車輛中使用的傳感器種類繁多，從溫度和觸摸傳感器到加速度計(jì)和陀螺儀。本文著眼于在具有擴(kuò)展溫度范圍和更高電壓保護(hù)的中將傳感器連接到有線網(wǎng)絡(luò)（例如 LIN、CAN 和以太網(wǎng)）的問(wèn)題。

　　現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)將協(xié)議組合用于不同的應(yīng)用。車輛周圍的傳感器越來(lái)越多地用于各種應(yīng)用——從用于攝像頭的圖像傳感器到用于加熱和乘客識(shí)別的溫度傳感器——意味著不同的傳感器必須連接到不同的網(wǎng)絡(luò)。

　　本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 用于低成本應(yīng)用，主要用于數(shù)據(jù)速率通常為 10 至 20 kbit/s 的車身電子設(shè)備，而控制器局域網(wǎng) （CAN） 用于高達(dá) 10 Mbit/s 的主流動(dòng)力系統(tǒng)和車身通信s。FlexRay 總線用于高級(jí)系統(tǒng)（如主動(dòng)懸架）中的高速同步數(shù)據(jù)通信。MOST 總線被一些車輛設(shè)計(jì)人員用于以 50 到 100 Mbit/s 傳輸音頻甚至視頻的更高性能網(wǎng)絡(luò)，盡管汽車中也正在開發(fā) 100 Mbit/s 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸此類數(shù)據(jù)。

　　傳感器要測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是溫度，因?yàn)樗梢砸远喾N不同方式用于提供重要信息。使用數(shù)據(jù)的方式，即使是相同類型的傳感器，也需要不同的總線接口。例如，Melexis MLX90620 等紅外溫度傳感器可用作汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中的“熱舒適”傳感器，但它也可用于乘客分類，甚至用于盲角檢測(cè)。所有這些應(yīng)用程序都將連接到具有不同設(shè)計(jì)要求的車輛中的不同有線網(wǎng)絡(luò)。

　　當(dāng)車廂內(nèi)濕度高、前擋風(fēng)玻璃溫度低時(shí)，水汽會(huì)凝結(jié)在玻璃上，導(dǎo)致駕駛員視線模糊。HVAC 系統(tǒng)可以通過(guò)在擋風(fēng)玻璃上吹干熱空氣來(lái)避免這種冷凝。為此，系統(tǒng)必須能夠檢測(cè)到冷凝，甚至更好地進(jìn)行預(yù)測(cè)。這可以使用紅外溫度計(jì)、濕度傳感器和外部溫度計(jì)來(lái)完成。

　　該傳感器還可用于確定座位上是否有乘客，啟用或禁用安全氣囊。紅外傳感器甚至可以用于盲點(diǎn)檢測(cè)。一個(gè)系統(tǒng)使用被動(dòng)紅外傳感器來(lái)感應(yīng)從移動(dòng)車輛的輪胎輻射的熱能。該溫差用于觸發(fā)閃爍的紅燈，以警告駕駛員危險(xiǎn)。

　　紅外溫度傳感被用作測(cè)量體溫的更準(zhǔn)確和更具成本效益的替代方案。IR 模塊不是測(cè)量空氣樣本，而是直接測(cè)量體溫。它的數(shù)字傳感器接口還避免了可靠性和設(shè)計(jì)復(fù)雜性問(wèn)題。

　　小尺寸、低成本的 16 x 4 像素 IR 陣列易于與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四引線 TO-39 封裝集成。出廠校準(zhǔn)的紅外溫度測(cè)量參數(shù)存儲(chǔ)在 EEPROM 中，該器件可以在 4 Hz 刷新率下提供 0.25K rms 的噪聲等效溫差 （NETD）。它采用 2.6 V 電源供電，工作溫度范圍為 -40 至 85°C。

