论文部分内容阅读
摘 要：胎压监测和4G-WIFI技術在车联网系统中的应用实践（以下简称车辆辅助控制系统实践）是在车联网系统中集成TPMS、4G-WIFI技术，并整合在车身控制器中，节约了车辆辅助控制系统硬件资源，在增强功能的集成性的同时也在基础功能中拓展出了新的实用功能，如车内无人状态下的胎压信息的报警，车内通过4G转WIFI技术实现WIFI信号共享等。同时通过OBD接口与整车的CAN网络实现交互通信，以APP及后台的方式实时向车主推送车辆故障、油耗、行驶里程等信息。
关键词：TPMS ;4G-WIFI;车身控制器; OBD总线;CAN总线
引言：胎压监测和4G-WIFI技术在车联网系统中的应用实践是设计一种新的车载综合信息终端，即设计TPMS—4G转WIFI车联网系统创新性的将直接主动式的轮胎压力监测系统与4G转WIFI系统集成为一个系统，节约系统硬件开销，增强功能的集成性的同时也在原有功能中拓展出了新的实用功能。在车内无人状态下的胎压情况的报警，车内通过4G转WIFI技术共享WIFI信号等。通过OBD接口与整车的CAN网络实现交互功能，以APP及后台的方式实时像车主通报车辆故障信息，油耗，行驶里程等信息。并在轮胎发生漏气或车辆出现其它故障信息时通过后台及APP推送向车主报警。
一、车辆辅助控制系统实践主要内容
随着近年来车主对于主动安全产品的需求，主机厂也愿意投入成本于主动安全类产品上以增加其品牌附加值。本实践是利用国内汽车电子市场高速发展的有利时机，充分利用公司在汽车电子控制领域积累的技术、人才优势，与国内多家整车厂达成协议，以电子技术为基础，研制出模块化、小型化易嵌入、高效、耐久且具有自主知识产权的TPMS—4G转WIFI车联网模块。实现国内合资厂和自主品牌各类车辆的配套供应。并逐步丰富汽车电子产品的开发和配套，扩大产业化生产规模，力争成为国内汽车电子领域重要研发、生产基地。
二、车辆辅助控制系统实践主要技术原理、技术方法、技术路线
该车辆辅助控制系统实践利用汽车电子技术，在直接式TPMS系统的基础上，对系统的结构和相关电路作进一步完善和改进，增加了对温度的监测，轮胎参量的传感技术，无线数据通信技术，系统的低功耗设计，系统的抗干扰设计，并在接收模块中集成了4G转WIFI车联网模块，丰富了产品功能，增加了实用性。
为了与车内其他控制单元的数据交换，TPMS—4G转WIFI车联网模块可通过CAN/LIN总线等，实时将轮胎数据上传至行车电脑中，以便于驾驶者及时掌握轮胎信息。同时在车内也可以通过4G转WIFI车联网模块与车内人员共享网络。当车辆在不使用时发生漏气，模块也可通过手机APP等方式获得及时提醒，以避免用车时才发现轮胎漏气这一情况出现。
系统的框表如下：
本TPMS系统采用Freescale FXTH8705116T1作为核心的硬件平台。FXTH8705116T1是飞思卡尔提供的一款胎压传感器，具集成度高，外设少的特点。在本方案中FXTH8705116T1主要用于信号检测及信号发射控制，采集一路压力信号电压;采集一路温度信号电压;采集加速度传感器信号电压;采集一路芯片供电电压;驱动输出434MHZ无线信号至接收显示模块。
主控MCU采用汽车级标准，完全满足汽车级的技术要求（-40℃～85℃）。选用的主控MCU具备以下性能指标：
·QFN7x7x2.2mm封装，焊点可见，便于检测
·压力范围100-450kPa和100-900kPa
·Z轴或双XZ轴加速度传感器
·提供加速度传感器标准或高精度公差
·低功耗的唤醒定时器和LFO驱动的定期复位
·可降低功耗的专用状态机
·8位MCU/S08内核，带SIM、中断和调试/监测功能
·512BRAM/16K闪存（8K用于飞思卡尔库，8K用于应用）
·内置315/434MHzRF发射器
·内置125kHzLF接收器
·6个多功能GPIO引脚（包括两个A/D输入）
胎压传感器模块硬件总框图如下：
软件设计方案如下：
软件系统的构成如下表所示：
本TPMS系统中，将软件划分为功能软件和驱动软件。功能软件和驱动软件又是由程序文件和相应的配置文件组成。
本构架方式可以使软件进行模块化分离设计，有效分离各层次软件，在软件设计验证、移植性和可靠性方面有极大优势。
