通過車輛使用各種傳感器，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)的汽車設(shè)計(jì)中將傳感器連接到有線網(wǎng)絡(luò)（如LIN，CAN和以太網(wǎng)）的問題。

現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)將不同應(yīng)用的協(xié)議組合使用。越來越多地使用車輛周圍的傳感器用于各種應(yīng)用 - 從用于攝像機(jī)的圖像傳感器到用于加熱和乘客識別的溫度傳感器 - 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）主要用于主體電子設(shè)備中的低成本應(yīng)用，其中數(shù)據(jù)速率通常為10至20 kbit/s，而控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）則用于主流動力傳動系統(tǒng)和車身通信，最高可達(dá)10 Mbit/s。 FlexRay總線用于高級系統(tǒng)（如主動懸架）中的高速同步數(shù)據(jù)通信。一些車輛設(shè)計(jì)人員使用MOST總線來承載50至100 Mbit/s的音頻甚至視頻的高性能網(wǎng)絡(luò)，盡管車內(nèi)也有100 Mbit/s的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)用于傳輸這些數(shù)據(jù)。

傳感器測量的關(guān)鍵參數(shù)是溫度，因?yàn)樗梢砸远喾N不同的方式用于提供重要信息。即使對于相同類型的傳感器，數(shù)據(jù)的使用方式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，但也可用于乘客分類甚至盲角檢測。所有這些應(yīng)用都將與具有不同設(shè)計(jì)要求的車輛中的不同有線網(wǎng)絡(luò)連接。

當(dāng)車廂內(nèi)的濕度較高且前擋風(fēng)玻璃的溫度較低時，水蒸氣會凝結(jié)在玻璃上，導(dǎo)致駕駛員視線模糊。 HVAC系統(tǒng)可以通過在擋風(fēng)玻璃上吹干熱空氣來避免這種冷凝。為此，系統(tǒng)必須能夠檢測冷凝，甚至更好地預(yù)測冷凝。這可以使用紅外溫度計(jì)，濕度傳感器和外部溫度計(jì)來完成。

圖1：在車輛內(nèi)部使用IR溫度傳感器陣列。

傳感器還可用于確定座椅中是否有乘客，啟用或禁用安全氣囊。紅外傳感器甚至可用于盲點(diǎn)檢測。一個系統(tǒng)使用被動紅外傳感器來感測從移動車輛的輪胎輻射的熱能。該溫度差用于觸發(fā)閃爍的紅燈以警告駕駛員危險(xiǎn)。

圖2：紅外溫度傳感器甚至可用于避免駕駛員出現(xiàn)盲點(diǎn)問題。

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

小尺寸，低成本的16 x 4像素紅外陣列易于與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四引腳TO-39封裝集成。工廠校準(zhǔn)的紅外溫度測量參數(shù)存儲在EEPROM中，器件可以4 Hz刷新率提供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。

它在一個封裝中包含兩個芯片：帶信號調(diào)理電子元件的MLX90670紅外陣列和24AA02（256 x 8 EEPROM）芯片。 MLX90620包含64個紅外像素，具有專用的低噪聲斬波穩(wěn)定放大器和快速ADC集成。集成了絕對溫度傳感器（PTAT），用于測量芯片的環(huán)境溫度。 IR和PTAT傳感器的輸出存儲在內(nèi)部RAM中，可通過I2C訪問。

紅外傳感器測量結(jié)果存儲在RAM中，每個傳感器（64個字）的紅外測量結(jié)果為16位，PTAT傳感器的結(jié)果為16位。根據(jù)應(yīng)用，外部微控制器可以讀取不同的RAM數(shù)據(jù)，并根據(jù)存儲在EEPROM存儲器中的校準(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)算成像場景的每個點(diǎn)的溫度。這些常數(shù)可由用戶微控制器通過I2C總線訪問，并且必須用于熱數(shù)據(jù)的外部后處理。結(jié)果是在1Hz刷新率下NETD優(yōu)于0.08K rms的圖像。

