近幾年，我國(guó)國(guó)內(nèi)轎車年均增長(zhǎng)速度飛快，轎車保有量迅速增加，與此同時(shí)，因爆胎引起的交通事故也在連年上升，面對(duì)這種現(xiàn)狀，2008年3月北京“兩會(huì)”期間，政協(xié)建議國(guó)家發(fā)改委盡快出臺(tái)汽車胎壓監(jiān)測(cè)的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)[1]。

    隨著胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPMS（Tire Pressure Monitoring System）技術(shù)飛速發(fā)展和汽車電子安全產(chǎn)品市場(chǎng)的日益成熟化，許多整車廠紛紛嘗試在汽車出廠前裝配胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如法國(guó)ATEQ公司的C520VT生產(chǎn)裝配線[2]。但目前國(guó)內(nèi)整車廠還沒(méi)有完整的具備胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輪胎定位匹配過(guò)程的生產(chǎn)/檢驗(yàn)線，使得國(guó)內(nèi)整車出廠前裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)高效化和產(chǎn)業(yè)化。針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的空白，許多整車廠和設(shè)計(jì)部門提出不少方法和建議[3-4]，但由于效率不高、造價(jià)昂貴、建設(shè)周期長(zhǎng)、與原先的生產(chǎn)/檢驗(yàn)線不能共存等種種問(wèn)題一直沒(méi)有得到徹底的解決。

    本文介紹一種便攜式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輪胎定位匹配儀的設(shè)計(jì)，此方案發(fā)揮便攜式儀器的特點(diǎn)，使胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輪胎定位匹配儀（以下簡(jiǎn)稱輪胎定位匹配儀）與輪胎內(nèi)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)）近距離地進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)交互，再使用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車身模塊或生產(chǎn)/檢測(cè)線主控機(jī)等的數(shù)據(jù)上傳，完成匹配。該技術(shù)在可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，能提高整車廠加裝胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，也滿足了我國(guó)汽車行業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)/檢測(cè)線的改裝和升級(jí)。

1 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)
    整個(gè)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用3 層分布式的結(jié)構(gòu)，包括上位管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)群(胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)1、2…n)依次收到低頻喚醒命令后，現(xiàn)場(chǎng)采集胎壓、溫度、加速度、電量、節(jié)點(diǎn)ID等參數(shù)和變量，進(jìn)行運(yùn)算和編碼處理，通過(guò)FSK射頻傳送方式將這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)依次發(fā)送出來(lái)；在監(jiān)控層，輪胎定位匹配儀接收到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)，然后通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)上傳到上位管理層，或者與BCM（Body Control Module）車身模塊1、2…m直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成匹配（匹配過(guò)程也就是獲取輪胎內(nèi)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)ID的過(guò)程）；在上位管理層，通過(guò)汽車廠整車綜合性能檢測(cè)線主控機(jī)或修理中心、4S店安全性能檢測(cè)線主控機(jī)或者客戶便攜式汽車故障診斷儀，接收CAN現(xiàn)場(chǎng)總線傳來(lái)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)群的參數(shù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析、打印等。[nextpage]

    無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)完成匹配后，汽車交給駕駛員使用，車身模塊內(nèi)的內(nèi)置接收機(jī)直接接收本臺(tái)車的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采樣的胎壓、溫度等現(xiàn)場(chǎng)信息，再通過(guò)車身模塊中的ICM（Instrument Control Module）儀表模塊直觀地顯示出來(lái)。

2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和輪胎定位匹配儀硬件設(shè)計(jì)
2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部氣壓和溫度的狀況，再通過(guò)無(wú)線調(diào)制方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái)?？紤]到胎壓和溫度監(jiān)測(cè)的精確性，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器芯片選用美國(guó)Freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MPXY8300芯片，它是一款胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用的S08內(nèi)核的嵌入式微處理器，片上集成了10位ADC接口的壓力、溫度、z軸和x軸加速度、電壓測(cè)量等傳感器，內(nèi)置具有可選的ASK和FSK調(diào)制能力的315/434 MHz RF發(fā)射機(jī)、采用差動(dòng)輸入方式125 kHz的LF的檢波/解碼接收機(jī)、COP看門狗（Computer Operating Properly Watchdog）、低功耗喚醒定時(shí)器、BDC（Background Debug Controller）后臺(tái)調(diào)試控制器等多種硬件資源，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路原理框圖如圖2所示。由于MPXY8300微處理器芯片外設(shè)功能全面，使得硬件電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，從而提高了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

