LIN及混合信號工藝的發(fā)展提升汽車傳感器與傳動裝置性能
電子產(chǎn)品在汽車中日益突出的重要性引發(fā)了對低成本、高可靠性傳感器及傳動裝置日益增長的需求。這些器件并非獨立存在，而是必須與系統(tǒng)的主電子控制單元 (ECU) 進行通信。過去的傳感器／傳動裝置通信通常采用單向模擬信號，每一遠程設(shè)備都采用自己的專線與 ECU 連接。由于汽車環(huán)境充滿電氣噪聲，因此很難在這些線路上保持信號完整性，而且系統(tǒng)的可靠性也會受到影響。布線會帶來其他問題 ——占用空間，增加重量及成本且難以維護。幸好數(shù)字多路復(fù)用通信技術(shù)可以解決上述問題，這種技術(shù)可以保持信號完整性，減少所需線路數(shù)量并提供實現(xiàn)整臺車輛智能控制的新機會。
當今的兩大趨勢——汽車通信總線標準化及半導(dǎo)體技術(shù)正推動著智能化更高的傳感器與傳動裝置的發(fā)展，同時還通過高效的通信來擴展汽車電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。局域互聯(lián)網(wǎng) (LIN) 總線架構(gòu)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到 2.0 版，能夠滿足對傳感器／傳動裝置簡單通信方案的需求，可通過標準化降低成本并提高魯棒性
退而求次
在目前的汽車電子總線標準中，LIN 能夠提供滿足傳感器及傳動裝置信號傳輸需求的最佳解決方案。有多種專有解決方案可以通過脈寬調(diào)制 (PWM) 或可調(diào)脈寬 (VPW) 等簡單方案將信號進行數(shù)字化傳輸。這些方案都基于各種物理層 (PHY) 設(shè)計，在這些方案中，每個傳感器或傳動裝置一般都需要一條通信線路，而且傳感器到 ECU 或 ECU 到傳動裝置的通信一般采用單向輸出。因此，這些網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能實現(xiàn)雙向通信及診斷，從而限制了它們的用途。另外，由于它們屬于專有解決方案，從而影響行業(yè)通過實施開放標準實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟與設(shè)計再利用。
變通的選擇是采用成熟的通信標準（如：控制局域網(wǎng) (CAN) 總線）在傳感器／傳動裝置接口與 ECU 之間傳輸信號。但是，CAN 及類似的通信一般需要采用微控制器和輔助電路，以至于產(chǎn)生超出傳感器及傳動裝置所需要范圍或合理范圍的復(fù)雜性和成本。此外 CAN 還基于雙線總線，而最佳解決方案只需采用一條線路實現(xiàn)低速、低成本通信。
簡單的開放式標準
盡管 LIN 最初的設(shè)計目標是車體電子，但是它在新應(yīng)用中同樣有用武之地，其中之一就是傳感器/傳動接口。LIN 2.0 指定的 20.0kbps 數(shù)據(jù)速率足以滿足大多數(shù)傳感器及傳動裝置的需求，而且 LIN PHY 與協(xié)議控制器可以輕松集成到用于遠程設(shè)備的混合信號集成電路中。LIN 2.0 規(guī)范包含描述物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議定義；另外該規(guī)范還包含定義系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通用接口的配置語言說明，該說明也可用作開發(fā)及分析工具輸入資料；同時包含針對附加軟件的應(yīng)用編程接口 (API) 定義。作為 LIN 聯(lián)盟專門為汽車應(yīng)用定義的標準，該標準可實現(xiàn)無縫的開發(fā)及設(shè)計工具鏈，同時提高網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)速度與可靠性。
LIN 是單線傳輸方式，從而可以降低布線和線束 (wiring harness) 要求，進而有助于減少重量和節(jié)省空間與成本。此標準規(guī)定單主節(jié)點具有 16 個獨立從節(jié)點。通信由主節(jié)點按計劃觸發(fā)，因此無需在同時報告設(shè)備之間執(zhí)行判優(yōu)操作。從節(jié)點具有自同步特性，可采用片上 RC 振蕩器而不采用晶體或陶瓷諧振器，從而大幅降低成本。LIN 協(xié)議可以保證信號傳輸?shù)臅r延，實現(xiàn)系統(tǒng)的可預(yù)測性——這是大部分傳感器/傳動裝置信號的關(guān)鍵要素。協(xié)議極其簡單，可通過異步串口 (UART/SCI)運行。因此，芯片實施成本很低，使 LIN 成為混合信號工藝技術(shù)的絕佳總線解決方案——而這種工藝技術(shù)主要用于生產(chǎn)汽車傳感器及傳動裝置采用的信號調(diào)節(jié)與輸出 IC。
實現(xiàn)混合信號工藝
LIN 標準是汽車傳感器/傳動裝置通信的重要進步，不過，在與混合信號半導(dǎo)體工藝的最新發(fā)展融合之后，它的重要性更彰顯突出。現(xiàn)在，由于能充分利用自己在高速 CMOS 數(shù)字工藝及先進的模擬工藝兩方面的專業(yè)技術(shù)，IC制造商得以實現(xiàn)幾年前還是天方夜潭的系統(tǒng)集成水平。適用于汽車傳感器/傳動應(yīng)用的典型高級混合信號工藝包括：線性 Bi-CMOS (LBC)、高壓 CMOS、以及絕緣硅 (SoI)工藝。上述許多工藝都可以實現(xiàn)整個傳感器/傳動裝置電子的單片片上系統(tǒng) (SoC) 實施，其中包括電源、高壓、數(shù)字邏輯、存儲及高精度模擬功能。
