自診斷傳感器模塊提升汽車網(wǎng)絡(luò)效率
來源：網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間：2012-07-10 關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)化 電力電子 傳感器 汽車電子 傳感器作為信息獲取的源頭，在自動(dòng)化測(cè)試及控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重大的作用。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)傳感器由于測(cè)量參數(shù)的單一性已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要。人們希望一個(gè)傳感器能完成傳統(tǒng)多個(gè)傳感器的測(cè)量任務(wù)，尤其是在一些較危險(xiǎn)的壞境下，在這樣的需求下，多參數(shù)傳感器應(yīng)運(yùn)而生。但是隨著傳感器測(cè)量的物理量個(gè)數(shù)增加，傳感器結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，發(fā)生故障的概率也越大，因此更需要對(duì)傳感器的輸出值進(jìn)行自確認(rèn)。也就是要求傳感器不僅能輸出測(cè)量值，同時(shí)能夠?qū)ψ陨淼墓ぷ餍阅?、狀態(tài)進(jìn)行在線評(píng)估，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷和自恢復(fù)?！ ∧壳皩?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)，從而提升舒適度和安全性?！ CU(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(jī)控制器，也叫汽車專用單片機(jī)。它和普通的單片機(jī)一樣，由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)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(dòng)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(duì)空氣流量計(jì)及各種傳感器輸入的信息進(jìn)行運(yùn)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(hào)以控制噴油量。電控單元由微型計(jì)算機(jī)、輸入、輸出及控制電路等組成。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。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。 如今汽車內(nèi)的電子元器件價(jià)值已占到總車的15～20%。未來，隨著車輛中植入更多的安全電子設(shè)備、燃油消耗和燃料排放控制電子系統(tǒng)、通信和導(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%?！ ∧壳皩?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)，從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?！ ≡谶@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，如果有可能直接在傳感元件中檢測(cè)到傳感器的缺陷，ECU就能夠獲得可靠數(shù)據(jù)從而做出正確決策。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?！ ?center>
圖1：如今汽車內(nèi)的電子元器件價(jià)值已占到總車的15-20%?！ ∽鳛榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的汽車電子 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間的雙向通信已成為一個(gè)新的關(guān)注點(diǎn)?！ ≤囕v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?！ ?center>
圖3是一個(gè)后備箱蓋的功能樹。在這里，打開后備箱實(shí)際上需要激活兩個(gè)ECU?！ ∪魏五e(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的故障存儲(chǔ)器中產(chǎn)生十幾個(gè)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(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?！ ?center>
圖4: 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)。 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(shí)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(fù)雜，因?yàn)閭鞲衅鞯姆N類相差太大，而且不同的傳感器供應(yīng)商所采用的架構(gòu)也有所不同(見圖5)?！ ?center>
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口。因此，利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的元器件，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)?！ 〉@樣的情況卻不適合數(shù)字通信協(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：總體來說太過復(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)字通信的應(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提供一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供通信安全，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)，是制定和執(zhí)行考慮到傳感器系統(tǒng)和應(yīng)用要求并具成本效益的標(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，要求通信速度最大化 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)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(yīng)用正日益增加。對(duì)于可以在危險(xiǎn)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(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。傳感器是激活A(yù)BS的關(guān)鍵，故傳感器必須100%準(zhǔn)確?！ ∪绻麄鞲衅餍盘?hào)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(yīng)用中進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的SSC?！ MD31150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。
圖1：如今汽車內(nèi)的電子元器件價(jià)值已占到總車的15-20%?！ ∽鳛榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的汽車電子 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間的雙向通信已成為一個(gè)新的關(guān)注點(diǎn)?！ ≤囕v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?！ ?center>
圖3是一個(gè)后備箱蓋的功能樹。在這里，打開后備箱實(shí)際上需要激活兩個(gè)ECU?！ ∪魏五e(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的故障存儲(chǔ)器中產(chǎn)生十幾個(gè)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(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?！ ?center>
圖4: 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)。 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(shí)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(fù)雜，因?yàn)閭鞲衅鞯姆N類相差太大，而且不同的傳感器供應(yīng)商所采用的架構(gòu)也有所不同(見圖5)?！ ?center>
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口。因此，利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的元器件，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)?！ 〉@樣的情況卻不適合數(shù)字通信協(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：總體來說太過復(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)字通信的應(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提供一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供通信安全，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)，是制定和執(zhí)行考慮到傳感器系統(tǒng)和應(yīng)用要求并具成本效益的標(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，要求通信速度最大化 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)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(yīng)用正日益增加。對(duì)于可以在危險(xiǎn)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(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。傳感器是激活A(yù)BS的關(guān)鍵，故傳感器必須100%準(zhǔn)確?！ ∪绻麄鞲衅餍盘?hào)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(yīng)用中進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)的SSC?！ MD31150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。
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