和CAN-L两线之间的电压差值变化来实现。CAN总线还对各车载控制模块起到一个监测的作用，如监测到某一部分运行异常，CAN总线便会将警报信息发送至汽车仪表显示，驾驶员可根据组合仪表上显示警报信息初步判断异常所在，并根据警报信息及时采取相应的应对办法，起到及时止损的作用。

2 基于CAN总线胎压监测系统总体设计

胎压监测系统布置框图如图2所示，其结构框图如图3所示。胎压监测系统包含电源模块，数据采集与无线发射模块，无线接收与CAN发射模块、CAN接收与数据显示模块。

胎压、胎温等传感器信号是由安装在对应位置上的传感器进行信号采集，采集信号经过分压、滤波等处理后，将数据发送至CAN总线，然后仪表中的CAN模块将发送在CAN总线上的信息接收处理后再发送至中央控制单元，根据设定好的算法对所得数据进行处理，最后将处理后的数据在对应的显示屏上显示。

图2 胎压监测系统布置框图

图3 胎压监测系统结构框图

3 系统关键硬件模块分析

3.1 监测模块设计

针对压力传感器的选型，经资料对比分析，行业优势资源飞思卡尔公司生产的压力传感器(MPXY8020A)与英飞凌科技公司的压力传感器(SP12T)都具有低功耗特性，但是综合考虑传感器的测量精度、范围、集成度、电路实现的容易程度等因素,英飞凌SP12T型传感器更适合用作本次设计的胎压监测系统的传感器。SP12T具有4组传输数据的通道：压力、温度、加速度和供电电压，兼容性和稳定性较好。另外SP12T具有独特的传感器标识符，实现识别难度小速度快，当监测到工作环境温度异常会自动关闭，保证所测数据的可靠性[4]。SP12T是一种压电电阻传感器，测量精度高达0.01%～0.03%FS，可用在100～450 kPa的环境下进行压力测量；SP12T所需工作电压为1.8～3.6 V；适应电压范围广。因此本文的传感器模块选择英飞凌科技的SP12T传感器。

3.2 无线收发模块设计

无线收发模块具有无线发射和接收两种功能：胎压传感器实时采集轮胎的胎压和胎温等重要参数，无线发射模块是将采集到的数据通过无线传输的方式发射出去；无线接收模块接收胎压、胎温等数据并发送给主控元件进行数据处理。由于无线发射模块在轮胎内部进行工作，考虑其工作环境的特殊性，无线收发模块须具备相对简单的外围电路和良好低功耗性，同时运用起来易于和单片机进行编程控制，具备较强的抗干扰能力。

综合考虑可选用TI公司的高性能低功耗射频收发芯片(CC1101)作为无线收发模块的核心芯片。CC1101的使用成本低，在低功耗无线设计中被广泛应用。CC1101作为无线收发芯片，具有体积小、稳定性高、工作性能高、功耗低等优点,非常适合作为无线发送与接收模块；自带频率合成器，不需再为其单独提供射频转换器或滤波器，工作所需的外围电路较为简单；有两个64字节的FIF0,RX FIF0负责发送数据，另一个TX FIF0负责接收数据。

3.3 CAN通信模块设计

CAN总线通信模块由CAN控制器和CAN收发器两部分组成。此次研究的胎压监测系统中的中央控制单元内置CAN总线控制器，其主要功能是处理接收到的数据并发送给相对应的执行单元。CAN收发器选用NXP的TJA1050，其主要作用是接收CAN控制器已经处理过的数据信号，拥有最快可达1 Mbit/s传输速度，传输效率得到了极大的提高。CAN通信电路设计如图4所示。

图4 CAN通信电路设计

3.4 主控元件的选用

(1)无线发射模块的主控元件采用MSP430单片机[5]，工作电压为低电源电压(1.8～3.6 V),满足模块的低功耗性能设计需求，使用周期更长；处理数据能力强，片内大量的数据存储器以及寄存器可参加多种运算，在处理传感器采集的数据方面展现出良好的性能；且片内中断源较多，使用较为灵活，可以任意嵌套，编程容易实现。

(2)无线接收以及CAN 发射模块的主控元件采用AT89S52单片机，此单片机是一种功耗低、可靠性高的CMOS 8位微处理器，对于通过无线接收得到数据可很好地处理，并且和CAN发射模块的电平匹配度较高，对于无线接收以及CAN发射模块的控制易于实现[6]。

(3)CAN接收以及控制显示报警模块的主控元件同样采用 AT89S52单片机，控制系统将胎压、胎温显示在仪表或液晶屏上容易实现。

4 结束语

随着汽车研发制造能力以及人们生活质量的不断提升，人们对于汽车在安全性、舒适性的表现也在提高，胎压监测系统的使用可在一定程度上减少爆胎发生的风险。CAN总线将汽车各个模块连接在一个网络上，工作效率得到全面提高，能够使汽车内部传感器更加精确的信息采集并共享，提高汽车整体工作表现。本文主要是基于CAN总线技术对胎压监测系统设计方案进行阐述，介绍了胎压监测系统具备的功能以及工作原理，系统硬件的分析，使系统更加智能化，信息采集与处理更加精确化。故基于CAN总线设计出智能化、数字化的胎压监测系统会是车辆胎压监测系统设计的主要方向。