基于can总线技术的胎压监测系统大学论文.docx

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基于can总线技术的胎压监测系统大学论文

摘要

伴随着工业经济的快速发展，汽车已经在社会上得到大量的使用，方便和便捷的公路交通，给人们带来了很多便利，但是伴随着汽车的大量使用，各种恶性的公路交通事故给人们的生命安全和社会经济的发展带来了严重的危害和损失。

统计表明引起交通事故增长的主要原因是由于在公路行驶当中因轮胎故障所引起的轮胎爆胎，因而如何解决和防止轮胎爆胎，已成为全球的首要问题。

为了防止和解决轮胎爆胎，轮胎压力监测系统（TPMS）就这样应运而生，并且作为汽车三大安全系统之一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统（ABS）一起被大众认可并受到应有的重视。

同时，在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来，而CAN总线协议所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

针对当今的汽车运行安全问题，基于CAN总线技术在胎压监测系统中应用的设计，以及对于CAN总线通信协议技术如何提高汽车安全性能的研究具有非常重要的现实意义。

本次论文对CAN总线技术和胎压监测系统的相关知识进行了系统的研究，并提出了基于CAN总线技术的胎压监测系统设计方案，从而实现轮胎压力和温度变化信息的实时采集、传送以及通过CAN总线协议传输到驾驶室的主控元件中并显示的显示屏中，以达到汽车驾驶员能够在第一时间掌握汽车轮胎压力和温度的变化要求，并做出相应的反应，从而避免事故的发生。

本次设计采用检测技术、无线通信技术、单片机技术、软件编程以及CAN总线技术来设计总体的系统。

系统的设计包括数据的采集、监测和处理，无线发射、无线接收以及MCU数据的处理、CAN总线模块、MCU控制显示以及报警模块。

通过基于CAN总线技术在胎压监测系统中应用的设计，实现对于汽车轮胎的气压和温度进行实时的监测、显示、处理以及报警的功能，实现设计的各项指标。

关键词：

CAN总线技术；胎压监测系统；轮胎压力；轮胎温度

Abstract

Alongwiththerapiddevelopmentofindustrialeconomy,thecarhasbeeninthecommunitywithalotofuse,convenienceandeaseroadtraffic,alotofconveniencetothepeople,butalongwiththeextensiveuseofmotorvehicles,avarietyofmalignantroadtrafficaccidentstopeoplesafetyoflifeandsocio-economicdevelopmenthasbroughtseriousdamageandloss.Statisticsshowthatthemaincauseaccidentsgrowthisatirepuncturecausedbytirefailureinwhichthehighway,andthushowtosolveandpreventthetirepuncturehasbecometheworld'smostimportantissue.Inordertopreventandsolvetirepuncture,thetirepressuremonitoringsystem（TPMS）thuscameintobeing,andasoneofthecarthethreesafetysystems,andautomotiveairbags,anti-lockbrakingsystem（ABS）withpublicrecognitionanddueattention.Meanwhile,inthecurrentautomotiveindustry,forsafety,comfort,convenience,lowpollution,low-costrequirementsofavarietyofelectroniccontrolsystemisdeveloped,theCANbusprotocolhasahighreliabilityanderrordetectioncapabilitiesattention,iswidelyusedinharshautomotivecomputercontrolsystemsandtheambienttemperature,thestrongelectromagneticradiationandvibrationofindustrialenvironments.

