一種新型的雨量光照傳感器的設計

摘要：為了滿(mǎn)足汽車(chē)智能雨刮系統的國產(chǎn)化、低成本、可靠性研發(fā)和生產(chǎn)，顯著(zhù)提高汽車(chē)駕駛的安全性、便捷性和舒適性，文中基于德國MELEXIS公司的雨量光照專(zhuān)用接口芯片MLX75308，結合性能優(yōu)良的單片機及高質(zhì)量的紅外發(fā)射和接收電路，設計了一種新型的雨量光照傳感器系統。該方案與傳統設計方法相比具有結構簡(jiǎn)單，成本低廉，工作可靠，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的市場(chǎng)潛力和廣闊的應用前景。

目前，隨著(zhù)汽車(chē)智能化程度的日益提高，越來(lái)越多的傳感器被安裝在汽車(chē)上以增加駕駛的安全性、便捷性和舒適性。汽車(chē)雨量傳感器(Rain Sensor，RS)是汽車(chē)智能雨刮系統的核心部件;光照傳感器(Light Sensor，LS)是汽車(chē)自動(dòng)頭燈功能的核心部件，將雨量傳感器與光照傳感器集成于一體稱(chēng)為雨量光照傳感器(Rain Light Sensor，RLS)，它是汽車(chē)電子工業(yè)中的新型傳感器。隨著(zhù)光電技術(shù)、集成電路技術(shù)和檢測控制技術(shù)的飛速發(fā)展，將RLS應用在汽車(chē)上實(shí)現雨刷自動(dòng)刮水、車(chē)前燈自動(dòng)控制、車(chē)內儀表盤(pán)等背景光亮度自動(dòng)調節以及車(chē)內空調自動(dòng)調節等是近年來(lái)汽車(chē)傳感器應用中的研究熱點(diǎn)，更是降低駕駛人員駕車(chē)干擾，顯著(zhù)提高汽車(chē)駕駛的安全性、便捷性和舒適性的有力保障，符合汽車(chē)電子行業(yè)發(fā)展的趨勢。

通常汽車(chē)配備雨刮器用于消除擋風(fēng)玻璃上的雨水、霧氣等以保證玻璃透明清晰，給司機一個(gè)有效的視野。傳統的雨刮器均由駕駛者來(lái)控制，在行駛過(guò)程中進(jìn)行操作容易分散其注意力，造成安全隱患?，F在，某些中高檔轎車(chē)上雖然己經(jīng)配備了紅外自動(dòng)感雨裝置，但由于價(jià)格昂貴，難以向中低檔轎車(chē)普及。在中國市場(chǎng)，由于材料、電子芯片的供貨及試驗經(jīng)費和試驗環(huán)境等技術(shù)原因制約，車(chē)用紅外雨量傳感器還沒(méi)有被一些專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商真正進(jìn)入專(zhuān)注研發(fā)和大批量生產(chǎn)階段，基本上全是依賴(lài)國外進(jìn)口，導致價(jià)格相對偏高;即使有了一些較成功的設計方案和產(chǎn)品，但因電路和結構設計復雜、生產(chǎn)制造成品率低，從而制約了其發(fā)展;更主要的是一些配備了自動(dòng)雨刮的車(chē)主反映該功能并不好用，摸不清規律，經(jīng)常出現有水不及時(shí)刮，很少雨點(diǎn)卻刮得很快的情況，甚至在汽車(chē)穿越樹(shù)陰時(shí)也會(huì )進(jìn)行刮刷動(dòng)作。所以自主研發(fā)將雨量光照合二為一的新型傳感器系統，以消除雨刮誤動(dòng)作，保證其準確、快速、可靠工作及優(yōu)化方案設計，提高成品率，降低設計和制造成本是本文研究意義所在。

1 基于MLX75308的新型雨量光照傳感器系統設計方案

1.1 傳統的車(chē)用雨量傳感器設計方案

國內用于自動(dòng)雨刮的車(chē)用雨量傳感器傳統設計方案存在以下問(wèn)題：發(fā)射電路主要由紅外發(fā)射管、555定時(shí)器和電阻、電容等元件組成，由555組成的多諧振蕩器發(fā)出一定頻