　　它在一個(gè)封裝中包含兩個(gè)芯片：帶有信號(hào)調(diào)節(jié)電子器件的 MLX90670 IR 陣列和 24AA02 （256 x 8 EEPROM） 芯片。MLX90620 包含 64 個(gè) IR 像素，并集成了專用的低噪聲斬波穩(wěn)定放大器和快速 ADC。集成了一個(gè)與絕對(duì)溫度成比例的傳感器 （PTAT），用于測(cè)量芯片的環(huán)境溫度。IR 和 PTAT 傳感器的輸出都存儲(chǔ)在內(nèi)部 RAM 中，并可通過(guò) I2C 訪問(wèn)。

　　紅外傳感器測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)在 RAM 中，每個(gè)傳感器的 16 位紅外測(cè)量結(jié)果（64 個(gè)字）和 PTAT 傳感器的 16 位結(jié)果。根據(jù)應(yīng)用的不同，外部微控制器可以讀取不同的 RAM 數(shù)據(jù)，并根據(jù)存儲(chǔ)在 EEPROM 存儲(chǔ)器中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，補(bǔ)償傳感器之間的差異以建立熱圖像，或計(jì)算成像場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)的溫度。 這些常數(shù)可由用戶微控制器通過(guò) I2C 總線訪問(wèn)，并且必須用于熱數(shù)據(jù)的外部后處理。結(jié)果是 NETD 在 1 Hz 刷新率下優(yōu)于 0.08K rms 的圖像。

　　陣列的刷新率可通過(guò)寄存器設(shè)置或直接通過(guò) I2C 命令進(jìn)行編程。刷新率的變化對(duì)積分時(shí)間和噪聲帶寬有直接影響，因?yàn)楦斓乃⑿侣室馕吨叩脑肼曀?，因此幀率?0.5 Hz 至 12 Hz 范圍內(nèi)可編程，并且可以更改以實(shí)現(xiàn)所需的交易在速度和準(zhǔn)確性之間徘徊。MLX90620 需要一個(gè) 3 V 單電源 （±0.6 V），盡管該器件經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)并且在 VDD=2.6 V 時(shí)性能最佳。

　　對(duì)于應(yīng)用設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，了解溫度測(cè)量的精度對(duì)傳感器封裝沒(méi)有溫差時(shí)的熱平衡條件非常敏感，這一點(diǎn)非常重要。溫度計(jì)的精度可能會(huì)受到封裝內(nèi)溫度差異的影響，這些溫度差異是由傳感器后面的熱電子器件、傳感器后面或旁邊的加熱器/冷卻器或非?？拷鼈鞲衅鞯臒?冷物體引起的，這些物體不僅加熱溫度計(jì)中的傳感元件以及溫度計(jì)封裝。

　　這種效應(yīng)對(duì)于具有小 FOV 的溫度計(jì)尤其重要，因?yàn)閭鞲衅鲝奈矬w接收到的能量會(huì)減少。IR 傳感器天生就容易受到由熱梯度引起的誤差的影響。這些現(xiàn)象是有物理原因的，盡管 MLX90620 進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，但建議不要讓設(shè)備受到熱傳遞，尤其是瞬態(tài)條件。

　　I2C 上的容性負(fù)載會(huì)降低通信性能。通過(guò)在上拉電路中使用電流源而不是電阻器可以進(jìn)行一些改進(jìn)，并且可以使用專門的總線加速器進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。使用 MLX90620，可以通過(guò)增加上拉電流（減小上拉電阻值）來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)。I2C 兼容模式的輸入電平具有比 I2C 規(guī)格更高的整體容差，但即使采用高功率 I2C 規(guī)格的上拉電流，輸出低電平也相當(dāng)?shù)?。另一種選擇可能是采用較慢的通信（時(shí)鐘速度），因?yàn)?MLX90620 在 I2C 兼容模式下對(duì)其輸入實(shí)施施密特觸發(fā)器。因此，它對(duì)總線的上升時(shí)間并不敏感（上升時(shí)間比下降時(shí)間更有可能成為問(wèn)題，因?yàn)?I2C 系統(tǒng)是開漏帶上拉的）。這種較慢的時(shí)鐘頻率意味著 LIN 總線是將溫度傳感器連接到電子控制單元的理想方式。

