基于Power Architecture处理器的便携式TPMS轮胎定位匹配仪设计

1、    基于Power Architecture处理器的便携式TPMS轮胎定位匹配仪设计        李 安， 张 莉 时间:2009年07月01日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>轮胎定位<"cblue&qu

2、ot; " target='_blank'>无线传感器<"cblue" " target='_blank'>胎压监测系统<"cblue" " target='_blank'>车身模块<"cblue" " target='_blank'>数据帧            摘?要：

3、 使用Freescale公司生产的Power Architecture处理器MPC5606S，设计了一种便携式TPMS<"cblue" " title="轮胎定位">轮胎定位匹配仪，并给出了总体方案、详细的硬件设计、软件控制策略和通信协议。最后通过台架测试表明：该系统轮胎定位匹配快速准确、通信可靠、组态灵活，有着广泛的应用前景。关键词： 胎压监测； 轮胎定位匹配； CAN总线?近几年，我国国内轿车年均增长速度飞快，轿车保有量迅速增加，与此同时，因爆胎引起的交通事故也在连年上升，面对这种现状，2008年3月北京“两会”期间，政协建议国

4、家发改委尽快出台汽车胎压监测的国家安全标准1。随着<"cblue" " title="胎压监测系统">胎压监测系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）技术飞速发展和汽车电子安全产品市场的日益成熟化，许多整车厂纷纷尝试在汽车出厂前装配胎压监测系统，例如法国ATEQ公司的C520VT生产装配线2。但目前国内整车厂还没有完整的具备胎压监测系统轮胎定位匹配过程的生产/检验线，使得国内整车出厂前装胎压监测系统不能实现高效化和产业化。针对这项技术在国内的空白，许多整车厂和设计部门提出不少方法和建议3-4，但

5、由于效率不高、造价昂贵、建设周期长、与原先的生产/检验线不能共存等种种问题一直没有得到彻底的解决。本文介绍一种便携式胎压监测系统轮胎定位匹配仪的设计，此方案发挥便携式仪器的特点，使胎压监测系统轮胎定位匹配仪（以下简称轮胎定位匹配仪）与轮胎内的胎压监测系统<"cblue" " title="无线传感器">无线传感器节点（以下简称无线传感器节点）近距离地进行无线数据交互，再使用CAN现场总线技术实现对<"cblue" " title="车身模块">车身模块或生产/检测线主控机

6、等的数据上传，完成匹配。该技术在可靠性、灵活性、经济性等方面有着明显的优势，能提高整车厂加装胎压监测系统的经济效益，也满足了我国汽车行业现有生产/检测线的改装和升级。1 胎压监测系统原理和总体结构整个胎压监测系统采用3 层分布式的结构，包括上位管理层、监控层和现场数据采集层，具体的系统结构框图如图1所示。?在现场数据采集层，无线传感器节点群(胎压监测系统无线传感器节点1、2n)依次收到低频唤醒命令后，现场采集胎压、温度、加速度、电量、节点ID等参数和变量，进行运算和编码处理，通过FSK射频传送方式将这些现场数据依次发送出来；在监控层，轮胎定位匹配仪接收到无线传感器节点发送来的数据后，进行分析、

7、处理和存储，然后通过CAN现场总线将数据上传到上位管理层，或者与BCM（Body Control Module）车身模块1、2m直接进行数据交互，完成匹配（匹配过程也就是获取轮胎内无线传感器节点ID的过程）；在上位管理层，通过汽车厂整车综合性能检测线主控机或修理中心、4S店安全性能检测线主控机或者客户便携式汽车故障诊断仪，接收CAN现场总线传来的无线传感器节点群的参数进行显示、存储、分析、打印等。无线传感器节点完成匹配后，汽车交给驾驶员使用，车身模块内的内置接收机直接接收本台车的无线传感器节点采样的胎压、温度等现场信息，再通过车身模块中的ICM（Instrument Control Modul

8、e）仪表模块直观地显示出来。2 无线传感器节点和轮胎定位匹配仪硬件设计2.1 无线传感器节点硬件设计无线传感器节点主要用来实时监测轮胎内部气压和温度的状况，再通过无线调制方式将数据发送出来。考虑到胎压和温度监测的精确性，无线传感器节点的传感器芯片选用美国Freescale半导体公司生产的MPXY8300芯片，它是一款胎压监测系统专用的S08内核的嵌入式微处理器，片上集成了10位ADC接口的压力、温度、z轴和x轴加速度、电压测量等传感器，内置具有可选的ASK和FSK调制能力的315/434 MHz RF发射机、采用差动输入方式125 kHz的LF的检波/解码接收机、COP看门狗（Computer

