傳感器作為信息獲取的源頭，在自動化測試及控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重大的作用。在很多應用場合，傳統(tǒng)傳感器由于測量參數(shù)的單一性已經(jīng)不能滿足實際需要。人們希望一個傳感器能完成傳統(tǒng)多個傳感器的測量任務，尤其是在一些較危險的壞境下，在這樣的需求下，多參數(shù)傳感器應運而生。但是隨著傳感器測量的物理量個數(shù)增加，傳感器結(jié)構(gòu)越復雜，發(fā)生故障的概率也越大，因此更需要對傳感器的輸出值進行自確認。也就是要求傳感器不僅能輸出測量值，同時能夠?qū)ψ陨淼墓ぷ餍阅�、狀態(tài)進行在線評估，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷和自恢復。

　　目前實現(xiàn)上述功能需要20～50個電子控制單元（ECU），所用到的傳感器差不多有70～150個。這些傳感器負責測量的環(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。它們將測量值送到ECU進行引擎和環(huán)境控制、安全氣囊觸發(fā)，從而提升舒適度和安全性。

　　ECU（Electronic Control Unit）電子控制單元，又稱“行車電腦”、“車載電腦”等。從用途上講則是汽車專用微機控制器，也叫汽車專用單片機。它和普通的單片機一樣，由微處理器（CPU）、存儲器（ROM、、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成。電控單元的功用是根據(jù)其內(nèi)存的程序和數(shù)據(jù)對空氣流量計及各種傳感器輸入的信息進行運算、處理、判斷，然后輸出指令，向噴油器提供一定寬度的電脈沖信號以控制噴油量。電控單元由微型計算機、輸入、輸出及控制電路等組成。在這些應用中，各種系統(tǒng)的自診斷能力正變得日益重要。對于那些與安全息息相關(guān)的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)禁用和應急啟動都相當重要。

　　圖1：如今汽車內(nèi)的電子元器件價值已占到總車的15-20%。

　　圖2: 在現(xiàn)代車輛中，常常需要10到20條不同的數(shù)據(jù)總線將不同的裝配連接到一起。

　　作為網(wǎng)絡應用的汽車電子

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

　　車輛中的大量應用已然轉(zhuǎn)變成了網(wǎng)絡應用。以往的常見架構(gòu)（即一個ECU實現(xiàn)一個應用）已經(jīng)被多個ECU共享的網(wǎng)絡功能所取代。

　　圖3：后備箱蓋功能樹。

　　圖3是一個后備箱蓋的功能樹。在這里，打開后備箱實際上需要激活兩個ECU。

　　任何錯誤都會導致系統(tǒng)故障。打開后備箱蓋這個動作可能出現(xiàn)的錯誤模式有6個。應該是某個錯誤使得傳感器故障，這可能會在ECU的故障存儲器中產(chǎn)生十幾個不同的輸入。

　　汽車傳感器目前所用的通信協(xié)議仍然是模擬輸出。這是典型的點對點連接——即一個傳感器與一個ECU連接，并以電壓作為其輸出信號。盡管已經(jīng)進行了一些改善，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。

　　圖4:

　　模擬輸出只允許進行信號范圍內(nèi)（如10-90%）的傳感器信號傳輸，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)。

　　解決這一問題的方法是在傳感器模塊與ECU之間采用數(shù)字通信，來傳輸除傳感器數(shù)據(jù)之外的狀態(tài)信息、時間戳以及誤差代碼等。不過遺憾的是，向數(shù)字通信轉(zhuǎn)變所引發(fā)的問題異常復雜，因為傳感器的種類相差太大，而且不同的傳感器供應商所采用的架構(gòu)也有所不同（見圖5）。

　　圖5：傳感器的種類相差太大，而且不同的傳感器供應商所采用的架構(gòu)也有所不同。

　　從模擬角度來看，市場上提供各種針對所有環(huán)境變量的傳感器，而且?guī)缀跛�有ECU微控制器都有模擬輸入口。因此，利用市場上現(xiàn)有的元器件，或僅需進行微調(diào)的產(chǎn)品開發(fā)新應用不會出現(xiàn)大問題或者大風險。