　　LIN/SAE J2602 是一種基于通用異步收發(fā)器 （UART） 的單主多從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最初是為汽車傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而開發(fā)的，并為連接電機(jī)、開關(guān)、傳感器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)和車內(nèi)的燈。LIN 主節(jié)點(diǎn)通??過(guò)將 LIN 與更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)（例如 CAN）連接，將車載網(wǎng)絡(luò)的通信優(yōu)勢(shì)一直延伸到各個(gè)傳感器和執(zhí)行器。

　　LIN 總線的開發(fā)旨在為汽車網(wǎng)絡(luò)中的低成本、低端多路復(fù)用通信創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)。盡管 CAN 總線滿足了對(duì)高帶寬、高級(jí)錯(cuò)誤處理網(wǎng)絡(luò)的需求，但 CAN 實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件成本對(duì)于傳感器等性能較低的設(shè)備來(lái)說(shuō)已經(jīng)變得過(guò)高。LIN 在不需要 CAN 的帶寬和多功能性的應(yīng)用中提供具有成本效益的通信。LIN 可以使用嵌入到大多數(shù)現(xiàn)代低成本 8 位微控制器（例如Microchip PIC18 ）中的標(biāo)準(zhǔn)串行通用異步接收器/發(fā)送器 （UART） 輕松實(shí)現(xiàn)，盡管也有專用的 LIN 接口設(shè)備。

　　LIN 總線采用主/從方法，包括一個(gè) LIN 主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè) LIN 從設(shè)備。消息頭由用于標(biāo)識(shí)幀開始的中斷和從節(jié)點(diǎn)用于時(shí)鐘同步的同步字段組成。標(biāo)識(shí)符 （ID） 由 6 位消息 ID 和 2 位奇偶校驗(yàn)字段組成，ID 表示特定的消息地址，但不表示目的地。在接收和解釋 ID 后，一個(gè)從機(jī)開始消息響應(yīng)，該響應(yīng)由 1 到 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個(gè) 8 位校驗(yàn)和組成。

　　主站控制消息幀的順序，這在一個(gè)時(shí)間表中是固定的。這可以根據(jù)需要進(jìn)行更改。LIN 標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)版本。1.3 版完成了字節(jié)層通信。2.0 和 2.1 版本增加了更多的消息傳遞規(guī)范和服務(wù)，但在字節(jié)級(jí)別與 LIN 1.3 兼容。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體的8 引腳MC33662是專用于 LIN 協(xié)議規(guī)范 1.3、2.0、2.1 和 SAEJ2602-2 的汽車 LIN 子總線應(yīng)用的物理層組件。部件號(hào)選擇定義了工作波特率（33662L 或 33662S 用于 20 kB/s，33662J 用于 10 kB/s 網(wǎng)絡(luò)）。兩者都集成了用于測(cè)試和編程模式的快速波特率 （10 kB/s），并提供電磁兼容性 （EMC） 和輻射發(fā)射性能、靜電放電 （ESD） 穩(wěn)健性以及在 TXD 接地短路情況下所需的安全行為在汽車設(shè)計(jì)中。

　　圖 ：將飛思卡爾的 MC33662 接口連接到 LIN 網(wǎng)絡(luò)。

　　MC33662 在 7.0 至 18 V DC 的電源電壓下運(yùn)行，工作電壓高達(dá) 27 V DC，并在負(fù)載突降期間處理 40 V，因此它可以直接從車輛的電源軌供電，但支持 5.0 V 和 3.3 V 兼容數(shù)字無(wú)需任何所需外部元件的輸入；本地和遠(yuǎn)程喚醒能力由 RXD 引腳報(bào)告。