9、 Operating Properly Watchdog）、低功耗唤醒定时器、BDC（Background Debug Controller）后台调试控制器等多种硬件资源，无线传感器节点硬件电路原理框图如图2所示。由于MPXY8300微处理器芯片外设功能全面，使得硬件电路设计非常简单，从而提高了无线传感器节点的稳定性。?2.2 轮胎定位匹配仪硬件设计轮胎定位匹配仪既要实现与无线传感器节点进行信息交互，又要通过CAN现场总线和车身模块或者生产/检测线主控机等完成数据上传。为此，轮胎定位匹配仪的主控芯片选用美国Freescale半导体公司生产的新一代Power Architecture系列的汽车级

10、32位嵌入式微控制器MPC5606S。该控制器使用高性能e200z0h的内核处理器，运算能力强，内置SRAM、Flash存储空间、软件看门狗定时器、2路FlexCAN控制器、2路模组输入输出设备eMIOS（enhanced Modular Input Output System）、芯片自带串行启动功能的DMA支持的串行外围设备接口DSPI（Deserial Serial Peripheral Interface）、系统综合单元SIU（System Integration Unit）、图像控制单元DCU（Display Control Unit）、声音发生器等等，MPC5606S 微控制器不仅具

11、有高速运算、实时输入和输出的能力, 同时FlexCAN 等集成模块专门为汽车电子量身定制, 使得轮胎定位匹配仪外接芯片少、 硬件布线少、功耗低，适用于便携式仪器的设计。轮胎定位匹配仪的硬件电路原理框图如图3所示。?MPC5606S片上集成了48 KB的SRAM和1 MB的Flash存储空间，帮助处理器实现高速数据采集、运算和处理，这样的芯片结构使得MPC5606S无须外扩存储芯片，就能完全满足轮胎定位匹配仪的设计要求。MPC5606S内置模组输入输出设备eMIOS，设定PWM方式，向无线传感器节点发出125 kHz的低频唤醒指令，其方法简单有效，功能实现难度低，可靠性强。轮胎定位匹配仪要接收无

12、线传感器节点发送的信号，需要连接外围的射频接收芯片。本设计使用美国Freescale生产的MC33696射频芯片，该芯片频段为304 MHz915 MHz ISM频段，频率范围宽；软件可选择OOK和FSK两种解调方式；内置数字和模拟接收信号强度指示器，接收灵敏度高达108 dBm；带可编程单词识别功能的嵌入式数据处理器；380 kHz的IF过滤器带宽,功能非常强大。MPC5606S使用内置的DSPI模块和GPIO口(通用输入输出口)连接MC33696芯片，直接读取无线传感器节点发送的轮胎压力、温度、加速度、电压、节点ID等信号。MPC5606S芯片的内置FlexCAN控制器的输出信号，不能直接

13、与CAN现场总线物理连接，信号线必须连接CAN接口芯片。本设计中使用了Philips生产的TJA1050，该芯片完全遵循ISO11898规范，通信速率最高可达1 Mb/s，输入级与3.3 V电平兼容，功耗低；芯片电磁辐射低，在暂态时自动对总线引脚进行保护，其差分接收器能抗宽范围的共模干扰和抗电磁干扰，没有上电的节点对总线无影响，具有很强的保护总线能力。轮胎定位匹配仪有人性化的人机界面接口。本设计使用MPC5606S片内的160 KB专用的Video SRAM和DCU图像控制单元直接驱动TFT液晶屏(Wide Quarter VGAWQVGA，400像素×240像素)，使用菜单式界面，

14、显示现场无线传感器节点的状态，并通过芯片内部的SIU系统综合单元实现键盘操作，完成用户对各个无线传感器节点功能参数和轮胎定位匹配仪的设定(包括轮胎位置、低频唤醒命令格式、终端地址、通信速率、操作优先级等)，这些参数直接保存在MPC5606S的片上SRAM里。为保证轮胎定位匹配仪的可靠运行，MPC5606S使用芯片内部的软件看门狗定时器SWT(Software Watchdog Timer)，如果处理器发生故障，软件看门狗定时器将溢出，同时产生一个中断和硬件复位信号重新启动处理器。3 软件控制策略及通信协议3.1无线传感器节点软件控制策略及通信协议无线传感器节点在实时监测胎压的同时，始终在侦听低