如果芯片上需要智能性，先進的混合信號工藝允許在 LIN 協(xié)議控制器之外集成合理水平的數(shù)字邏輯。例如，設(shè)計可能包含能夠報告?zhèn)鞲衅骰騻鲃友b置狀態(tài)的邏輯器件，以便使診斷功能既能用于及時維護又能用于終生可靠性數(shù)據(jù)庫開發(fā)。下一代混合信號工藝技術(shù)將允許微控制器肽Ｄ夤δ芤黃鵂?傘４死嗥?舷低臣?啥孕磯嚶τ鎂哂屑?叩募壑擔?紓?#8220;點觸式”車窗玻璃升降器——其需要運行一種防止玻璃上升時擠傷手指的算法。而對于需要更復(fù)雜、更快通信的應(yīng)用，實現(xiàn) LIN 通信集成的半導(dǎo)體功能還允許在混合信號器件中集成 CAN 功能。
傳感器/傳動裝置舉例
德州儀器(TI)的 TPIC1021 LIN-2.0 收發(fā)器是利用高級混合信號集成技術(shù)提高 LIN 兼容傳感器及傳動裝置通信的魯棒性并且保持其低成本的基石。這款收發(fā)器基于 TI 的LBC4 線性 Bi-CMOS 工藝，采用汽車電池電壓工作，因此無需外部電源。故障保護功能使設(shè)備能夠承受 LIN 總線上-40V ~ +40V的電壓，同時片上靜電放電 (ESD) 保護功能可以承受高達 17kV（國際電工委員會）和 21kV（人體模型）的峰值電壓。在此基礎(chǔ)上可以集成把傳感器或傳動裝置連接到汽車電網(wǎng)與 LIN 網(wǎng)絡(luò)所需要的更多元件。典型的片上功能包括：滿足系統(tǒng)要求的汽車電壓調(diào)節(jié)器、傳感器輸出中前端輸入的模擬濾波功能、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字濾波與控制、以及 LIN 兼容的協(xié)議控制器。圖1舉例說明了一個基于 LBC4 的、全面集成的傳感器接口。此款器件所具有的高集成度與電路保護功能使其正好適合于空間及成本非常有限的惡劣的汽車環(huán)境。
而 TPIC10271 傳動裝置接口是一款基于 LBC-4 D 的專門為汽車應(yīng)用設(shè)計的器件。它集成了采用電池電源的 3.3V 電壓調(diào)節(jié)器/監(jiān)控器、到用戶開關(guān)的高壓接口、用于位置傳感器或其他類型傳感器的高側(cè) FET（場效應(yīng)晶體管）驅(qū)動器、用于馬達控制繼電器的兩個低側(cè) FET 驅(qū)動器、反饋運算放大器、保護電路以及與 LIN 兼容的 PHY（圖 2）。輸出直接連接至用于控制算法的微控制器，如：玻璃升降器的防擠傷監(jiān)控功能。與 TPIC1021 以及 TI 混合信號系列產(chǎn)品中的其他器件一樣，TPIC10271 在不工作期間進入省電的休眠模式，而且具有低電磁干擾 (EME) 與高抗電磁干擾能力 (EMI)。
對于其他應(yīng)用，同樣的混合信號工藝技術(shù)除了可以集成上述兩款器件中的功能塊以外還可集成其它功能，包括：用于單軌及多軌的低壓降與開關(guān)電壓穩(wěn)壓器、不同配置的高/低側(cè)驅(qū)動器、各種運算放大器、數(shù)字邏輯器件、以及 LIN 接口等通信接口?？捎玫膫鲃咏涌诎ǎ篐橋、適用于DC刷/三相直流有刷馬達的智能驅(qū)動器、以及繼電器驅(qū)動器。這些驅(qū)動器用于電動座椅及后視鏡、門鎖、風檔雨刷及除霜器、玻璃與天線升降器、暖通空調(diào)系統(tǒng) (HVAC)、以及用于提供用戶舒適及安全性的各種其它電子系統(tǒng)。
系統(tǒng)優(yōu)勢
將傳感器/傳動裝置信號及通信接口改變?yōu)榕c LIN 兼容的混合信號 IC 可以產(chǎn)生多種系統(tǒng)級優(yōu)勢。首先是提高系統(tǒng)魯棒性與診斷功能。線路數(shù)量減少可降低成本以及潛在的故障源，且由于 LIN 可以實現(xiàn)雙向通信，主設(shè)備可從子設(shè)備處獲取診斷信息，而從設(shè)備可在發(fā)生系統(tǒng)問題時提供故障信息。此外，LIN 消除了對專有接口的需要，通過采用基于公開、可靠標準的通用通信方案既可開發(fā)組件及軟件。
利用 LIN 可構(gòu)建只需三條線（電池、接地及 LIN）的傳感器或傳動裝置，從而降低布線與線束要求。器件殼體更小，實現(xiàn)更好的傳感器/傳動裝置布置，而無需過多考慮布線問題。LIN 及先進的混合信號工藝可以在許多方面降低系統(tǒng)成本：組件數(shù)量減少；庫存降低；更緊湊、更簡單的印刷電路板與傳感器/傳動裝置殼體；使用片上振蕩器取代晶振或諧振器系統(tǒng)作為時鐘源；更高的可靠性。上述部分因素還可減少重量與空間消耗——汽車設(shè)計中始終不變的追求。
這種進步僅僅是汽車傳感器及傳動裝置智能與功能發(fā)展邁出的第一步。下一代混合信號汽車 IC 將集成更小的微控制器，能實現(xiàn)可編程功能以及更高的靈活性，從而滿足汽車的未來需求。隨著汽車傳感器與傳動裝置的智能化不斷提高，汽車設(shè)計師可以自由地設(shè)想汽車系統(tǒng)的智能應(yīng)用。
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