　　LIN 驅(qū)動(dòng)器是具有內(nèi)部過(guò)流熱關(guān)斷功能的低側(cè) MOSFET。集成了具有串聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)的內(nèi)部上拉電阻，因此從節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用無(wú)需外部上拉元件。一旦器件進(jìn)入正常模式，LIN 發(fā)送器將能夠發(fā)送第一個(gè)顯性位，并且接收器將被啟用。

　　同樣，邁來(lái)芯TH8080是一種用于單線數(shù)據(jù)鏈路的物理層設(shè)備，能夠在不需要高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中運(yùn)行，而較低的數(shù)據(jù)速率可以降低物理媒體組件和使用網(wǎng)絡(luò)的微處理器的成本。

　　由于 TH8080 在隱性狀態(tài)下的電流消耗非常低，因此它適用于對(duì)待機(jī)電流有嚴(yán)格要求的 ECU 應(yīng)用，因此不需要微處理器的睡眠/喚醒控制。

　　圖 ：控制 Melexis TH8080 LIN 接口收發(fā)器。

　　收發(fā)器由一個(gè)具有轉(zhuǎn)換速率控制、電流限制的總線驅(qū)動(dòng)器以及接收器中的一個(gè)高壓比較器和一個(gè)去抖動(dòng)單元組成。隱性總線電平由與二極管串聯(lián)的集成 30 kΩ 上拉電阻產(chǎn)生。該二極管可防止 VBUS 在 VS 和 BUS 之間的電壓差（VBUS》VS）期間出現(xiàn)反向電流。在 LIN 從節(jié)點(diǎn)中使用 TH8080 無(wú)需額外的終端電阻。如果該 IC 用于 LIN 主節(jié)點(diǎn)，則 BUS 引腳必須通過(guò)與 VBAT 二極管串聯(lián)的外部 1 kΩ 電阻端接。

　　對(duì)于更高的集成度，STMicroelectronics 的SPC560P44等器件將 FlexRay、CAN 和 LIN 控制器組合在一個(gè)芯片中，該芯片可用作具有靈活交叉開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器塊的 PowerPC 內(nèi)核的多種功能的集線器。這也可以作為 ECU 設(shè)備來(lái)集成來(lái)自 LIN 和 CAN 上的多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

　　圖 ：SPC560P44 將 CAN、LIN 和 FlexRay 接口結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中。

　　FlexCAN 接口塊用作根據(jù)博世規(guī)范 2.0B 版實(shí)現(xiàn) CAN 協(xié)議的通信控制器。CAN 協(xié)議主要用作車輛串行數(shù)據(jù)總線，滿足該領(lǐng)域的特定要求：實(shí)時(shí)處理、車輛 EMI 環(huán)境中的可靠運(yùn)行、成本效益和所需帶寬，支持 32 個(gè)消息緩沖區(qū)。 第二個(gè) CAN 控制器以高比特率運(yùn)行，用作安全端口。安全端口 CAN 模塊使用 CAN 模塊之間的直接連接，在 60 MHz CPU 時(shí)鐘下提供高達(dá) 7.5 Mbit/s 的比特率，因此無(wú)需物理收發(fā)器。

　　LIN 網(wǎng)絡(luò)更適合傳感器的需求。SPC560P44 中的 LINflex 接口可作為主機(jī)或從機(jī)，以最小的 CPU 負(fù)載高效管理大量 LIN 協(xié)議消息，支持通常為 10 或 20 Kbit/s 的數(shù)據(jù)速率。如果有數(shù)字輸出，傳感器可以通過(guò) ADC 或 UART 輕松連接。

　　結(jié)論

　　對(duì)于許多更簡(jiǎn)單的傳感器，LIN 接口是將數(shù)據(jù)傳回電子控制單元的最有效方式。在汽車周圍添加更多傳感器正在開辟新應(yīng)用并更多地利用 LIN 總線，無(wú)論是使用單個(gè)收發(fā)器還是使用傳感器集線器。