2.2 輪胎定位匹配儀硬件設(shè)計(jì)
    輪胎定位匹配儀既要實(shí)現(xiàn)與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，又要通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線和車身模塊或者生產(chǎn)/檢測(cè)線主控機(jī)等完成數(shù)據(jù)上傳。為此，輪胎定位匹配儀的主控芯片選用美國(guó)Freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代Power Architecture系列的汽車級(jí)32位嵌入式微控制器MPC5606S。該控制器使用高性能e200z0h的內(nèi)核處理器，運(yùn)算能力強(qiáng)，內(nèi)置SRAM、Flash存儲(chǔ)空間、軟件看門狗定時(shí)器、2路FlexCAN控制器、2路模組輸入輸出設(shè)備eMIOS（enhanced Modular Input Output System）、芯片自帶串行啟動(dòng)功能的DMA支持的串行外圍設(shè)備接口DSPI（Deserial Serial Peripheral Interface）、系統(tǒng)綜合單元SIU（System Integration Unit）、圖像控制單元DCU（Display Control Unit）、聲音發(fā)生器等等，MPC5606S 微控制器不僅具有高速運(yùn)算、實(shí)時(shí)輸入和輸出的能力, 同時(shí)FlexCAN 等集成模塊專門為汽車電子量身定制, 使得輪胎定位匹配儀外接芯片少、 硬件布線少、功耗低，適用于便攜式儀器的設(shè)計(jì)。輪胎定位匹配儀的硬件電路原理框圖如圖3所示。

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    MPC5606S片上集成了48 KB的SRAM和1 MB的Flash存儲(chǔ)空間，幫助處理器實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算和處理，這樣的芯片結(jié)構(gòu)使得MPC5606S無(wú)須外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片，就能完全滿足輪胎定位匹配儀的設(shè)計(jì)要求。

    MPC5606S內(nèi)置模組輸入輸出設(shè)備eMIOS，設(shè)定PWM方式，向無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出125 kHz的低頻喚醒指令，其方法簡(jiǎn)單有效，功能實(shí)現(xiàn)難度低，可靠性強(qiáng)。

　輪胎定位匹配儀要接收無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，需要連接外圍的射頻接收芯片。本設(shè)計(jì)使用美國(guó)Freescale生產(chǎn)的MC33696射頻芯片，該芯片頻段為304 MHz～915 MHz ISM頻段，頻率范圍寬；軟件可選擇OOK和FSK兩種解調(diào)方式；內(nèi)置數(shù)字和模擬接收信號(hào)強(qiáng)度指示器，接收靈敏度高達(dá)108 dBm；帶可編程單詞識(shí)別功能的嵌入式數(shù)據(jù)處理器；380 kHz的IF過(guò)濾器帶寬,功能非常強(qiáng)大。MPC5606S使用內(nèi)置的DSPI模塊和GPIO口(通用輸入輸出口)連接MC33696芯片，直接讀取無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的輪胎壓力、溫度、加速度、電壓、節(jié)點(diǎn)ID等信號(hào)。

    MPC5606S芯片的內(nèi)置FlexCAN控制器的輸出信號(hào)，不能直接與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線物理連接，信號(hào)線必須連接CAN接口芯片。本設(shè)計(jì)中使用了Philips生產(chǎn)的TJA1050，該芯片完全遵循ISO11898規(guī)范，通信速率最高可達(dá)1 Mb/s，輸入級(jí)與3.3 V電平兼容，功耗低；芯片電磁輻射低，在暫態(tài)時(shí)自動(dòng)對(duì)總線引腳進(jìn)行保護(hù)，其差分接收器能抗寬范圍的共模干擾和抗電磁干擾，沒(méi)有上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線無(wú)影響，具有很強(qiáng)的保護(hù)總線能力。

    輪胎定位匹配儀有人性化的人機(jī)界面接口。本設(shè)計(jì)使用MPC5606S片內(nèi)的160 KB專用的Video SRAM和DCU圖像控制單元直接驅(qū)動(dòng)TFT液晶屏(Wide Quarter VGA－WQVGA，400像素×240像素)，使用菜單式界面，顯示現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并通過(guò)芯片內(nèi)部的SIU系統(tǒng)綜合單元實(shí)現(xiàn)鍵盤操作，完成用戶對(duì)各個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功能參數(shù)和輪胎定位匹配儀的設(shè)定(包括輪胎位置、低頻喚醒命令格式、終端地址、通信速率、操作優(yōu)先級(jí)等)，這些參數(shù)直接保存在MPC5606S的片上SRAM里。

    為保證輪胎定位匹配儀的可靠運(yùn)行，MPC5606S使用芯片內(nèi)部的軟件看門狗定時(shí)器SWT(Software Watchdog Timer)，如果處理器發(fā)生故障，軟件看門狗定時(shí)器將溢出，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷和硬件復(fù)位信號(hào)重新啟動(dòng)處理器。