开发轮胎压力监测系统控制软件所使用的工具为飞思卡尔公司开发的CodeWarrior Development Studio for Microcontrollers V 10.6套件。
三、4G转WIFI接收模块设计
（一）系统框图及说明
接口框图说明：
1）WIFI总成包括：WIFI模块、信号放大器、天线
2）WIFI模块和信号放大器安装在后备箱下方，天线藏在尾翼中（2M距离）
3）车机与WIFI模块之间通过一根线、低电平有效方式实现开关功能。
4）通过ACC信号控制WIFI模块休眠、唤醒状态。（3mA）
备注：4G天线不需要经过信号放大器。
原理框图及说明
4G+WiFi
（二）功率放大器
因为移动2.4 GWIFI采用TDD模式工作，和TD-SCDMA工作模式一致，可以套用成熟的TD-SCDMA的方案。系统分为两部分：功率通道，接收通道。
发射通道：发射功率：2W
发射频率：2.4-2.5GHz 增益为：30dB
電压为：+9V
ACPR 5M ：33dBm@-25dBc
接收通道：接收增益：11dB
接收频率：2.4-2.5GHz
噪声系数：≧3
收发转换时间：≧1Us
四、车辆辅助控制系统实践拟解决的关键技术难点
（一）轮胎参量的传感技术
轮胎参量的传感技术对于TPMS来说，如何在苛刻的环境、尺寸、功耗、 成本条件下实现温度、压力参数的高精度测量是保障系统可靠性的重要因素。本系统选择当前业界应用最广泛的高性能传感器进行设计，从而保证了系统在轮胎参数测量上的各项指标都是可靠的。
（二）无线通信抗干扰技术
由于轮胎模块的工作环境比较恶劣，噪声和电磁屏蔽 会对无线信号产生较大的干扰，因此引入了一系列软硬件抗干扰措施，改进了轮胎压力监测系统中抗干扰性能不佳的缺点，使系统工作更加可靠。而4G转WIFI车联网模块方面，由于采用了LTE通讯模块，就会设计到通讯信号的辐射干扰等标准，对于传统汽车电子行业来说，设计经验、调试经验都显得不足，需要加大学习力度、测试条件。
（三）接口匹配
作为车联网终端应用，需要匹配不同的车型、非标准的OBD模块，需要和其他模块进行数据交互，如何适应匹配不同的模块需要大量的和其他模块的协作和测试，还需保证数据的安全性及通用性，需要花费大量精力。
（四）数据实时性
从获取车辆的OBD信息和与后台系统的传输，要想更精确的分析数据，对数据传输响应时间要求极高，如快速稳定的传输，对系统的设计有很高的要求。
（五）网络通信
车辆辅助控制系统实践保留与车辆进行网络通讯的接口，可实现与整车通过CAN或者LIN等多种方式协同工作，但针对不同的车辆协议，需要进行相关的匹配工作。
（六）暗电流
暗电流是汽车电器特有的性能，汽车在非行驶状态下处于电瓶供电状态，要求汽车在极度节能的条件下维持正常工作。因此，对节能性能有很高要求，暗电流要求小于0.8mA，这一指标非常有挑战性。车辆辅助控制系统实践主要实现方法是：
A 硬件采用低功耗IC;
B 对不工作的电路部分采用低功耗工作模式;
C 通过软件实现IC睡眠或者唤醒模式。
（七）电磁抗扰性能
汽车在严酷的电磁环境下工作，对抗扰性求很高。比如，在ESD方面，间隙放电达到±15KV，接触放电达到±8KV;在瞬态传导抗扰度方面，最严酷的为60V/150MS的瞬态电压;辐射抗扰度达到106dbuA;传导发射达到36dbuV;辐射发射达到53dbuV/m;过电压能达到24V/1min。
五、结论部分
（一） 基于TPMS—4G转WIFI模块的开发是为国内合资整车厂以自主车型高端品牌的各类车型定制系统。车辆辅助控制系统实践产品技术和品质更优于进口件，在技术上具有一定的进步和创新。
（二）通用性更强，车辆辅助控制系统实践采用模块化结构，针对不同车型，只需进行少量应用级程序调整，避免了重复开发，二次开发的工作量不大。
（三）结构小巧，重量轻。可在不改变现有车辆内饰结构的前提下，进行无缝嵌入。
（四）抗干扰能力更强，该产品在电路设计上采用了干扰隔离、过压保护、辐射屏蔽等技术，具有强抗瞬变、抗射频、抗电磁干扰的能力;
（五）可靠性更高，线路板所有的输入输出都加载了先进的保护电路，使电路布置简化，更安全可靠。
（六）扩展能力更强，系统的所有智能功能都是通过软件实现，这使得系统可以在不增加硬件成本的情况下，仅通过升级软件扩展汽车的智能功能。
参考文献：
