不可見(jiàn)的傳感器正滲透到車(chē)輛控制領(lǐng)域

　　現代的汽車(chē)充滿(mǎn)了傳感器，提供各式各樣的信息，從發(fā)動(dòng)機控制方面到乘客安全方面。傳感器技術(shù)正在不斷發(fā)展，使得傳感器更加易于設計，具備更高的可用性和更強的功能。

　　傳感器和處理器，就像科幻電影中的異型生物一樣，已經(jīng)真實(shí)地接管了今天的汽車(chē)。他們不僅僅出現在可見(jiàn)的區域，例如載客室[z1]，同時(shí)也被嵌入到車(chē)輛的每一個(gè)隱蔽角落，包括傳動(dòng)系統和底盤(pán)，監測并控制著(zhù)性能、安全和基本車(chē)況。
　　在汽車(chē)上大量裝配傳感器的推動(dòng)力主要來(lái)源于各個(gè)方面的強烈需求，這包括更好的油耗經(jīng)濟性，減少尾氣排放，減小發(fā)生事故的概率，并且增加發(fā)生事故后的安全性。新的傳感器技術(shù)不僅提高了現有傳感器的性能，也使得以前無(wú)法實(shí)際應用于主流消費者產(chǎn)品中的探測技術(shù)成為可能。傳感器的應用已經(jīng)從發(fā)動(dòng)機延伸到排氣裝置，甚至到油箱：Freescale提供一個(gè)低壓力差分傳感器，可以檢測油箱的泄漏。

　　壓力測量
　　車(chē)輛的傳動(dòng)系統是一個(gè)復雜的電子、機械和化學(xué)系統，要想提高其性能必須測量多個(gè)點(diǎn)的壓力。汽油發(fā)動(dòng)機需要測量“多路絕對壓力”（manifold absolute pressure，MAP)，獲取這一數據的傳感器不可避免地要暴露在汽油之中。這些燃油
系統也越來(lái)越多地測量氣流，這是通過(guò)經(jīng)過(guò)強化的采用成熟的熱線(xiàn)（hot-wire）技術(shù)的傳感器實(shí)現的，它沒(méi)有可動(dòng)部分。與此相對，柴油發(fā)動(dòng)機需要測量大氣絕對壓強（barometric absolute pressure，BAP），需要的傳感器可以被放置在控制模塊中，處于一個(gè)不太惡劣的位置。
　　MEMS加工技術(shù)改變了傳感器和信號調節裝置的工作方式，它是傳感器信號鏈中的一個(gè)關(guān)鍵部分。Freescale公司傳感器和模擬器件部門(mén)的汽車(chē)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Steve Hendry 說(shuō)，Freescale公司正在將傳感器從以往的立體微機械設備移植到表面微機械單元，“通過(guò)使用電容技術(shù)，可以達到占用更小的面積，實(shí)現更低的成本的目標，并且還可以將誤差控制在1%~2%”。同時(shí)他還補充說(shuō)明，下一代的設備將會(huì )是一個(gè)雙芯片設備，包括一個(gè)傳感器和一個(gè)分立的CMOS信號調節器，這個(gè)傳感器將會(huì )比一個(gè)引線(xiàn)結合墊片還??；總的來(lái)說(shuō)，這種組合將會(huì )產(chǎn)生最好的性能價(jià)格比。

