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如今汽車(chē)內的電子元器件價(jià)值已占到總車(chē)的15～20%。未來(lái)，隨著(zhù)車(chē)輛中植入更多的安全電子設備、燃油消耗和燃料排放控制電子系統、通信和導航系統、信息娛樂(lè )系統以及其他提升舒適度的電子系統，該比例可能會(huì )高達30～40%。 目前實(shí)現上述功能需要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)。這些傳感器負責測量的環(huán)境數據范圍很廣，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(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、電子穩定程序/控制(ESP/ESC)，以及剎車(chē)輔助系統等，都要依賴(lài)傳感器輸入。 在這些應用中，各種系統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到傳感器的缺陷，ECU就能夠獲得可靠數據從而做出正確決策。對于那些與安全息息相關(guān)的系統來(lái)說(shuō)，系統禁用和應急啟動(dòng)都相當重要。 圖1：如今汽車(chē)內的電子元器件價(jià)值已占到總車(chē)的15-20%。 圖2: 在現代車(chē)輛中，常常需要10到20條不同的數據總線(xiàn)將不同的裝配連接到一起。 1 作為網(wǎng)絡(luò )應用的汽車(chē)電子 一份有關(guān)汽車(chē)電子控制系統的分析報告顯示，這些裝配的復雜度呈現指數上升。簡(jiǎn)單的電子控制和調節裝備已經(jīng)被更為復雜的IT系統取代。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)。 例如，可能會(huì )通過(guò)診斷用CAN總線(xiàn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)單獨的ECU、詢(xún)問(wèn)其狀態(tài)、讀取錯誤代碼，甚至刷新程序固件。如今，出于成本考慮，許多應用中常常會(huì )共享傳感器。這意味著(zhù)一個(gè)傳感器模塊的測量值將被幾個(gè)ECU處理。 車(chē)輛中的大量應用已然轉變成了網(wǎng)絡(luò )應用。以往的常見(jiàn)架構(即一個(gè)ECU實(shí)現一個(gè)應用)已經(jīng)被多個(gè)ECU共享的網(wǎng)絡(luò )功能所取代。 圖3：后備箱蓋功能樹(shù)。 圖3是一個(gè)后備箱蓋的功能樹(shù)。在這里，打開(kāi)后備箱實(shí)際上需要激活兩個(gè)ECU。其余的ECU用來(lái)執行顯示和控制功能。 任何錯誤都會(huì )導致系統故障。打開(kāi)后備箱蓋這個(gè)動(dòng)作可能出現的錯誤模式有6個(gè)。應該是某個(gè)錯誤使得傳感器故障，這可能會(huì )在ECU的故障存儲器中產(chǎn)生十幾個(gè)不同的輸入。從這些錯誤代碼的分布來(lái)看，有必要獲取比以往更為詳細的傳感器診斷信息。 汽車(chē)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。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(jiàn)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(jìn)行信號范圍內(如10-90%)的傳感器信號傳輸，并通過(guò)開(kāi)關(guān)將低診斷范圍(LDR)和高診斷范圍(UDR)轉換為故障狀態(tài)。因此，其無(wú)法傳送更詳細的故障信息。 解決這一問(wèn)題的方法是在傳感器模塊與ECU之間采用數字通信，來(lái)傳輸除傳感器數據之外的狀態(tài)信息、時(shí)間戳以及誤差代碼等。不過(guò)遺憾的是，向數字通信轉變所引發(fā)的問(wèn)題異常復雜，因為傳感器的種類(lèi)相差太大，而且不同的傳感器供應商所采用的架構也有所不同(見(jiàn)圖5)。 圖5：傳感器的種類(lèi)相差太大，而且不同的傳感器供應商所采用的架構也有所不同。 從模擬角度來(lái)看，市場(chǎng)上提供各種針對所有環(huán)境變量的傳感器，而且幾乎所有ECU微控制器都有模擬輸入口。因此，利用市場(chǎng)上現有的元器件，或僅需進(jìn)行微調的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)新應用不會(huì )出現大問(wèn)題或者大風(fēng)險。 但這樣的情況卻不適合數字通信協(xié)議�？捎玫臉藴蕝f(xié)議必須以特定方式使用。