Runsecurityissuesfortoday'sautomotive,tirepressuremonitoringsystembasedonCANbustechnologyindesign,aswellashowtoimprovevehiclesafetyperformancefortheCANbuscommunicationprotocoltechnologyhasaveryimportantpracticalsignificance.ThispaperasystematicstudyoftheknowledgeoftheCANbustechnologyandtirepressuremonitoringsystemandatirepressuremonitoringsystembasedonCANbustechnologydesigninordertoachievethetirepressureandtemperaturechangesinreal-timeinformationcollection,transmissionandprotocoltransmissionviatheCANbustothemaincontrolcomponentofthecabanddisplayedinthedisplay,inordertoachievethatcardriversthefirsttimetograspthetirepressureandtemperaturerequirements,andreactaccordingly,thusavoidingaccidentsoccurred.Thedesignofdetectiontechnology,wirelesscommunicationtechnology,microcomputertechnology,softwareprogrammingandCANbustechnologytodesigntheoverallsystem.Systemdesign,includingdatacollection,monitoringandprocessing,wirelesstransmitter,wirelessreceiverandMCUdataprocessing,theCANbusmodule,MCUcontrolandalarmmodule.ThroughthedesignofthetirepressuremonitoringsystembasedonCANbustechnologytoachievereal-timemonitoringvehicletirepressureandtemperature,display,processingandalarmfunctions,thedesignoftheindicators.

Keywords：

CANbustechnology;tirepressuremonitoringsystem;tirepressure;tiretemperature

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第1章1

1.1课题的研究背景1

1.2课题的研究目的及意义1

1.3课题的研究现状分析2

1.4毕业设计的主要研究内容2

第2章CAN总线技术和轮胎压力监测系统分析4

2.1CAN总线技术概述4

2.2轮胎压力监测系统技术概述9

2.2.1轮胎压力监测系统工作原理9

2.2.3间接式胎压监测系统9

2.2.4直接式胎压监测系统9

2.2.5轮胎压力监测系统主要作用10

2.3本章小结11

第3章系统方案的选择和确定12

3.1轮胎压力监测系统（TPMS）工作方式的选择和确定12

3.2系统各个主控元件的选择和确定13

3.2.1方案一13

3.2.2方案二13

3.2.3方案三13

3.3传感器模块的选择和确定14

3.3.1方案一14

3.3.2方案二14

3.4无线收发模块的选择和确定15

3.5CAN总线模块的选择和确定15

3.6本章小结17

第4章系统总体方案的设计和软件工具的介绍18

4.1系统总体方案的设计18

4.2软件工具的介绍19

4.2.1IAR软件介绍19

4.2.2KEIL软件介绍20

4.3本章小结20

第5章系统各模块的设计21

5.1数据采集和无线发射模块设计21

5.2无线接收和CAN发射模块设计22

5.3CAN接收和显示报警模块设计23

5.4本章小结24

第6章系统软件的设计25

6.1数据采集和无线发射模块软件设计25

6.1.1数据采集和无线发射模块主程序设计25

6.1.3CC1101无线发射子程序设计26

6.2无线接收和CAN发射模块软件设计27

6.2.1无线接收和CAN发射模块主程序设计27

6.2.2CC1101无线接收子程序设计27

6.2.3CAN总线发射子程序设计28

6.3CAN接收和显示报警模块软件设计29

6.3.1CAN接收和显示报警模块主程序设计29

6.3.2LCD12864显示子程序设计30

6.4本章小结31

第7章实物的焊接与调试32

7.1实物的焊接32

7.2本章小结32

第8章论文结论与展望34

8.1论文的结论34

8.2对本设计的展望35

参考文献36

致谢39

第1章

1.1课题的研究背景

随着工业经济的快速发展，汽车在社会上的大量使用，方便和便捷的公路交通，改变了人们的时空观念，拉近了地域距离，改善了人们的生活方式。

但是伴随着汽车的大量使用，各种恶性的公路交通事故给人们的生命安全和社会经济的发展带来了严重的危害和损失，不断引起人们的重视。

据2002年美国一个汽车学会调查，全美由于轮胎气压低或渗漏造成的交通事故平均每年有26万起；而在高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的；此外，轮胎发生故障的最主要原因是充气不足或轮胎渗漏。

