1 引言
半掛車指“其設計和技術特性需汽車牽引，才能正常使用的一種無動力的道路車輛，用于載運人員和貨物”（GB/T3730.1-2001標準）。 半掛車的種類很多，包括廂式半掛車、罐式半掛車、平板半掛車、集裝箱半掛車、車輛運輸半掛車等等。隨著我國公路物流運輸業(yè)的發(fā)展，半掛車以其運輸效率高、運載量大、燃油經濟性好、運輸成本低等優(yōu)勢使用越來越廣泛。隨之而來的是半掛車的安全問題。據2006年公安交通部門統計，全國半掛車的數量約占整個機動車保有量的5%左右，重大交通事故中，涉及到半掛車等大型貨運機動車輛的事故占到約４７％，造成的人員死亡率占總數的約３０％。半掛車的安全隱患主要來自兩個方面：一是超載現象。超載現象不僅對高速公路等交通設施造成破壞，而且使得汽車輪胎處在極大的負荷下，易引發(fā)爆胎事故；貨車超載也使得貨物更容易變得不平衡，導致車輛發(fā)生側翻傾覆的事故。二是輪胎安全，缺乏輪胎壓力溫度監(jiān)測系統；因此建立半掛車的安全預警系統非常必要。
2 總體設計
半掛車車身長度一般在 6—14 米，車身長，電磁干擾大，汽車電子單元多而復雜，采用傳統的四輪轎車獨立的TPMS 方案信號傳輸易受干擾屏蔽，而且與其它汽車電子單元無法進行信息交換，系統的可靠性和擴展性不好。因此設計采用基于CAN 總線的方式，將各輪胎氣壓、溫度監(jiān)測裝置和其它諸如ABS、發(fā)動機、儀表盤的汽車電子單元都作為一個個CAN 總線上的結點， 由一個中心預警模塊統一監(jiān)測控制，可提高系統可靠性和監(jiān)測效率，節(jié)省各模塊重復開發(fā)費用。如圖1 所示。

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3 系統硬件設計
3.1 CAN 總線的特點
CAN 全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。
CAN與其它總線結構相比有較優(yōu)越的特點[1]：（1）CAN總線為多主站總線，各結點均可在任意時刻主動向網絡上的其他結點發(fā)送信息，不分主從，通信靈活；（2）CAN總線上每幀有效字節(jié)數最多為8個，傳輸時間短，受干擾概率低，并有CRC及其他校驗措施，具有極好的檢錯效果，數據出錯率極低。（3）CAN總線只有兩根導線，系統擴充時，不需要應用層以及任何結點軟件和硬件的任何改變，可直接將新結點掛在總線上即可，因此走線少，系統擴充容易，改型靈活；網絡構建成本低，總線利用率極高；（4）數據傳輸距離可滿足5-15米的汽車系統，數據傳輸速率高達1Mbit/s，也可滿足長達10km工業(yè)應用。
3.2 CAN 總線地址分配
如何來區(qū)分總線上的各個結點呢？在 CAN 總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11 位（標準幀）或29 位（擴展幀）數字的ID，可采用靜態(tài)分配地址的方法，將ID 的前3—4 位定義為結點地址，其余各位自行定義，寫入各結點發(fā)送的幀消息中。中央結點接收到一個CAN 數據幀后通過檢查前3—4 為確定數據是從哪個結點發(fā)出的，從而做出響應的處理。CAN 總線狀態(tài)取決于二進制數“0”而不是“1”，所以ID 號越小，則該報文擁有越高的優(yōu)先權。一般后輪輪胎的負荷大于前輪，因經常靠右行駛，右側的輪胎負荷可能大于左側[2]，因此在輪胎結點地址分配時，可以將負荷較大的輪胎分配為小地址，優(yōu)先發(fā)送該結點數據。
3.3 中央預警模塊
中央控制模塊的硬件設計如圖 2 所示，分五個部分：一是處理器的選取和使用。處理器要求選取性能高，體積小，價格比較低，功耗小，安裝方便，安全可靠的產品。目前嵌入式系統中比較常用的32 位基于ARM7 框架的S3C44B0X 處理器比較符合要求。二是存儲部件的擴展，主要用于程序燒制和運行。三是要有輸入輸出部件，使用觸摸屏作為輸入設備，LCD和音頻播放器作為輸出設備，實現胎壓和溫度門限值的輸入和實際監(jiān)測數據輸出預警。四是CAN 接口電路設計，如果選取的處理器自帶CAN 接口電路當然更好，如果選取的處理器本身不帶CAN 接口功能，可通過外接CAN 控制器的方式實現數據收發(fā)（圖2 采用S3C44B0X 處理器SPI 同步串行接口與MCP2510 控制器、TJA1050 收發(fā)器相連實現CAN 接口功能）。五是要有模塊調試電路，主要是串行口和JTAG 接口的設計。
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4 系統軟件設計
4.1 操作系統引導
本系統軟件設計采用目前比較流行的嵌入式實時多任務開放式操作系統μC-OS/II 。該操作系統要在S3C44B0X處理器上運行必須先對其進行移植[3]，然后由Bootloader中由BOOT()、Loadfile()兩個函數來完成操作系統的引導和控制權的轉移。系統將LCD、音頻、CAN接口控制器等全部硬件驅動程序，圖形API，控件函數，以及系統的基本任務生成專門的庫（在STD2.5的開發(fā)環(huán)境下生成的庫為ucos_lib.alf），使基于庫的應用程序開發(fā)變的異常
