傳感技術(shù)強(qiáng)化在汽車中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

　　如今汽車內(nèi)的電子零組件價(jià)值已占整體汽車成本的15-20%。未來，隨著車輛中植入更多安全電子設(shè)備、燃油消耗和燃料排放控制電子系統(tǒng)、通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)以及其他提升舒適度的電子系統(tǒng)，該比例可能會(huì)高達(dá)30-40%。

　　目前實(shí)現(xiàn)上述功能需要20-50個(gè)電子控制單元（ECU），所用到的傳感器差不多有70-150個(gè)。這些傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量的環(huán)境數(shù)據(jù)范圍很廣，有壓力、溫度、流量、速度、加速度以及角度等。它們將測(cè)量值送到ECU進(jìn)行引擎和環(huán)境控制、安全氣囊觸發(fā)，因而提升舒適度和安全性。像ABS、電子穩(wěn)定程序/控制（ESP/ESC），以及剎車輔助系統(tǒng)等，都要依賴傳感器輸入。

　　在這些應(yīng)用中，各種系統(tǒng)的自診斷能力正變得日益重要。例如，如果有可能直接在感應(yīng)組件中檢測(cè)到傳感器的缺陷，ECU就能夠獲得可靠數(shù)據(jù)因而做出正確決策。對(duì)于那些與安全息息相關(guān)的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)禁用和應(yīng)急啟動(dòng)都相當(dāng)重要。

　　汽車中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

　　一份有關(guān)汽車電子控制系統(tǒng)的分析報(bào)告顯示，這些裝配的復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)上升。簡(jiǎn)單的電子控制和調(diào)節(jié)裝備已經(jīng)被更為復(fù)雜的IT系統(tǒng)取代。在這其中，除了實(shí)際硬件外，軟件以及ECU間的雙向通訊已成為一個(gè)新的關(guān)注點(diǎn)。

　　例如，可能會(huì)通過診斷用CAN總線來存取每個(gè)單獨(dú)的ECU、詢問其狀態(tài)、讀取錯(cuò)誤程序代碼，甚至刷新程序固件。如今，出于成本考慮，許多應(yīng)用中常常會(huì)共享傳感器。這意味著一個(gè)傳感器模塊的測(cè)量值將被幾個(gè)ECU處理。

　　車輛中的大量應(yīng)用已然轉(zhuǎn)變成了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。以往的常見架構(gòu)（即一個(gè)ECU實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用）已經(jīng)被多個(gè)ECU共享的網(wǎng)絡(luò)功能所取代。

　　圖3是一個(gè)后備箱蓋的功能樹。在這里，打開后備箱實(shí)際上需要啟動(dòng)兩個(gè)ECU。其余的ECU用來執(zhí)行顯示和控制功能。

　　任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。打開后備箱蓋這個(gè)動(dòng)作可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤模式有6個(gè)。應(yīng)該是某個(gè)錯(cuò)誤使得傳感器故障，這可能會(huì)在ECU的故障內(nèi)存中產(chǎn)生十幾個(gè)不同的輸入。從這些錯(cuò)誤程序代碼的分布來看，有必要獲取比以往更為詳細(xì)的傳感器診斷信息。

　　汽車傳感器目前所用的通訊協(xié)議仍然是模擬輸出。這是典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接──即一個(gè)傳感器與一個(gè)ECU連接，并以電壓作為其輸出信號(hào)。盡管已經(jīng)進(jìn)行了一些改善，例如提高分辨率，或增加診斷范圍（LDR， UDR，見圖4），但模擬輸出仍然是90年代至今該技術(shù)的核心。

　　模擬輸出只允許進(jìn)行信號(hào)范圍內(nèi)（如10-90%）的傳感器信號(hào)傳輸，并通過開關(guān)將低診斷范圍（LDR）和高診斷范圍（UDR）轉(zhuǎn)換為故障狀態(tài)。因此，其無法傳送更詳細(xì)的故障信息。

　　解決這一問題的方法是在傳感器模塊與ECU之間采用數(shù)字通訊，來傳輸除傳感器數(shù)據(jù)之外的狀態(tài)信息、時(shí)間戳以及誤差程序代碼等。不過遺憾的是，向數(shù)字通訊轉(zhuǎn)變所引發(fā)的問題異常復(fù)雜，因?yàn)閭鞲衅鞯姆N類相差太大，而且不同的傳感器供貨商所采用的架構(gòu)也有所不同（見圖5）。

　　從模擬角度來看，市場(chǎng)上提供各種針對(duì)所有環(huán)境變量的傳感器，而且?guī)缀跛蠩CU微控制器都有模擬輸入埠。因此，利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的零組件，或僅需進(jìn)行微調(diào)的產(chǎn)品開發(fā)新應(yīng)用不會(huì)出現(xiàn)大問題或者大風(fēng)險(xiǎn)。

　　但這樣的情況卻不適合數(shù)字通訊協(xié)議?？捎玫臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議必須以特定方式使用。目前可用的數(shù)字協(xié)議包括：

　　CAN：整體來說太過復(fù)雜，傳感器成本過于昂貴；

　　LIN：僅支持最高為19，200 baud的低傳輸率；

　　外部傳感器接口（PAS4，PSI5）：專為安全應(yīng)用（如氣囊）開發(fā)，要求9V工作電壓，電流消耗大；

　　SENT：只能支持單向，目前還處于標(biāo)準(zhǔn)化階段中。

　　于是，在需要數(shù)字通訊的應(yīng)用中通常會(huì)采用專有方案。這意味著每個(gè)電路制造商都有自己的專有協(xié)議。支持ZMD31150、ZMD的ZACWire（串行數(shù)字接口）提供一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供通訊安全，在波特率和行末校準(zhǔn)方面具有靈活性。