率脈沖波去驅動(dòng)LED發(fā)射管發(fā)光;接收電路通常由光接收管、放大電路、帶通濾波器和檢波電路等組成。突出特點(diǎn)是電路結構較為復雜，用到的分立元件多，導致電路工作可靠

性變差。雖然接收電路隨后又改為紅外專(zhuān)用集成接收芯片，如TK1838，使接收部分的體積小了一些，可靠性提高了一點(diǎn)，但是由于對雨量信號的監測沒(méi)有考慮到外部光線(xiàn)的影響，所以不可避免的存在當汽車(chē)穿越樹(shù)蔭等光線(xiàn)變化比較明顯的情況下導致的誤刮動(dòng)作，造成抗干擾能力不足，更談不上在傍晚和進(jìn)入隧道及車(chē)庫等光線(xiàn)弱的地方時(shí)，汽車(chē)能自動(dòng)開(kāi)啟儀表燈和近光燈等，缺少駕駛的安全性和便捷性。

1.2 MLX75308雨量光照傳感器接口芯片介紹

德國Melexis公司研發(fā)設計的MLX75308是一款專(zhuān)門(mén)針對高要求的RLS模塊接口芯片，有兩個(gè)獨立的線(xiàn)性雨量傳感器通道和3個(gè)對數環(huán)境光通道，用來(lái)做雨量和光測量，芯片對光敏電流做A/D轉換，然后把雨量和日光信號通過(guò)數字通信接口SPI傳輸到MCU。由于其內部集成了兩個(gè)雨量通道補償電路，免去了復雜的軟件算法，有效的避免了雨刮誤動(dòng)作;由于集成了3個(gè)環(huán)境光檢測模塊，對光學(xué)系統具有高度適應性;集成了LED驅動(dòng)芯片，免去了復雜的外圍電路;集成了穩壓芯片和溫度傳感器以具有自診斷功能。MLX75308能提供比同類(lèi)產(chǎn)品更好的性能和尺寸，是一款多功能系統元件，擁有非常寬的輸入輸出范圍。輸出范圍可以支持LED電流高達1 A，寬動(dòng)態(tài)范圍可以適用不同的光敏二極管和擋風(fēng)玻璃系統，從而符合汽車(chē)客戶(hù)需要的一統多用的解決方案。

1.3 RLS系統設計方案

基于MLX75308設計的RLS系統組成框圖如圖1所示。RLS模塊由3個(gè)主要元件組成：LIN收發(fā)器/電壓調節器、微控制器以及雨量光照專(zhuān)用接口芯片MLX75308。LIN系統基礎芯片連接RLS模塊到汽車(chē)LIN網(wǎng)絡(luò )，并調節電池電壓以提供給微控制器、MLX75308以及模塊上的其它元件。

微控制器是系統的控制核心，通過(guò)UART串口與LIN總線(xiàn)收發(fā)器交換數據或指令，由LIN總線(xiàn)收發(fā)器與上級或其它相關(guān)單元通信，提供雨量光照系統的數據與指令，也接收相關(guān)單元發(fā)送來(lái)的數據或指令。同時(shí)微控制器通過(guò)SPI接口與MLX75308雨量光照傳感器通信，將MLX75308的數據與指令采集到微控制器，再傳送到LIN總線(xiàn)上。微控制器在MLX75308和LIN收發(fā)器之間通信，根據從MLX75308接口芯片接收的數據去決定是否有必要打開(kāi)雨刮或頭燈。

MLX75308是該模塊的核心，它與所有的光學(xué)元件相連接，控制LED驅動(dòng)管發(fā)射紅外光和光電二極管(Photodiode，即PD)接收紅外光，并提供雨量和環(huán)境光數據給微控制器。