统计表明交通意外增加的主要原因是高速行驶中因轮胎故障引起的爆胎。

另据统计，在中国，46%的高速公路车祸缘于轮胎故障，这其中由于爆胎引起的交通事故占到总交通事故的70%之多。

在高速公路上或是高速行驶中，由轮胎故障引起的交通事故具有极大地杀伤力，并且是一项很难预防的隐患，给人们的生命带来很大威胁[1-6]。

1.2课题的研究目的及意义

在高速公路上或是高速行驶中，由轮胎故障引起的交通事故具有极大地杀伤力，并且是一项很难预防的隐患，给人们的生命带来很大威胁。

因而如何解决和防止轮胎爆胎，已成为全球的首要问题。

为了防止和解决轮胎爆胎，轮胎压力监测系统（TPMS）就这样应运而生，并且作为汽车三大安全系统之一，与汽车安全气囊、防抱死制动系统（ABS）一起被大众认可并受到应有的重视。

同时，在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来，而CAN总线协议可靠性高、性能极佳以及设计方法独特，受到越来越多的重视，在诸多领域得到广泛应用。

同时利用CAN总线技术的系统排查错误能力极强，数据传输快，CAN在距离达到10km时仍可提供50kbit/s的数据传输速率。

鉴于以上优点，CAN总线技术在高速网络和低速网络都得到了广泛的应用[7-8]。

因此，CAN总线技术己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到广泛应用。

所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

因此针对当今的汽车运行安全问题，基于CAN总线技术在胎压监测系统中应用的设计，以及对于CAN总线通信协议技术如何提高汽车安全性能研究具有非常重要现实意义。

1.3课题的研究现状分析

轮胎压力监测系统（TPMS）的技术在国外已经比较成熟，而且轮胎压力监测系统（TPMS）的模块设计将向着高度集成化、单一化、无源化的方向发张。

在2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了美国国会关于修改联邦运输法的提案，联邦法案要求2003年以后出产的所有新车都需将轮胎压力监测系统（TPMS）作为标准配置；2006年11月1日起所有需要行驶在高速公路上的汽车都需配置轮胎压力监测系统（TPMS）。

由此TPMS汽车轮胎智能监测系统得到广泛的认可，与防抱死制动系统（ABS）、汽车安全气囊一起构成汽车三大安全系统。

因此，全球将会对TPMS的需求增大，今后我国也将会成为TPMS的生产大国，而且在我国现在已经有数百家的公司和生产厂家进行着TPMS的研发、设计和生产。

同时，在当前的汽车产业中，出于对舒适性、安全性、低公害、低成本、方便性的要求，多种电子控制系统应用到了汽车系统中。

由于多种电子控制系统之间数据的不兼容性，数据总线数量增加。

为减少总线数量、提高数据传输质量，1986年德国电气商博世公司推出了CAN通信协议[9-12]。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

1.4毕业设计的主要研究内容

本文将主要对CAN总线技术和胎压监测系统进行分析、研究。

论文的主要任务就是研究并设计一个基于CAN总线技术在胎压监测系统中应用的方案，实现轮胎压力和轮胎温度的变化信息的实时采集、传送以及通过CAN总线到达驾驶室主控元件中进行数据处理并且显示在显示器中，以达到汽车司机能够在第一时间掌握汽车轮胎压力和轮胎温度变化的要求，并做出相应的反应，从而避免事故的发生。

采用检测技术、无线通信技术、单片机技术、软件编程以及CAN总线技术来设计总体的系统。

系统的硬件设计包括数据的采集、监测和MCU数据处理，无线发射、无线接收以及MCU数据的处理、CAN总线模块、MCU数据处理、显示以及报警模块。

系统的发射模块包括数据的采集、处理和数据的无线发送，能够实时的监测和处理轮胎的压力和温度参数，并且通过无线的方式将监测的数据处理后通过无线的方式传送给接收模块，接收模块能够校验数据并通过MCU进行处理，并通过CAN总线模块传输，汽车驾驶室里通过CAN总线模块的接受以及MCU数据的处理并且将数据显示在显示屏上，从而实现实时的显示结果，用来告知驾驶员的各个轮胎的工作情况，并且能够实现报警的功能。