[1]一种基于GPS导航的胎压检测方法及系统 （CN201410515487.7）
[2]一种基于GPS和3G网络的车辆胎压监测系统和监测处理方法 （CN200710125498.4）
[3] GPS智能导航系统的车载主机单元 （CN200720121493.X）
关键词：TPMS ;4G-WIFI;车身控制器; OBD总线;CAN总线
引言：胎压监测和4G-WIFI技术在车联网系统中的应用实践是设计一种新的车载综合信息终端，即设计TPMS—4G转WIFI车联网系统创新性的将直接主动式的轮胎压力监测系统与4G转WIFI系统集成为一个系统，节约系统硬件开销，增强功能的集成性的同时也在原有功能中拓展出了新的实用功能。在车内无人状态下的胎压情况的报警，车内通过4G转WIFI技术共享WIFI信号等。通过OBD接口与整车的CAN网络实现交互功能，以APP及后台的方式实时像车主通报车辆故障信息，油耗，行驶里程等信息。并在轮胎发生漏气或车辆出现其它故障信息时通过后台及APP推送向车主报警。
一、车辆辅助控制系统实践主要内容
随着近年来车主对于主动安全产品的需求，主机厂也愿意投入成本于主动安全类产品上以增加其品牌附加值。本实践是利用国内汽车电子市场高速发展的有利时机，充分利用公司在汽车电子控制领域积累的技术、人才优势，与国内多家整车厂达成协议，以电子技术为基础，研制出模块化、小型化易嵌入、高效、耐久且具有自主知识产权的TPMS—4G转WIFI车联网模块。实现国内合资厂和自主品牌各类车辆的配套供应。并逐步丰富汽车电子产品的开发和配套，扩大产业化生产规模，力争成为国内汽车电子领域重要研发、生产基地。
二、车辆辅助控制系统实践主要技术原理、技术方法、技术路线
该车辆辅助控制系统实践利用汽车电子技术，在直接式TPMS系统的基础上，对系统的结构和相关电路作进一步完善和改进，增加了对温度的监测，轮胎参量的传感技术，无线数据通信技术，系统的低功耗设计，系统的抗干扰设计，并在接收模块中集成了4G转WIFI车联网模块，丰富了产品功能，增加了实用性。
为了与车内其他控制单元的数据交换，TPMS—4G转WIFI车联网模块可通过CAN/LIN总线等，实时将轮胎数据上传至行车电脑中，以便于驾驶者及时掌握轮胎信息。同时在车内也可以通过4G转WIFI车联网模块与车内人员共享网络。当车辆在不使用时发生漏气，模块也可通过手机APP等方式获得及时提醒，以避免用车时才发现轮胎漏气这一情况出现。
系统的框表如下：
本TPMS系统采用Freescale FXTH8705116T1作为核心的硬件平台。FXTH8705116T1是飞思卡尔提供的一款胎压传感器，具集成度高，外设少的特点。在本方案中FXTH8705116T1主要用于信号检测及信号发射控制，采集一路压力信号电压;采集一路温度信号电压;采集加速度传感器信号电压;采集一路芯片供电电压;驱动输出434MHZ无线信号至接收显示模块。
主控MCU采用汽车级标准，完全满足汽车级的技术要求（-40℃～85℃）。选用的主控MCU具备以下性能指标：
·QFN7x7x2.2mm封装，焊点可见，便于检测
·压力范围100-450kPa和100-900kPa
·Z轴或双XZ轴加速度传感器
·提供加速度传感器标准或高精度公差
·低功耗的唤醒定时器和LFO驱动的定期复位
·可降低功耗的专用状态机
·8位MCU/S08内核，带SIM、中断和调试/监测功能
·512BRAM/16K闪存（8K用于飞思卡尔库，8K用于应用）
·内置315/434MHzRF发射器
·内置125kHzLF接收器
·6个多功能GPIO引脚（包括两个A/D输入）
胎压传感器模块硬件总框图如下：
软件设计方案如下：
软件系统的构成如下表所示：
本TPMS系统中，将软件划分为功能软件和驱动软件。功能软件和驱动软件又是由程序文件和相应的配置文件组成。
本构架方式可以使软件进行模块化分离设计，有效分离各层次软件，在软件设计验证、移植性和可靠性方面有极大优势。
开发轮胎压力监测系统控制软件所使用的工具为飞思卡尔公司开发的CodeWarrior Development Studio for Microcontrollers V 10.6套件。
三、4G转WIFI接收模块设计
（一）系统框图及说明
接口框图说明：
1）WIFI总成包括：WIFI模块、信号放大器、天线