陣列的刷新率可通過寄存器設(shè)置或直接通過I2C命令進(jìn)行編程。刷新率的變化對積分時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?，因此幀速率可?.5 Hz至12 Hz的范圍內(nèi)編程，并且可以更改以實(shí)現(xiàn)所需的交易在速度和準(zhǔn)確度之間。 MLX90620需要一個3 V電源（±0.6 V），盡管該器件已經(jīng)過校準(zhǔn)，在VDD = 2.6 V時表現(xiàn)最佳。

圖3：評估板上的Melexis MLX90620 IR溫度傳感器。

對于應(yīng)用設(shè)計(jì)人員而言，了解當(dāng)傳感器封裝中沒有溫差時，溫度測量的準(zhǔn)確性對熱平衡條件非常敏感，這一點(diǎn)非常重要。溫度計(jì)的精度會受到包裝內(nèi)溫度差異的影響，例如傳感器后面的熱電子元件，傳感器后面或旁邊的加熱器/冷卻器，或者非常接近傳感器的熱/冷物體，不僅會加熱溫度計(jì)中的傳感元件以及溫度計(jì)包裝。

這種效果尤其適用于具有小FOV的溫度計(jì)，因?yàn)閭鞲衅鲝奈矬w接收的能量減少了。 IR傳感器固有地容易受到由熱梯度引起的誤差的影響。這些現(xiàn)象有物理原因，盡管MLX90620經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，但建議不要讓設(shè)備受熱傳導(dǎo)，特別是瞬態(tài)條件。

I2C上的電容負(fù)載會降低通信質(zhì)量。通過在上拉電路中使用電流源而不是電阻器可以實(shí)現(xiàn)一些改進(jìn)，并且使用專用總線加速器可以進(jìn)一步改進(jìn)。使用MLX90620，可以通過增加上拉電流（降低上拉電阻值）來實(shí)現(xiàn)額外的改進(jìn)。 I2C兼容模式的輸入電平具有比I2C規(guī)范更高的總?cè)莶?，但即使上拉電流具有高功率I2C規(guī)范，輸出低電平也相當(dāng)?shù)?。另一個選擇可能是進(jìn)行較慢的通信（時鐘速度），因?yàn)镸LX90620在I2C兼容模式下在其輸入上實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器。因此，它對總線的上升時間并不是非常敏感（由于I2C系統(tǒng)具有上拉開路，因此上升時間比下降時間更容易成為問題）。這種較慢的時鐘頻率意味著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接收器 - 發(fā)送器（UART）的單主機(jī)，多從站網(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，為連接電機(jī)提供了經(jīng)濟(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)選擇，車輛中的開關(guān)，傳感器和燈。 LIN主節(jié)點(diǎn)通過將LIN與更高級別的網(wǎng)絡(luò)（例如CAN）連接，將車載網(wǎng)絡(luò)的通信優(yōu)勢一直擴(kuò)展到各個傳感器和執(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)。雖然CAN總線滿足了對高帶寬，高級錯誤處理網(wǎng)絡(luò)的需求，但CAN實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件成本已經(jīng)變得對于諸如傳感器之類的低性能設(shè)備而言已經(jīng)過高。 LIN在不需要CAN帶寬和多功能性的應(yīng)用中提供經(jīng)濟(jì)高效的通信。 LIN可以使用嵌入大多數(shù)現(xiàn)代低成本8位微控制器（如Microchip PIC18）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)，盡管還有專用的LIN接口器件。

LIN總線使用主/從方法，包括LIN主設(shè)備和一個或多個LIN從設(shè)備。消息頭包括用于標(biāo)識幀起始的中斷和從節(jié)點(diǎn)用于時鐘同步的同步字段。標(biāo)識符（ID）由6比特消息ID和2比特奇偶校驗(yàn)字段組成，ID表示特定消息地址但不表示目的地。在接收和解釋ID時，一個從設(shè)備開始消息響應(yīng)，該響應(yīng)由一到八個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個8位校驗(yàn)和組成。