系统的软件设计是对于硬件电路中的各个模块进行软件的编程，包括数据的监测、采集，以及无线的发射与接收程序，以及数据处理、CAN模块程序设计、显示和报警的程序。

通过基于CAN总线技术在胎压监测系统中应用的设计，实现对于汽车轮胎的气压和温度进行实时的监测、显示、处理以及报警的功能，实现基于CAN总线技术在胎压监测系统中应用的设计的各项指标。

本论文的主要结构如下：

第一章为绪论，概述了轮胎压力监测系统（TPMS）和CAN总线技术的研究背景和研究现状分析；第二章从理论上对CAN总线技术和轮胎压力监测系统（TPMS）的基本内容进行系统的研究与分析；第三章通过方案的比较来选择和确定系统的方案，确定系统中轮胎压力监测系统（TPMS）的工作方式以及系统的各个工作模块中所采用的元件；第四章综合考虑论文设计要达到的指标来进行系统总体方案的设计，并描述了系统的总体工作框图和各个模块的工作框图，并介绍了本次论文设计所使用的软件工具；第五章根据系统的方案设计进行各个模块的设计，包括数据采集和无线发射模块设计、无线接收处理模块以，及CAN总线发射模块设计和CAN接收和显示报警模块设计并分析了各个模块的工作原理；第六章通过分析各个模块的设计和工作原理进行系统的软件设计，包括数据采集和无线发射模块软件设计、无线接收和CAN发射模块软件设计和CAN接收和显示报警模块软件设计；第七章根据系统的方案和各个模块的原理图进行实物的焊接和调试，并对调试的结果进行分析和总结。

第2章CAN总线技术和轮胎压力监测系统分析

由于本文研究的是基于CAN总线技术的胎压监测系统设计，因此在本章节中将对该CAN总线技术和轮胎压力监测系统（TPMS）的基本内容进行详细的介绍。

2.1CAN总线技术概述

CAN全称是控制器局域网（ControllerAreaNetwork），是一种控制现场网络的总线，也是一种支持实时控制和分布式控制的串行通讯网络。

CAN总线规范已被ISO规定为国际标准，是很有前途的一种现场总线技术。

CAN总线在低成本多线路网络和高速网络中都得到广泛应用，尤其是在控制系统中的执行机构和检测机构间的数据通信。

CAN总线设计通讯可靠、成本低，在电力系统中得到了广泛应用，尤其是在早期的变电站综合自动化系统建设中起了很大作用。

CAN总线上用“显性”（Dominant）和“隐性”（Recessive）两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。

当总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显性（即“0”与“1”的结果为“0”）。

CAN_H和CAN_L为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号时以两线之间的“差分”电压形式出现。

在隐性状态，CAN_H和CAN_L被固定在平均电平附近，Vdiff近似于0。

在隐性位期间或总线空闲时，总线发送隐性位。

显性位以差分电压的形式表示。

CAN总线位的数值表示如图2.1所示[13-15]。

图2.1CAN总线位的数值表示

为了达到CAN总线设计的透明度以及实施的灵活性，CAN被细分为物理层（PhysicalLayer）和数据链路层（DataLinkLayer）和。

而数据链路层又可细分为介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。

其中逻辑链路控制子层（LLC）具有为远程数据传输以及数据请求提供服务的作用，确定LLC子层接收的报文是否被验收，为过载通知和恢复管理提供手段。

介质访问控制子层（MAC）的主要是起到传送规则界定的作用，也就是执行仲裁、控制帧的结构、错误的标定、错误监测、故障的界定等。

总线发送新报文以及接受报文状态均在MAC子层里确定，位定时（BitTiming）的一般功能即可看做是其中的一部分。

物理层是实际传输层，它根据所有的电气属性不同，实现其在不同节点间的传送。

对不同的节点而言，同一网络的物理层是相同的。

CAN的层结构如图2.2所示[16-18]。

图2-2CAN的ISO/OSI参考模型的结构图

在CAN系统里，系统结构信息与CAN节点无关（比如，站地址），这使得系统灵活性更好。

在CAN系统里，可以直接添加网络节点而无需改变应用层或软件和硬件。

标示符指定报文的寻址内容，但报文的目的地不在标识符中指出，然而，其数据特征使得网络上所有的节点可以通过一定的方式来判断该数据是否与它们相符合，其中采用的方式便是报文滤波，它可以使得任何数目的节点对同一报文独立相应；报文是否被所有的节点接受是靠错误处理和多点传送的功能来实现的。

