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汽车传感器设计之接口电路与硬件的设计分析

发布日期:2020-09-16 21:46

  传感器可以对温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制,所以作为传感器不仅是汽车电子控制系统的关键部件,也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一(汽车传感器原理)。那么,汽车

  在了解这些知识之前,我们来看一下有关ESP的相关知识,这与汽车传感器设计是密切相关的。

  什么是ESP呢?简单来说ESP(Electronic Stability Program,电子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同,如博世(BOSCH)公司早期称为汽车动力学控制 (VDC),现在博世、梅赛德奔驰公司称为ESP;丰田公司称为汽车稳定性控制系统(VSC)、汽车稳定性辅助系统(VSA)或者汽车电子稳定控制系统 (ESC);宝马公司称为动力学稳定控制系统(DSC)。

  尽管名称不尽相同,但都是在传统的汽车动力学控制系统,如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳 定控制器,通过控制横向和纵向力的分布和幅度,以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式,从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能,如制动、滑移、驱动 等。ESP在国外已经批量生产,在国内尚处于研究阶段,要达到产业化的程度,还有大量的工作要做。图1所示为汽车ESP的构成示意图

  其电子部件主要包括电子控制单元(ECU)、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传 感器、轮速传感器等。ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统,其各个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。

  在图中,方向盘转角传感器信号经微控制器处理后,通过CAN总线中B);横摆角速度传感器、纵向/横向传感器由于信号特点和安装位置类似,故设计在同一个模块内(图2中A);由于ESP对轮速传感器信号的实时性要求较高,故经过信号调理后,直接送入ECU(图2中C)。

  在图2的A和B中,需要微处理器对信号进行处理并通过CAN总线传送数据,本文选用Infineon公司的SAK-C164CI。该芯片是专为汽车应用而设计,内置AD转换器、输入信号捕捉、正交解码器,运算速度快,非常适合ESP的传感器信号处理。

  以80C31单片机(外部扩展8kRAM和8kEPROM)为核心的轮速传感器硬件结构框图如图3所示:外围电路有信号处理电路、总线控制及总线接口等电路。

  轮速传感器产生信号经滤波、整形、光电隔离后,送80C31的/INT0输入引脚。T1作定时器使用,对脉冲信号进行周期测量。SJA1000, 82C250组成与CAN总线的控制和接口电路。在轮速传感器的设计过程中,充分考虑其抗干扰和稳定性,单片机的输入/输出端均采用光电隔离,用看门狗定时器(MAX813)进行超时复位,确保系统可靠工作。

  根据轮速传感器信号特性,处理电路由限幅电路、滤波电路和比较整形电路组成,如图4所示。

  限幅电路将轮速传感器输出信号Vi正半周的幅值限制在5V以下,负半周使其输出为-0.6V。滤波电路设计成带反馈的有源低通滤波器,其截止频率为 2075Hz(按最高车速为200km/h设计,传感器输出信号对应的频率),选Q=0.707。

  比较整形电路中设置一定的比较电压,与滤波器输出信号相比较输出方波信号。LM311N输出方波的幅值为10V,经R5,R6分压后得幅值为5V的方波信号送光电隔离器。

  近年来从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统(MEMS)技术日渐成熟,利用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器,这些传感器的体积和能耗小,可实现许多全新的功能,便于大批量和高精度生产,单件成本低,易构成大规模和多功能阵列,非常适合在汽车上应用。

  在了解了ESP:电子稳定程序后,本文对汽车传感器接口设计、汽车轮速传感器硬件设计与信号处理电路进行了简单的分析。