主控制消息幀的排序，它在計(jì)劃中得到修復(fù)。這可以根據(jù)需要進(jìn)行更改。 LIN標(biāo)準(zhǔn)有多個版本。 1.3版完成了字節(jié)層通信。版本2.0和2.1添加了更多的消息傳遞規(guī)范和服務(wù)，但在字節(jié)級別與LIN 1.3兼容。

飛思卡爾半導(dǎo)體的8引腳MC33662是物理層組件，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。部件號選擇定義了操作波特率（對于20 kB/s為33662L或33662S，對于10 kB/s網(wǎng)絡(luò)為33662J）。兩者均集成了快速波特率（10 kB/s），用于測試和編程模式，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TXD對地短路時的安全行為在汽車設(shè)計(jì)中。

圖4：將飛思卡爾的MC33662接口連接到LIN網(wǎng)絡(luò)。

MC33662采用7.0至18 V DC電源供電，工作電壓高達(dá)27 V DC，在負(fù)載突降期間可處理40 V電壓，因此可直接從車輛電源軌供電，但支持5.0 V和3.3 V兼容數(shù)字輸入，無需任何外部元件; RXD引腳報(bào)告本地和遠(yuǎn)程喚醒功能。

LIN驅(qū)動器是低側(cè)MOSFET，具有內(nèi)部過流熱關(guān)斷功能。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)用不需要外部上拉組件。一旦器件進(jìn)入正常模式，LIN發(fā)送器將能夠發(fā)送第一個顯性位，接收器將被使能。

同樣，Melexis 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，較低的數(shù)據(jù)速率可以降低物理介質(zhì)組件和微處理器的成本使用網(wǎng)絡(luò)。

由于TH8080在隱性狀態(tài)下的電流消耗非常低，因此適用于具有硬待機(jī)電流要求的ECU應(yīng)用，因此不需要微處理器的睡眠/喚醒控制。

圖5：控制Melexis TH8080 LIN接口收發(fā)器。

收發(fā)器由具有壓擺率控制，電流限制的總線驅(qū)動器和接收器中的高壓比較器以及去抖動單元組成。隱性總線電平由集成的30kΩ上拉電阻與二極管串聯(lián)產(chǎn)生。該二極管可在VS和BUS之間的差分電壓（VBUS》 VS）期間防止VBUS的反向電流。在LIN從節(jié)點(diǎn)中使用TH8080不需要額外的終端電阻。如果該IC用于LIN主節(jié)點(diǎn)，則必須通過外部1kΩ電阻與一個二極管連接到VBAT來終止BUS引腳。

對于更高級別的集成，STMicroelectronics的SPC560P44等設(shè)備將FlexRay，CAN和LIN控制器整合在一個芯片中，該芯片可用作具有靈活交叉開關(guān)和模擬的PowerPC內(nèi)核的多功能集線器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器塊。這也可以作為ECU設(shè)備集成來自LIN和CAN上的多個傳感器的數(shù)據(jù)。

圖6：SPC560P44在單個器件中集成了CAN，LIN和FlexRay接口。

FlexCAN接口塊用作實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的通信控制器，符合博世規(guī)范2.0B版。 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個消息緩沖區(qū)。第二個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時鐘提供高達(dá)7.5 Mbit/s的比特率，因此無需物理收發(fā)器。

LIN網(wǎng)絡(luò)更適合傳感器的需求。 SPC560P44中的LINflex接口充當(dāng)主機(jī)或從機(jī)，可以在CPU負(fù)載最小的情況下有效管理大量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，可以通過ADC或UART輕松連接傳感器。

結(jié)論

對于許多更簡單的傳感器，LIN接口是將數(shù)據(jù)傳輸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的應(yīng)用并更多地使用LIN總線，無論是單獨(dú)的收發(fā)器還是傳感器集線器。結(jié)果