　　未來幾年的挑戰(zhàn)，是制訂和執(zhí)行考慮到傳感器系統(tǒng)和應(yīng)用要求并具有成本效益的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字接口。該接口必須滿足下面三個(gè)多少有些矛盾的設(shè)計(jì)條件：

　　電路測(cè)試：為了測(cè)試成本最小化，要求通訊速度最大化

　　校準(zhǔn)：盡可能簡(jiǎn)單、靈活

　　應(yīng)用：盡可能快速、安全和兼容，特別是在超出規(guī)格工作電壓、EMC高以及最大RF輻射受限的條件下。

　　汽車傳感器在安全方面的應(yīng)用正日益增加。對(duì)于可以在危險(xiǎn)的剎車條件下減少剎車距離的剎車輔助系統(tǒng)來說，需要一個(gè)傳感器來測(cè)量剎車系統(tǒng)的壓力，使得ECU能夠檢測(cè)出由駕駛員所發(fā)出的剎車動(dòng)作。傳感器是啟動(dòng)ABS的關(guān)鍵，故傳感器必須100%準(zhǔn)確。要保證這一點(diǎn)，自檢功能必須盡可能的全面。

　　如果傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器（SSC） IC發(fā)現(xiàn)模塊中的傳感器故障（例如傳感器短路），或者由于外部故障引起了SSC的無效作業(yè)，ECU必須能夠確定這些問題。例如，可以利用ZMD31150來說明如何處理上述問題。ZMD31150是一款在汽車應(yīng)用中進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的SSC。

　　ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能（見圖6）將對(duì)傳感器機(jī)能以及SSC進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。

　　一旦檢測(cè)到故障，診斷模式（DM）被啟動(dòng)。數(shù)字通訊消息中將設(shè)立一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志，或者將模擬輸出切換到預(yù)先編程的診斷范圍LDR或HDR上。

　　可檢測(cè)故障分為兩類，即硬件和軟件錯(cuò)誤。硬件錯(cuò)誤是在SSC中檢測(cè)到的由硬件問題所引發(fā)的故障。本例中，信號(hào)調(diào)節(jié)被終止而DM被啟動(dòng)。

　　相反，軟件錯(cuò)誤的原因就不會(huì)總是這么清楚或連續(xù)出現(xiàn)。它們可能由外部原因引起，如EMC干擾或者系統(tǒng)板上其他電氣負(fù)載進(jìn)行開關(guān)作業(yè)。針對(duì)軟件錯(cuò)誤，這里使用了一個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，當(dāng)錯(cuò)誤產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行‘+’運(yùn)算，而當(dāng)錯(cuò)誤不再產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行‘-’運(yùn)算。當(dāng)檢測(cè)不到軟件錯(cuò)誤時(shí)，軟件錯(cuò)誤消息被低通過濾，傳感器返回到正常作業(yè)模式。這樣的做法被稱作臨時(shí)診斷DM。

　　ZMD31150中的臨時(shí)DM是一個(gè)可選項(xiàng)，在錯(cuò)誤持續(xù)出現(xiàn)時(shí)提供可靠的錯(cuò)誤信息。利用附加信息（如冗余傳感器或進(jìn)行大量檢查），ECU將決定目前應(yīng)用能否繼續(xù)可靠工作，或者根據(jù)錯(cuò)誤消息必須切斷。

　　如果隨著感性負(fù)載（Schaffner Pulse 3a或3b）接通，某個(gè)故障耦合到了傳感器系統(tǒng)的電源電壓上，該故障同樣能夠耦合到傳感器上，因而觸發(fā)自診斷功能。但是有了臨時(shí)DM，這種情況不得不連續(xù)出現(xiàn)幾次后才向ECU報(bào)告錯(cuò)誤。由于錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器過濾了結(jié)果，明顯的錯(cuò)誤信息和相應(yīng)的誤導(dǎo)將被避免。

　　例如，許多駕駛員都體驗(yàn)過儀表盤上突然顯現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，或者是‘檢查發(fā)動(dòng)機(jī)’的指示燈點(diǎn)亮，并伴隨一條請(qǐng)與維修廠聯(lián)系的信息。有時(shí)候該消息在第二天就不再出現(xiàn)，而檢修人員將一個(gè)模塊或傳感器更換下來后發(fā)現(xiàn)沒有任何問題。適當(dāng)?shù)能浖^濾即可消除這類惱人的事情。

　　本文小結(jié)

　　利用傳感器信號(hào)調(diào)理IC可以大幅簡(jiǎn)化汽車安全傳感器系統(tǒng)的開發(fā)。確保傳感器輸出100%正確的自診斷功能，只能在信號(hào)調(diào)整階段實(shí)現(xiàn)，鑒于此，該功能必須是芯片上實(shí)現(xiàn)。像ZMD傳感器調(diào)理IC這類的組件整合了全面的自診斷功能。通過配置EEPROM，可以對(duì)某個(gè)錯(cuò)誤進(jìn)行精確定義，并且對(duì)系統(tǒng)如何反應(yīng)進(jìn)行定義。對(duì)檢測(cè)到的錯(cuò)誤事件進(jìn)行響應(yīng)的各類執(zhí)行程序，有助于避免明顯的虛假錯(cuò)誤信息，因而增加自診斷的可靠性。