汽車傳感器設(shè)計(jì)之接口電路與硬件的設(shè)計(jì)分析

由于汽車傳感器可以對(duì)溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制，所以作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，汽車傳感器不僅是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一(汽車傳感器原理)。那么，汽車傳感器設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)呢?小編通過搜集整理資料，簡(jiǎn)單介紹了汽車傳感器接口及硬件設(shè)計(jì)的知識(shí)(汽車傳感器的應(yīng)用)。

在了解這些知識(shí)之前，我們來看一下有關(guān)ESP的相關(guān)知識(shí)，這與汽車傳感器設(shè)計(jì)是密切相關(guān)的。

ESP基礎(chǔ)知識(shí)介紹

什么是ESP呢?簡(jiǎn)單來說ESP(Electronic Stability Program，電子穩(wěn)定程序)是汽車電控的一個(gè)標(biāo)志性發(fā)明。不同的研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)這一系統(tǒng)的命名不盡相同，如博世(BOSCH)公司早期稱為汽車動(dòng)力學(xué)控制 (VDC)，現(xiàn)在博世、梅賽德—奔馳公司稱為ESP;豐田公司稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(VSC)、汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)(VSA)或者汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC);寶馬公司稱為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)(DSC)。

盡管名稱不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，如ABS和TCS的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橫向穩(wěn) 定控制器，通過控制橫向和縱向力的分布和幅度，以便控制任何路況下汽車的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)模式，從而能夠在各種工況下提高汽車的動(dòng)力性能，如制動(dòng)、滑移、驅(qū)動(dòng) 等。ESP在國外已經(jīng)批量生產(chǎn)，在國內(nèi)尚處于研究階段，要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。圖1所示為汽車ESP的構(gòu)成示意圖

其電子部件主要包括電子控制單元(ECU)、方向盤傳感器、縱向加速度傳感器、橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳 感器、輪速傳感器等。ESP作為保證行車安全的一個(gè)重要電控系統(tǒng)，其各個(gè)傳感器的正常工作是進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)。

下面我們來看一下ESP常用傳感器硬件接口設(shè)計(jì)

ESP常用傳感器接口設(shè)計(jì)

ESP常用傳感器接口設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

ESP常用傳感器接口設(shè)計(jì)框圖

在圖中，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)經(jīng)微控制器處理后，通過CAN總線發(fā)送給ECU(圖2中B);橫擺角速度傳感器、縱向/橫向傳感器由于信號(hào)特點(diǎn)和安裝位置類似，故設(shè)計(jì)在同一個(gè)模塊內(nèi)(圖2中A);由于ESP對(duì)輪速傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高，故經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后，直接送入ECU(圖2中C)。

在圖2的A和B中，需要微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過CAN總線傳送數(shù)據(jù)，本文選用Infineon公司的SAK-C164CI。該芯片是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器、輸入信號(hào)捕捉、正交解碼器，運(yùn)算速度快，非常適合ESP的傳感器信號(hào)處理。

汽車輪速傳感器硬件設(shè)計(jì)

以80C31單片機(jī)(外部擴(kuò)展8kRAM和8kEPROM)為核心的輪速傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：外圍電路有信號(hào)處理電路、總線控制及總線接口等電路。

輪速傳感器產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)濾波、整形、光電隔離后，送80C31的/INT0輸入引腳。T1作定時(shí)器使用，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)量。SJA1000， 82C250組成與CAN總線的控制和接口電路。在輪速傳感器的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮其抗干擾和穩(wěn)定性，單片機(jī)的輸入/輸出端均采用光電隔離，用看門狗定時(shí)器(MAX813)進(jìn)行超時(shí)復(fù)位，確保系統(tǒng)可靠工作。

信號(hào)處理電路

根據(jù)輪速傳感器信號(hào)特性，處理電路由限幅電路、濾波電路和比較整形電路組成，如圖4所示。

限幅電路將輪速傳感器輸出信號(hào)Vi正半周的幅值限制在5V以下，負(fù)半周使其輸出為-0.6V。濾波電路設(shè)計(jì)成帶反饋的有源低通濾波器，其截止頻率為 2075Hz(按最高車速為200km/h設(shè)計(jì)，傳感器輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率)，選Q=0.707。

比較整形電路中設(shè)置一定的比較電壓，與濾波器輸出信號(hào)相比較輸出方波信號(hào)。LM311N輸出方波的幅值為10V，經(jīng)R5，R6分壓后得幅值為5V的方波信號(hào)送光電隔離器。

總結(jié)

近年來從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)日漸成熟，利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測(cè)力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器，這些傳感器的體積和能耗小，可實(shí)現(xiàn)許多全新的功能，便于大批量和高精度生產(chǎn)，單件成本低，易構(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列，非常適合在汽車上應(yīng)用。

在了解了ESP：電子穩(wěn)定程序后，本文對(duì)汽車傳感器接口設(shè)計(jì)、汽車輪速傳感器硬件設(shè)計(jì)與信號(hào)處理電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。