高級駕駛輔助系統之傳感器及其接口電路設計

　　ESP（Electronic Stability Program，電子穩定程序）是汽車(chē)電控的一個(gè)標志性發(fā)明。不同的研發(fā)機構對這一系統的命名不盡相同，如博世（BOSCH）公司早期稱(chēng)為汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制（VDC），現在博世、梅賽德—奔馳公司稱(chēng)為ESP；豐田公司稱(chēng)為汽車(chē)穩定性控制系統（VSC）、汽車(chē)穩定性輔助系統（VSA）或者汽車(chē)電子穩定控制系統（ESC）；寶馬公司稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)穩定控制系統（DSC）。盡管名稱(chēng)不盡相同，但都是在傳統的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統，如ABS和TCS的基礎上增加一個(gè)橫向穩定控制器，通過(guò)控制橫向和縱向力的分布和幅度，以便控制任何路況下汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)運動(dòng)模式，從而能夠在各種工況下提高汽車(chē)的動(dòng)力性能，如制動(dòng)、滑移、驅動(dòng)等。ESP在國外已經(jīng)批量生產(chǎn)，在國內尚處于研究階段，要達到產(chǎn)業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。

　　ESP常用傳感器接口設計

　　方向盤(pán)轉角傳感器信號經(jīng)微控制器處理后，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給ECU；橫擺角速度傳感器、縱向/橫向傳感器由于信號特點(diǎn)和安裝位置類(lèi)似，故設計在同一個(gè)模塊內；由于ESP對輪速傳感器信號的實(shí)時(shí)性要求較高，故經(jīng)過(guò)信號調理后，直接送入ECU。需要微處理器對信號進(jìn)行處理并通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送數據，本文選用Infineon公司的SAK-C164CI。該芯片是專(zhuān)為汽車(chē)應用而設計，內置AD轉換器、輸入信號捕捉、正交解碼器，運算速度快，非常適合ESP的傳感器信號處理。

　　方向盤(pán)轉角傳感器接口

　　方向盤(pán)轉角傳感器的輸出為正交編碼脈沖。正交編碼脈沖包含兩個(gè)脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，通過(guò)檢測2路信號的相位關(guān)系可以判斷為順時(shí)針?lè )较蚝湍鏁r(shí)針?lè )较?，并據此對信號進(jìn)行加/減計數，從而得到當前的計數累計值，也即方向盤(pán)的絕對轉角，而轉角的變化率即角速度，則可通過(guò)信號頻率測出。另外，方向盤(pán)轉角傳感器有一個(gè)零位輸出信號，當方向盤(pán)在中間位置時(shí)，該信號輸出0V，否則輸出5V，通過(guò)該信號，可對絕對轉角進(jìn)行在線(xiàn)校準。

　　C164CI 與方向盤(pán)轉角傳感器的接口電路如圖6所示。片內內置增量編碼的正交解碼器，該解碼器使用定時(shí)器3的兩個(gè)引腳（T3IN、T3EUD）作為正交脈沖的輸入，在正確設置相關(guān)寄存器后，定時(shí)器3的數據寄存器的值與方向盤(pán)轉角成正比，故可方便的計算轉角，本文所使用的方向盤(pán)轉角傳感器每一圈對應44個(gè)脈沖，設定時(shí)器3的數據寄存器為T(mén)3，則絕對轉角為。

　　進(jìn)行差分運算，即可得到轉角變化速率。微控制器把計算得到的參數通過(guò)CAN發(fā)送給ECU。

　　輪速傳感器接口

　　根據前面部分介紹的輪速傳感器信號特點(diǎn)，設計接口電路如圖7所示。

　　電路采用兩級濾波和整形，以保證輪速信號在極低轉速下不會(huì )丟失，同時(shí)避免因懸架振動(dòng)引起的信號干擾。圖中由電阻R2引入第一級遲滯比較，而使用74HC14引入第二級遲滯比較。

　　橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器

　　橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的安裝位置基本相同，輸出都是0V-5V的模擬量，由于汽車(chē)顛簸造成的信號波動(dòng)特性一致，故封裝在同一模塊中。其硬件接口如圖8所示，實(shí)現硬件模擬前置濾波，以抑制來(lái)自傳感器的模擬信號中的高頻噪聲成分，防止在采樣過(guò)程中出現混疊現象。運放使用滿(mǎn)擺幅輸出的 LMX324。

　　調整圖8中各個(gè)阻容元件的參數，即可設置濾波截止頻率和延時(shí)大小。汽車(chē)運行過(guò)程中，在較好路面上行駛時(shí)，由于信號較好，延時(shí)盡量要小，而在顛簸路面上行駛，則希望濾波效果要好。但是由于硬件濾波的頻率特性一經(jīng)設計完畢，無(wú)法實(shí)時(shí)修改，故需要在軟件中設計數字濾波環(huán)節。數字濾波常用的有維納濾波器、卡爾曼濾波器、線(xiàn)性預測器、自適用濾波器等。在這里選用計算量小、實(shí)時(shí)性能好的一階低通濾波。

　　本文討論了ESP系統中常用傳感器的結構特點(diǎn)及信號特性，并設計了各個(gè)傳感器的信號處理接口，其中包括硬件接口電路以及軟件處理方案。設計了包含橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的集成模塊，通過(guò)CAN總線(xiàn)與ECU進(jìn)行數據傳輸，具有較好的抗干擾性和可靠性。