目前可用的數字協(xié)議包括： * CAN：總體來(lái)說(shuō)太過(guò)復雜，傳感器成本過(guò)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(zhuān)為安全應用(如氣囊)開(kāi)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，在需要數字通信的應用中通常會(huì )采用專(zhuān)有方案。這意味著(zhù)每個(gè)電路制造商都有自己的專(zhuān)有協(xié)議。支持ZMD31150、ZMD的ZACWire (串行數字接口)提供一個(gè)開(kāi)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(lái)幾年的挑戰，是制定和執行考慮到傳感器系統和應用要求并具成本效益的標準化數字接口。該接口必須滿(mǎn)足下面三個(gè)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(jiǎn)單、靈活 * 應用：盡可能快速、安全和兼容，特別是在超出規范工作電壓、EMC高以及最大RF輻射受限的條件下。 汽車(chē)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(chē)條件下減小剎車(chē)距離的剎車(chē)輔助系統來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)傳感器來(lái)測量剎車(chē)系統的壓力，使得ECU能夠檢測出由駕駛員所發(fā)出的剎車(chē)動(dòng)作。傳感器是激活ABS的關(guān)鍵，故傳感器必須100%準確。要保證這一點(diǎn)，自檢功能必須盡可能的全面。 如果傳感器信號調節器(SSC) IC發(fā)現模組中的傳感器故障(例如傳感器短路)，或者由于外部故障引起了SSC的無(wú)效操作，ECU必須能夠確定這些問(wèn)題。例如，可以利用ZMD31150來(lái)說(shuō)明如何處理上述問(wèn)題。ZMD31150是一款在汽車(chē)應用中進(jìn)行信號調節的SSC。 ZMD31150中執行的診斷功能(見(jiàn)圖6)將對傳感器機能以及SSC進(jìn)行連續監控。 圖6：ZMD31150中執行的診斷功能 一旦檢測到故障，診斷模式(DM)被激活。數字通信消息中將建立一個(gè)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(lèi)，即硬件和軟件錯誤。硬件錯誤是在SSC中檢測到的由硬件問(wèn)題所引發(fā)的故障。本例中，信號調節被終止而DM被激活。 相反，軟件錯誤的原因就不會(huì )總是這么清楚或連續出現。它們可能由外部原因引起，如EMC干擾或者系統板上其他電氣負載進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。針對軟件錯誤，這里使用了一個(gè)錯誤計數器，當錯誤發(fā)生時(shí)進(jìn)行“+”運算，而當錯誤不再發(fā)生時(shí)進(jìn)行“—”運算。當檢測不到軟件錯誤時(shí)，軟件錯誤消息被低通過(guò)濾，傳感器返回到正常操作模式。這樣的做法被稱(chēng)作臨時(shí)診斷DM。 ZMD31150中的臨時(shí)DM是一個(gè)可選項，在錯誤持續出現時(shí)提供可靠的錯誤信息。利用附加信息(如冗余傳感器或進(jìn)行大量檢查)，ECU將決定當前應用能否繼續可靠工作，或者根據錯誤消息必須關(guān)斷。 如果隨著(zhù)感性負載(Schaffner Pulse 3a或3b)接通，某個(gè)故障耦合到了傳感器系統的電源電壓上，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(shí)DM，這種情況不得不連續出現幾次后才向ECU報告錯誤。由于錯誤計數器過(guò)濾了結果，明顯的錯誤信息和相應的誤導將被避免。 例如，許多駕駛員都體驗過(guò)儀表盤(pán)上突然顯現一個(gè)錯誤信號，或者是“檢查發(fā)動(dòng)機”的指示燈點(diǎn)亮，并伴隨一條請與維修廠(chǎng)聯(lián)系的信息。有時(shí)候該消息在第二天就不再出現，而檢修人員將一個(gè)模組或傳感器更換下來(lái)后發(fā)現沒(méi)有任何問(wèn)題。適當的軟件過(guò)濾即可消除這類(lèi)惱人的事情。 2 本文小結 利用傳感器信號調理IC可以大大簡(jiǎn)化汽車(chē)安全傳感器系統的開(kāi)發(fā)。確保傳感器輸出100%正確的自診斷功能，只能在信號調整階段實(shí)現，鑒于此，該功能必須是片上實(shí)現。 像ZMD傳感器調理IC這類(lèi)的器件集成了全面的自診斷功能。通過(guò)配置EEPROM，可以對某個(gè)錯誤進(jìn)行精確定義，并且對系統如何反應進(jìn)行定義。對檢測到的錯誤事件進(jìn)行響應的各類(lèi)執行程序，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。 |