在一个给定的CAN系统里，位速率是惟一的，并且是固定的。

报文中的数据帧和远程帧都有标识符段，在访问总线期间，报文通过标识符确定了一个静态的（固定的）优先权。

当多个CAN单元同时传输报文发生总线冲突时，标识符码值越小的报文优先级越高[19]。

在CAN系统中，当总线处于空闲状态时，所有的单元都可将报文发送至总线。

但是多个单元同时传送报文就会出现总线访问冲突的问题出现，CAN总线系统是采用标示符的逐位仲裁解决这个问题的，它确保了时间和报文均不损失。

当同时发送的数据帧和远程帧具有相同标识符的时，数据帧优先于远程帧发送。

在仲裁过程中，每一个发送器都对比自身电平与被监控的总线电平，电平相同则继续发送。

如果发送电平而监视到电平显隐性是不同的，那么自动退出仲裁，同时退出发送状态。

在CAN系统中，为了保证数据发送的正确性和安全性，每一个CAN节点均采取了错误检测、错误自检以及错误标定等措施。

CAN协议可使用循环冗余检查（CRC）、应答错误、帧检查、位填充、总线检测等措施，其中含有报文内容检查和总线检测措施。

CAN协议支持两种帧格式，它们只是在确认区存在差异，一种被称为CAN标准帧，在CAN2.0协议的PartA进行定义，标准帧支持11bit的确认区长度，；另一种称为CAN扩展帧，在CAN2.0协议的PartB进行定义，扩展帧支持29bit的确认区长度[20-22]。

数据帧的标准格式如图2.3所示，数据帧的扩展格式如图2.4所示。

图2.3数据帧的标准格式

图2.4数据帧的扩展格式

编码即位编码（BitStreamCoding）[23-24]。

帧的帧起始、控制域、帧仲裁、CRC序列以及数据域均是采用位填充的方法实现编码的。

检测过程中，只要检测到有5个连续位值对应相同，发送器便自动在检测的位流里插入一个补充位。

数据帧或远程帧的其余位域（CRC界定符、应答域和帧结尾）格式固定，没有填充，错误帧和过载帧的格式也固定，它们不用位填充的方法编码。

报文的位流根据“不归零”（NRZ）方法来编码。

这就是说，在整个时间里，位的电平或者为显性，或者为隐性。

一个标称的位时间分为：

同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2。

同步段用于同步各节点，正常情况下跳变沿落在此段内[25-26]。

传播段用于补偿网络内的传输延时。

采样点时刻读取的电平代表这个位的电平。

位时间的定义如图2.5所示。

图2.5位时间的定义

一个硬同步后，内部的位时间以同步段重新开始。

因此，硬同步迫使引起硬同步的跳变沿位于重新开始的位时间同步段之内。

重新同步的结果使相位缓冲段1增长，或使相位缓冲段2缩短。

相位缓冲段加长或缩短的数量有一个上限，此上限取决于重新同步跳转宽度。

重新同步跳转宽度应设置为在1和最小值之间，时钟信息可以从位值转变中提取。

只有一个固定的最大数量的连续位具有相同的值，这个属性使得总线单元可能在帧期间重新同步于位流。

重新同步跳变时间的最大长度为29个位时间。

相位误差以时间额数度量，由相对于同步段边沿的位置给出。

当此误差的值小于或等于重新同步跳转宽度值时，硬件同步和重新同步的作用相同。

当此误差大于重新同步跳转宽度时，差为正则相