3 軟件控制策略及通信協(xié)議
3.1無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件控制策略及通信協(xié)議
    無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)胎壓的同時(shí)，始終在偵聽低頻喚醒命令。一旦無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)到輪胎定位匹配儀發(fā)出的喚醒命令，立即進(jìn)入中斷，在中斷響應(yīng)中判斷喚醒命令的格式和要執(zhí)行的命令，完成采樣胎壓、溫度、加速度等信息，并對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)芯片ID和現(xiàn)場(chǎng)采樣的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行曼徹斯特格式編碼，然后以FSK的無(wú)線調(diào)制方式連續(xù)發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)響應(yīng)幀到輪胎定位匹配儀，每個(gè)數(shù)據(jù)響應(yīng)幀間隔200 ms，具體的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒中斷軟件流程圖如圖4所示

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3.2 輪胎定位匹配儀軟件控制策略及通信協(xié)議
    輪胎定位匹配儀軟件控制策略是：系統(tǒng)操作界面進(jìn)行初始化，操作人員使用按鍵在菜單界面上選定左前輪胎的位置和命令，然后啟動(dòng)發(fā)送LF喚醒命令，低頻喚醒通信數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，同時(shí)輪胎定位匹配儀開始接收無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，收到數(shù)據(jù)幀后，停止發(fā)送LF喚醒命令，并在界面上顯示胎壓、溫度、加速度和節(jié)點(diǎn)ID等信息；依次對(duì)右前、左后、右后輪胎進(jìn)行喚醒操作，最后完成存儲(chǔ)該車的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)ID信息，具體的輪胎定位匹配儀匹配過(guò)程軟件流程圖如圖5所示。

    輪胎定位匹配儀與車身模塊或生產(chǎn)/檢測(cè)線等之間的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線采用了基于CAN2.0及ISO11898的通信協(xié)議，輪胎定位匹配儀CAN報(bào)文幀數(shù)據(jù)場(chǎng)格式如表3所示。輪胎定位匹配儀接入車身模塊和生產(chǎn)/檢測(cè)線等后，上電初始化FlexCAN模塊，設(shè)置模塊配置寄存器MCR和控制寄存器CTRL，然后清空模塊報(bào)文緩沖區(qū)，設(shè)置好Rx掩碼字節(jié)和相應(yīng)寄存器的中斷屏蔽位后，將MCR.HALT置1，F(xiàn)lexCAN模塊準(zhǔn)備發(fā)送字節(jié)，進(jìn)行命令交互，將匹配過(guò)程中獲取的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的信息上傳到車身模塊或生產(chǎn)/檢測(cè)線，使車身模塊或生產(chǎn)/檢測(cè)線能夠自動(dòng)識(shí)別無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，具體的輪胎定位匹配儀CAN通信協(xié)議流程圖如圖6所示。[nextpage]

4 測(cè)試與結(jié)論
    在TPMS臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備上，對(duì)輪胎定位匹配儀進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試，主要進(jìn)行了輪胎定位匹配測(cè)試和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信測(cè)試。

4.1 輪胎定位匹配測(cè)試
    使用輪胎定位匹配儀樣機(jī)，對(duì)不同輪胎位置的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)的信息交互，記錄連續(xù)300周期的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將多組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果如表4所示。

    由表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)輪胎定位匹配儀樣機(jī)喚醒命令的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間接近理想響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)數(shù)據(jù)幀誤碼率低，匹配過(guò)程中數(shù)據(jù)幀有效率大于97.33％，說(shuō)明使用便攜式輪胎定位匹配儀和輪胎內(nèi)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是可行的。

4.2 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信測(cè)試
    將CANalyst-Ⅱ接口卡連接輪胎定位匹配儀樣機(jī)，輪胎定位匹配儀讀取SRAM內(nèi)存儲(chǔ)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)ID信息，然后遵照CAN2.0的協(xié)議完成編碼，并進(jìn)行連續(xù)5 min的在線數(shù)據(jù)通信，表5是輪胎定位匹配儀樣機(jī)向CAN-BUS上傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

    由表5可見，輪胎定位匹配儀樣機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能有效，CAN-BUS通信無(wú)遠(yuǎn)程幀和錯(cuò)誤幀，說(shuō)明使用便攜式輪胎定位匹配儀將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)ID等信息上傳到車身模塊或生產(chǎn)/檢測(cè)線等是可行的。

    測(cè)試結(jié)果表明，基于Power Architecture處理器的便攜式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輪胎定位匹配儀設(shè)計(jì)可行，輪胎定位匹配儀能夠準(zhǔn)確地喚醒和識(shí)別不同輪胎位置的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的輪胎信息，并且完成數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)；在接入CAN-BUS后，輪胎定位匹配儀讀取SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)正確，上傳數(shù)據(jù)沒(méi)有錯(cuò)誤幀，信息交互正常，性能穩(wěn)定。