2 核心模塊單元電路設計

2.1 微控制器核心模塊

文中設計采用的是飛思卡爾公司低成本、高性能8位微控制器MC9S08RD16，它的作用是把代表雨量大小的光強信號實(shí)時(shí)測量值變成電信號，根據電信號的大小，通過(guò)LIN通信，自動(dòng)設定雨刮器工作的時(shí)間間隔，控制雨刮器動(dòng)作的速度。雨量傳感器為相對量測量，在前擋風(fēng)玻璃外表面干燥的情況下，首先對傳感器進(jìn)行初始化，由此可以得出在固定發(fā)射電流情況下接收的光強度，在這種情況下，光的強度通常比較高。當有雨滴落在擋風(fēng)玻璃上時(shí)，部分紅外線(xiàn)會(huì )因為雨滴的散射而丟失，導致紅外光源接收器收到的紅外線(xiàn)總量小于紅外光源發(fā)射器發(fā)出的紅外線(xiàn)總量。紅外光源接收器將接收到的紅外光線(xiàn)信號轉化為模擬電壓信號，通過(guò)數字信號控制器片上10位精度模擬數字轉換單元，得到對應數字信號，結合由LIN總線(xiàn)上獲得的擋風(fēng)玻璃清晰度設定值等信息，共同送給MCU。微控制器與RLS接口芯片MLX75308、LIN處理器芯片MLX80030的連接關(guān)系如圖2所示。

2.2 雨量光照接口電路

圖3所示是雨量光照接口芯片及其外圍電路。MLX75308中兩個(gè)獨立的線(xiàn)性雨量測量通道(Channel A和Channel B)能夠同時(shí)或單獨操作，典型的雨量電流值在1～100μA之間，電流大小依賴(lài)于所用的光學(xué)元件、擋風(fēng)玻璃類(lèi)型、LED發(fā)射管和光電二極管(PD)，通常一個(gè)通道連接一個(gè)PD，但是當一個(gè)通道上連接多個(gè)PD時(shí)就可以擴大擋風(fēng)玻璃上的感光面積，從而提高雨水檢測的質(zhì)量。低成本的光電二極管沒(méi)有較完美的輸出特性，昂貴的光電二極管(PDs)比便宜的執行得更好，但MLX75308可以彌補這個(gè)缺陷，用較為普通的光電二極管完成良好的性能。

傳感器上有3個(gè)環(huán)境光對數外界通道(PDC、PDD和PDE)，其對數輸出曲線(xiàn)被用來(lái)覆蓋一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍，從明亮的太陽(yáng)下到黑夜。其中兩個(gè)通道具有準確的相同的輸出特性，而另一個(gè)具有較低的靈敏度，通過(guò)這種方式，用戶(hù)可以在光電二極管的大范圍內做選擇。大多數應用中兩個(gè)外界通道被用于汽車(chē)頭燈控制，其中一個(gè)用于定向天空，另一個(gè)被直接聚焦于前方，比如去探測即將到來(lái)的隧道，從而自動(dòng)打開(kāi)汽車(chē)頭燈，由于有上方和前方的兩個(gè)參照，所以不會(huì )在汽車(chē)從烈日下進(jìn)入樹(shù)蔭下時(shí)錯誤打開(kāi)車(chē)燈或雨刮;第三個(gè)通道被用于控制儀表盤(pán)或前面的顯示亮度。

MLX75308的另一個(gè)作用就是控制LED驅動(dòng)(LEDA、LEDB)，同時(shí)轉換接收紅外線(xiàn)的光電二極管電流為數字形式，這個(gè)數據被發(fā)送到微控制器，以判斷是否下雨，雨刮速度應設定為多快。

2.3 紅外發(fā)射和接收電路

發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的紅外光輻射通量，傳統的設計方案是由555定時(shí)器驅動(dòng)光源發(fā)出一定頻率的紅外光信號，缺點(diǎn)不言而喻：電路復雜，可靠性低。由于MLX75308內部集成了LED驅動(dòng)芯片，免去了復雜的外圍電路，設計時(shí)只需將其驅動(dòng)輸出端LEDA和LEDB接到開(kāi)關(guān)管(Q1和Q2)的控制端，保證其飽和導通時(shí)，LED發(fā)射管(D2和D3)由于正向導通而發(fā)光。電路設計如圖4左半部分所示，發(fā)射管采用歐司朗公司(OSRAM)的SFH4257作為光源，峰值波長(cháng)λ為850 nm，帶寬△λ80 nm，具有高線(xiàn)性度、高可靠性、高脈沖處理能力等特點(diǎn)。

接收模塊通常由一個(gè)紅外接收管、帶通濾波器和單片機等組成。由于紅外接收管接收到的不僅有反射回來(lái)的LED光，還有日光，它也會(huì )感應出電流來(lái)，日光的變化可以被理解