2）WIFI模块和信号放大器安装在后备箱下方，天线藏在尾翼中（2M距离）
3）车机与WIFI模块之间通过一根线、低电平有效方式实现开关功能。
4）通过ACC信号控制WIFI模块休眠、唤醒状态。（3mA）
备注：4G天线不需要经过信号放大器。
原理框图及说明
4G+WiFi
（二）功率放大器
因为移动2.4 GWIFI采用TDD模式工作，和TD-SCDMA工作模式一致，可以套用成熟的TD-SCDMA的方案。系统分为两部分：功率通道，接收通道。
发射通道：发射功率：2W
发射频率：2.4-2.5GHz 增益为：30dB
電压为：+9V
ACPR 5M ：33dBm@-25dBc
接收通道：接收增益：11dB
接收频率：2.4-2.5GHz
噪声系数：≧3
收发转换时间：≧1Us
四、车辆辅助控制系统实践拟解决的关键技术难点
（一）轮胎参量的传感技术
轮胎参量的传感技术对于TPMS来说，如何在苛刻的环境、尺寸、功耗、 成本条件下实现温度、压力参数的高精度测量是保障系统可靠性的重要因素。本系统选择当前业界应用最广泛的高性能传感器进行设计，从而保证了系统在轮胎参数测量上的各项指标都是可靠的。
（二）无线通信抗干扰技术
由于轮胎模块的工作环境比较恶劣，噪声和电磁屏蔽 会对无线信号产生较大的干扰，因此引入了一系列软硬件抗干扰措施，改进了轮胎压力监测系统中抗干扰性能不佳的缺点，使系统工作更加可靠。而4G转WIFI车联网模块方面，由于采用了LTE通讯模块，就会设计到通讯信号的辐射干扰等标准，对于传统汽车电子行业来说，设计经验、调试经验都显得不足，需要加大学习力度、测试条件。
（三）接口匹配
作为车联网终端应用，需要匹配不同的车型、非标准的OBD模块，需要和其他模块进行数据交互，如何适应匹配不同的模块需要大量的和其他模块的协作和测试，还需保证数据的安全性及通用性，需要花费大量精力。
（四）数据实时性
从获取车辆的OBD信息和与后台系统的传输，要想更精确的分析数据，对数据传输响应时间要求极高，如快速稳定的传输，对系统的设计有很高的要求。
（五）网络通信
车辆辅助控制系统实践保留与车辆进行网络通讯的接口，可实现与整车通过CAN或者LIN等多种方式协同工作，但针对不同的车辆协议，需要进行相关的匹配工作。
（六）暗电流
暗电流是汽车电器特有的性能，汽车在非行驶状态下处于电瓶供电状态，要求汽车在极度节能的条件下维持正常工作。因此，对节能性能有很高要求，暗电流要求小于0.8mA，这一指标非常有挑战性。车辆辅助控制系统实践主要实现方法是：
A 硬件采用低功耗IC;
B 对不工作的电路部分采用低功耗工作模式;
C 通过软件实现IC睡眠或者唤醒模式。
（七）电磁抗扰性能
汽车在严酷的电磁环境下工作，对抗扰性求很高。比如，在ESD方面，间隙放电达到±15KV，接触放电达到±8KV;在瞬态传导抗扰度方面，最严酷的为60V/150MS的瞬态电压;辐射抗扰度达到106dbuA;传导发射达到36dbuV;辐射发射达到53dbuV/m;过电压能达到24V/1min。
五、结论部分
（一） 基于TPMS—4G转WIFI模块的开发是为国内合资整车厂以自主车型高端品牌的各类车型定制系统。车辆辅助控制系统实践产品技术和品质更优于进口件，在技术上具有一定的进步和创新。
（二）通用性更强，车辆辅助控制系统实践采用模块化结构，针对不同车型，只需进行少量应用级程序调整，避免了重复开发，二次开发的工作量不大。
（三）结构小巧，重量轻。可在不改变现有车辆内饰结构的前提下，进行无缝嵌入。
（四）抗干扰能力更强，该产品在电路设计上采用了干扰隔离、过压保护、辐射屏蔽等技术，具有强抗瞬变、抗射频、抗电磁干扰的能力;
（五）可靠性更高，线路板所有的输入输出都加载了先进的保护电路，使电路布置简化，更安全可靠。
（六）扩展能力更强，系统的所有智能功能都是通过软件实现，这使得系统可以在不增加硬件成本的情况下，仅通过升级软件扩展汽车的智能功能。
参考文献：
[1]一种基于GPS导航的胎压检测方法及系统 （CN201410515487.7）
[2]一种基于GPS和3G网络的车辆胎压监测系统和监测处理方法 （CN200710125498.4）
[3] GPS智能导航系统的车载主机单元 （CN200720121493.X）