15、频唤醒命令。一旦无线传感器节点探测到轮胎定位匹配仪发出的唤醒命令，立即进入中断，在中断响应中判断唤醒命令的格式和要执行的命令，完成采样胎压、温度、加速度等信息，并对无线传感器节点芯片ID和现场采样的数据信息进行曼彻斯特格式编码，然后以FSK的无线调制方式连续发送8个数据响应帧到轮胎定位匹配仪，每个数据响应帧间隔200 ms，具体的无线传感器节点唤醒中断软件流程图如图4所示。无线传感器节点无线通信<"cblue" " title="数据帧">数据帧格式如表1所示。3.2 轮胎定位匹配仪软件控制策略及通信协议轮胎定位匹配仪软件控制策略是

16、：系统操作界面进行初始化，操作人员使用按键在菜单界面上选定左前轮胎的位置和命令，然后启动发送LF唤醒命令，低频唤醒通信数据帧格式如表2所示，同时轮胎定位匹配仪开始接收无线传感器节点响应的数据帧，收到数据帧后，停止发送LF唤醒命令，并在界面上显示胎压、温度、加速度和节点ID等信息；依次对右前、左后、右后轮胎进行唤醒操作，最后完成存储该车的无线传感器节点ID信息，具体的轮胎定位匹配仪匹配过程软件流程图如图5所示。轮胎定位匹配仪与车身模块或生产/检测线等之间的CAN现场总线采用了基于CAN2.0及ISO11898的通信协议，轮胎定位匹配仪CAN报文帧数据场格式如表3所示。轮胎定位匹配仪接入车身模块和

17、生产/检测线等后，上电初始化FlexCAN模块，设置模块配置寄存器MCR和控制寄存器CTRL，然后清空模块报文缓冲区，设置好Rx掩码字节和相应寄存器的中断屏蔽位后，将MCR.HALT置1，FlexCAN模块准备发送字节，进行命令交互，将匹配过程中获取的无线传感器节点的信息上传到车身模块或生产/检测线，使车身模块或生产/检测线能够自动识别无线传感器节点发送的信息，具体的轮胎定位匹配仪CAN通信协议流程图如图6所示。?4 测试与结论在TPMS台架试验设备上，对轮胎定位匹配仪进行了台架测试，主要进行了轮胎定位匹配测试和CAN现场总线通信测试。4.1 轮胎定位匹配测试? 使用轮胎定位匹配仪样机，对不同

18、轮胎位置的无线传感器节点进行持续的信息交互，记录连续300周期的测量数据，并将多组数据进行统计分析, 结果如表4所示。? 由表4统计结果可见，无线传感器节点响应轮胎定位匹配仪样机唤醒命令的实际响应时间接近理想响应时间，响应数据帧误码率低，匹配过程中数据帧有效率大于97.33，说明使用便携式轮胎定位匹配仪和轮胎内的无线传感器节点进行数据交互是可行的。4.2 CAN现场总线通信测试将CANalyst-接口卡连接轮胎定位匹配仪样机，轮胎定位匹配仪读取SRAM内存储的无线传感器节点ID信息，然后遵照CAN2.0的协议完成编码，并进行连续5 min的在线数据通信，表5是轮胎定位匹配仪样机向CAN-BUS上传数据的统计结果。? 由表5可见，轮胎定位匹配仪样机存储数据功能有效，CAN-BUS通信无远程帧和错误帧，说明使用便携式轮胎定位匹配仪将无线传感器节点ID等信息上传到车身模块或生产/检测线等是可行的。?测试结果表明，基于Power Architecture处理器的便携式胎压监测系统轮胎定位匹配仪设计可行，轮胎定位匹配仪能够准确地唤醒和识别不同轮胎位置的无线传感器节点监测的轮胎信息，并且完成数据的分析和存储；在接入CAN-BUS后，轮胎定位匹配仪读取SRAM内的数据正确，上传数据没有错误帧，信息交互正常，性能稳定。参考