发表于：2009/12/10 16:50:47
#0楼
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。
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。
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。
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。
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图1 tpms信号处理流程
基于npx1传感芯片的发射模块设计
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。
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图2 传感模块原理图
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。
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图3 传感模块程序流程
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。
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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。
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
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采样点
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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。
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图6 can总线仿真测试图
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。
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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。
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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。
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图9 lin总线事件触发图
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。
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图10 射频数字天线流程图
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图11 射频数字天线流程图
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。
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图12 trms系统跑车测试数据跟踪图
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。
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原文地址： Http://blog.gkong.com/more.asp?id=107239&Name=ecaij
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。
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。
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。
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
基于npx1传感芯片的发射模块设计
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
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
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。
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
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。
图9 lin总线事件触发图
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
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
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。
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