　　但這樣的情況卻不適合數(shù)字通信協(xié)議�？捎玫臉藴蕝f(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：總體來說太過復雜，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，目前還處于標準化階段中

　　于是，在需要數(shù)字通信的應用中通常會采用專有方案。這意味著每個電路制造商都有自己的專有協(xié)議。支持ZMD31150、ZMD的ZACWire提供一個開放標準，能夠提供通信安全，在波特率和行末校準方面具有靈活性。

　　未來幾年的挑戰(zhàn)，是制定和執(zhí)行考慮到傳感器系統(tǒng)和應用要求并具成本效益的標準化數(shù)字接口。該接口必須滿足下面三個多少有些矛盾的設計條件：

　　電路測試：為了測試成本最小化，要求通信速度最大化

　　校準：盡可能簡單、靈活

　　應用：盡可能快速、安全和兼容，特別是在超出規(guī)范工作電壓、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用正日益增加。對于可以在危險的剎車條件下減小剎車距離的剎車輔助系統(tǒng)來說，需要一個傳感器來測量剎車系統(tǒng)的壓力，使得ECU能夠檢測出由駕駛員所發(fā)出的剎車動作。傳感器是激活ABS的關(guān)鍵，故傳感器必須100%準確。

　　如果傳感器信號調(diào)節(jié)器IC發(fā)現(xiàn)模組中的傳感器故障，或者由于外部故障引起了SSC的無效操作，ECU必須能夠確定這些問題。ZMD31150是一款在汽車應用中進行信號調(diào)節(jié)的SSC。

　　ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能（見圖6）將對傳感器機能以及SSC進行連續(xù)監(jiān)控。

　　圖6：ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能

　　一旦檢測到故障，診斷模式（DM）被激活。數(shù)字通信消息中將建立一個錯誤標志，或者將模擬輸出切換到預先編程的診斷范圍LDR或HDR上。

　　可檢測故障分為兩類，即硬件和軟件錯誤。硬件錯誤是在SSC中檢測到的由硬件問題所引發(fā)的故障。

　　相反，軟件錯誤的原因就不會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)板上其他電氣負載進行開關(guān)操作。針對軟件錯誤，這里使用了一個錯誤計數(shù)器，當錯誤發(fā)生時進行“+”運算，而當錯誤不再發(fā)生時進行“—”運算。當檢測不到軟件錯誤時，軟件錯誤消息被低通過濾，傳感器返回到正常操作模式。

　　ZMD31150中的臨時DM是一個可選項，在錯誤持續(xù)出現(xiàn)時提供可靠的錯誤信息。利用附加信息（如冗余傳感器或進行大量檢查），ECU將決定當前應用能否繼續(xù)可靠工作，或者根據(jù)錯誤消息必須關(guān)斷。

　　如果隨著感性負載（Schaffner Pulse 3a或3b）接通，某個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，從而觸發(fā)自診斷功能。但是有了臨時DM，這種情況不得不連續(xù)出現(xiàn)幾次后才向ECU報告錯誤。由于錯誤計數(shù)器過濾了結(jié)果，明顯的錯誤信息和相應的誤導將被避免。

　　本文小結(jié)

　　利用傳感器信號調(diào)理IC可以大大簡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，只能在信號調(diào)整階段實現(xiàn)，鑒于此，該功能必須是片上實現(xiàn)。

　　像ZMD傳感器調(diào)理IC這類的器件集成了全面的自診斷功能。通過配置EEPROM，可以對某個錯誤進行精確定義，并且對系統(tǒng)如何反應進行定義。對檢測到的錯誤事件進行響應的各類執(zhí)行程序，有助于避免明顯的虛假錯誤信息，從而可以增加自診斷的可靠性。

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