簡單，不用考慮底層的細節(jié)。應用程序開發(fā)后與專門庫、頭文件以及μC/OS-II操作系統會綁定在一起編譯，生成唯一執(zhí)行文件system.bin，存放在16M FLASH中，在系統啟動時由BootLoader依靠文件系統從FLASH 中讀到SDRAM 中，然后移植到該代碼上，完成操作系統的引導任務。
4.2設置TPMS的胎壓與溫度報警門限
汽車輪胎的壓力與溫度是密切相關的，當輪胎氣壓低于標準值時，變形增大，受力發(fā)生變化，若胎壓長期低于正常氣壓的80%，在高速行駛時，輪胎會因急劇升溫而脫層，甚至導致爆胎[4]。當輪胎氣壓高于標準值時，因輪胎與地面接觸的面積減少，單位壓力增高，使輪胎胎面的中部磨損增加。通過室內試驗證明：氣壓提高25%，輪胎壽命將會降低15～20%；氣壓降低25%，壽命大約降低30%。此外，汽車輪胎溫度越高，輪胎的強度越低，變形越大(一般不能超過80℃，當溫度達到95℃時，輪胎的情況非常危險)，每升高1℃，輪胎磨損就增加2%，行駛速度每增加一倍，輪胎行駛里程將降低50%[5]。因此，最好不要超溫、超速行使。由于不同載重、不同型號的半掛車輪胎標準胎壓、溫度不同，系統設置為可由觸摸屏面板自行輸入參考標準胎壓和溫度值。實際胎壓值在標準胎壓值的-10到+10%之間波動認為正常；在-25%到-10%之間或+25%到+10%之間波動視為一般性異常，發(fā)出二級預警信號，提示司機做出相應處理；低于25%或高于25%視為嚴重異常，發(fā)出一級預警信息。在不考慮外部溫度、路面等因素影響，默認輪胎最大溫度值為８０ oC，超過８０ oC視為一般異常，發(fā)出二級預警，超過１００oC視為嚴重異常，發(fā)出一級預警信號。系統中通過觸摸屏參數選取任務TouchOption_Task()可獲得用戶指定輪胎標準壓力和最大溫度，存放于變量Press和Temp中。
4.3 胎壓顯示、聲音預警
為保證系統的實時性，采取中斷方式接收CAN 總線數據，由Main_Task()任務完成。對于接收到的壓力、溫度采樣數據，首先調用CANData_deal()函數根據ID 碼區(qū)分各個輪胎的數據，由Display_Task()任務執(zhí)行在LCD 上以直方圖的形式顯示輪胎壓力信息；其次切換到任務Sound_Task()將數據與用戶設置的壓力（溫度）標準值進行比較，若上下偏離標準值在25%（20%溫度標準值）范圍內，采取一級報警策略，連續(xù)播放急促的警報聲，提請司
機立即停車；再次將數據與標準壓力（溫度）值進行比較，若偏離標準值10%，發(fā)出二級報警信息，斷斷續(xù)續(xù)的滴答聲，提請司機注意輪胎壓力不夠或過大，影響輪胎使用壽命和經濟運行，需要對輪胎進行檢修。各任務間的信息傳遞和任務喚醒采用郵箱機制。
void Mian_Task(Void *id) //接收處理CAN 總線數據任務
{……// MCP2510 初始化，準備以中斷方式接收數據
for(;;)
{rxmsg=(char)*=OSMboxPend(ISRTaskMbox,0,&err);//接收郵箱消息
if(*rxmsg=’0’
{rINTMSK&-(~BIT_TIME0);禁止外部中斷，但不禁止節(jié)拍中斷
rINTMSK|=BIT_EINT4567;
canRead(n, &id, data, &length, &rxRTR, &isExt);
CANData_deal(id,data);
rINTMSK&=~(BIT_EINT4567);//開啟中斷
······}}}
void CANData_deal(id,data) //CANData_deal()對數據進行處理
{······//定義相關信息
if ydata[1]> Pressure*110%* || data[1]< Pressure*90% ||data[2]> Temperature
{ isrtxmsg=‘2’;//向郵箱發(fā)送二級聲音預警信息
OSMboxPost(soundMbox,(void*)&isrtxmsg)
}else
{if ydata[1]>ya*125* || data[1]<ya*75% ||data[2]> Temperature*120%
{ isrtxmsg=‘1’;// 向郵箱發(fā)送一級聲音預警信息
OSMboxPost(soundMbox,(void*)&isrtxmsg)}}
canid=id&0x700//對id 第8—10 位進行判斷
switch(canid)
{ case 0: //結點1 數據處理和顯示
ya1=data[1]
······
case 0x100: //結點2 數據處理和顯示
ya2=data[1];
······}}
void Display_Task(Void *id) //預警信息顯示任務
{······
TextOut(pdc,20,20,ch1,true,2)//輸出提示文字：“輪胎壓力信息顯示”
LineTo(pdc, 0, ya*110%/2+200);//壓力最高預警線
LineTo(pdc, 0, ya*90%/2+200);// 壓力最低預警線
DrawRectfram(pdc,40,200+ya1/2,90,200);//輪胎1 對應的直方圖
······
DrawRectfram(pdc,235,200+ya4/2,285,200);//輪胎n 對應的直方圖
······}