為擋風(fēng)玻璃上突發(fā)降雨，結果導致雨刮誤動(dòng)作。這就是為什么有些裝有自動(dòng)雨刷的車(chē)主感覺(jué)其不太好用，摸不清規律，經(jīng)常出現有水不及時(shí)刮、很少雨點(diǎn)卻刮得很快的情況。MLX 75308能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，它既有雨量通道，又有環(huán)境光通道，一方面抑制雨量信號中的日光信號，產(chǎn)生非常精確的雨量信號，另一方面測量雨量和日光信號并作為兩個(gè)獨立值發(fā)送信息到微控制器，收到的這兩個(gè)獨立信號使得軟件開(kāi)發(fā)的復雜度大大減少。對汽車(chē)開(kāi)發(fā)者而言，日光信號數據有可能是除了雨量傳感之外其它原因的一個(gè)有用價(jià)值，比如微控制器根據目光信號大小決定是否要打開(kāi)車(chē)前燈，或者調解儀表盤(pán)背景光等。如圖4右半部分所示為本設計的接收模塊，采用歐司朗公司的硅光電二極管SFH203作為雨量通道和環(huán)境光通道的紅外接收管，其峰值波長(cháng)λ為850 nm，具有高線(xiàn)性度、高可靠性等特點(diǎn)。

2.4 LIN通訊及電壓調整電路

為了滿(mǎn)足現代汽車(chē)采用CAN、LIN總線(xiàn)來(lái)構成總線(xiàn)式車(chē)身通訊系統的需要，文中所設計的自動(dòng)雨刷控制系統使用LIN總線(xiàn)收發(fā)器MLX80030實(shí)現與汽車(chē)中控單元的通訊，從LIN總線(xiàn)上獲得用戶(hù)希望的擋風(fēng)玻璃清晰度等信息，送給MCU進(jìn)一步處理，同時(shí)，將雨刷系統的一些信息報告給汽車(chē)中控單元。如圖5所示，MLX80030與MCU之間通過(guò)RXD、TXD、RESET和EN信號進(jìn)行通訊。傳感器系統一般都采用鋰電池供電以減小產(chǎn)品體積，而發(fā)射電路需要12 V直流電源，接口電路和MCU等卻需要3.3 V電源，所以如圖5將電池電壓通過(guò)整流濾波變成12 V直流電源，再通過(guò)MLX80030調整成3.3 V。

3 結論

以控制器MC9S08RD16與LIN總線(xiàn)收發(fā)器MLX80030為控制與通信單元，設計完成的基于MLX75308接口芯片的新型雨量光照傳感器，與傳統的雨量傳感器不同，可完成如下功能：降雨量檢測功能：感知車(chē)外降雨量大小，可區分毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等不同雨情。配有雨量光照傳感器的車(chē)輛可根據降雨強度自動(dòng)調節雨刮刮刷頻率，并通過(guò)靈敏度開(kāi)關(guān)調整雨量光照傳感器的感雨靈敏度。

光照條件檢測功能：感知車(chē)外光照條件的明暗變化，可區分白天、黑夜、隧道、車(chē)庫、橋洞等不同路況。配有雨量光照傳感器的車(chē)輛可根據光線(xiàn)明暗和路況的變化，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉近光燈和位置燈。

可拓展功能：由雨量光照傳感器提供的降水狀態(tài)和光照度狀態(tài)信息可用于實(shí)現其他拓展功能，例如：下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉車(chē)輛天窗或門(mén)窗;下雨時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟近光燈和位置燈;自動(dòng)調節儀表背光燈亮度。

國外汽車(chē)RLS推廣應用時(shí)間長(cháng)，產(chǎn)品技術(shù)成熟度高，而國內開(kāi)發(fā)出的RLS，研發(fā)投入少，市場(chǎng)份額小，產(chǎn)品應用推廣面窄，使得配備有自動(dòng)雨刮器及自動(dòng)車(chē)前燈等控制的汽車(chē)或零部件生產(chǎn)和銷(xiāo)售價(jià)格偏高，限制了市場(chǎng)保有量，所以本項目的研究具有較強的實(shí)際意義，旨在從設計的源頭減少其組成費用，降低裝車(chē)費用，滿(mǎn)足國內自主車(chē)型裝車(chē)對于低成本和可靠性的要求。