　　非接觸測量
　　常見(jiàn)的霍爾效應傳感器可以被廣泛應用于那些車(chē)輛內部旋轉的、線(xiàn)性的以及開(kāi)/關(guān)位置感應的場(chǎng)合，參見(jiàn)附文“什么是霍爾效應？”[z2]。因為他們固有的對惡劣環(huán)境的適應性、封裝形式以及不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間退化的特性，霍爾效應設備已經(jīng)作為線(xiàn)性和開(kāi)/關(guān)傳感器在多變的汽車(chē)傳動(dòng)系統中占據了穩固的地位。例如，線(xiàn)性霍爾效應設備現在正被用于感應關(guān)鍵的閥門(mén)位置。
　　按照Melexis公司發(fā)動(dòng)機管理/霍爾傳感器應用和市場(chǎng)部門(mén)的Vincent Hiligsmann的說(shuō)法，“許多汽車(chē)制造商已經(jīng)認定未來(lái)的發(fā)展方向是盡可能地使用非接觸工作方式”，這就促使傳感器的設計開(kāi)始主要基于霍爾效應、光學(xué)和壓力技術(shù)。非接觸感應允許設計上采用封裝的方式來(lái)保護感應器件，增加可靠性和減小長(cháng)期工作時(shí)塵埃、腐蝕和液體引發(fā)的問(wèn)題。他指出這種傳感器具備的優(yōu)點(diǎn)是如此的令人神往，以至于下一代技術(shù)應該和上一代保持兼容這一汽車(chē)工業(yè)傳統的指導方針也被擱置到一邊，“如果已經(jīng)可以使用非接觸版本的器件，就沒(méi)有必要和那些古老的、使用電壓計、提供連續輸出的設備保持向前兼容。”
　　Allegro Microsystems公司的戰略市場(chǎng)經(jīng)理Kirsten Doogue說(shuō)，Allegro使用一個(gè)三元素傳感器，來(lái)測量位置、相位偏移和信號相關(guān)性，即使在零速度情況下也不丟失任何信息。那些可以提供方向信息，并且區分是真實(shí)移動(dòng)還是振動(dòng)的傳感器，都整合了一個(gè)內部磁體，因為磁體到傳感器的定位對于提供可靠和穩定的數據十分關(guān)鍵。在前進(jìn)運動(dòng)的時(shí)候輸出45ms脈沖的數字PWM，在后退運動(dòng)的時(shí)候則輸出90ms的脈沖，可以將輸出連接到處理器或者微控制器進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
　　對制造過(guò)程的考慮也是構成器件挑戰的一部分。不像所有的電子電路，器件的擺放和固定都由PCB設計人員決定，傳感器必須和外部世界交互，就如它的定義一樣，這就有可能在其它情況發(fā)生變化的時(shí)候導致問(wèn)題。Allegro公司的Doogue舉例說(shuō)明，通常使用一個(gè)傳動(dòng)系統中的齒輪來(lái)觸發(fā)霍爾效應傳感器，傳感器和齒輪需要調整以便互相匹配。她說(shuō)明，“一個(gè)澆鑄部件產(chǎn)生的信號弱于低成本的沖壓部件”，兩個(gè)信號之間相差兩倍，所以當生產(chǎn)商將BOM表中的一個(gè)澆鑄件換成一個(gè)沖壓件（也即替換成明顯可成形的合適的功能部件），就可能對傳感器的電子信號造成有害的影響。
　　低成本的無(wú)接觸傳感器可以被用于老式傳感器無(wú)法滿(mǎn)足的安全和控制領(lǐng)域。慣性傳感器，包括陀螺儀和加速計，使得穩定性和翻轉控制成為可能，參見(jiàn)附文“擺動(dòng)但不要翻轉”[z3]。

　　可靠性和成本規則

　　每一個(gè)市場(chǎng)都有成本壓力，但是汽車(chē)市場(chǎng)同時(shí)具有成本和可靠性的多重壓力，因為讓用戶(hù)“走回家”的錯誤、安全性召回、以及煩人的“發(fā)動(dòng)機檢查”都會(huì )影響公司的聲譽(yù)、銷(xiāo)售和賬本底線(xiàn)。隨著(zhù)對越來(lái)越多的關(guān)鍵性能傳感器的依賴(lài)性上升，設計必須在所有的層次上考慮可靠性問(wèn)題，從最基本的傳感器、封裝形式一直到算法。對大多數傳感器來(lái)說(shuō)，都面臨一個(gè)兩難的選擇，那就是他們必須通過(guò)某種方式暴露到“外部”的世界中，以便得到感興趣的數據，而這種暴露同時(shí)也引入了嘈雜的汽車(chē)環(huán)境中的機油、燃料、水汽、塵埃和碳塵，這些都會(huì )干擾傳感器的接觸點(diǎn)和端點(diǎn)，甚至有的時(shí)候會(huì )干擾感應元件本身。
　　在電子元件層次上，傳感器IC可以使用特殊的過(guò)成形（overmolding）技術(shù)在維持內部腔室的同時(shí)提供額外的封裝保護。那些二級供應商采購基本的傳感器，將它們和相關(guān)的電子器件一起封裝成模塊以便后續高級工藝使用，再提供給一級供應商。一級供應商使用保形涂料甚至是硅膠來(lái)保護接線(xiàn)和結合部，就像特別密封的模塊化住宅一樣。主要的“一級”供應商，例如Visteon、Bosch和TRW都有他們自己偏好的技術(shù)來(lái)設計這些模塊。
　　雖然使用多個(gè)、冗余的傳感器看起來(lái)是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統級解決方案，以便面對冗余性需求的挑戰，但通常不需要這么做。除了
顯而易見(jiàn)的成本上升外，更多的傳感器意味著(zhù)有更多出現錯誤的機會(huì )，系統設計中的經(jīng)典難題就是判斷信號鏈中的什么部分需要冗余來(lái)避免虛弱連接。如果兩個(gè)冗余的傳感器給出了不同的感應結果，除非有一個(gè)結果完全超出了可能的范圍，否則系統該如何判斷是哪一個(gè)傳感器出了問(wèn)題呢？
　　雖然如此，某些傳感器也可以使用二重結構。Melexis公司推出了一個(gè)霍爾效應傳感器，將兩個(gè)一樣的模塊包含到一個(gè)封裝之中。這兩個(gè)模塊完全彼此獨立工作，并在電氣上相互隔離，使用不同的供電、接地和輸出連接；單一的封裝減小了整體的成本，但是沒(méi)有妨礙增加系統的可靠性。
　　另外一種方法是給元件增加更多的自我檢測機制，以便它可以執行不同的自檢功能。例如，如果這個(gè)智能傳感器通過(guò)檢查自身的讀入數據、輸入/輸出、變化的速率或者其他因素，認為自身出現了故障，就可以驅動(dòng)自己的輸出到一個(gè)特定的數值和安全模式。
　　最后，軟件和算法開(kāi)發(fā)人員必須在代碼中智能地評估傳感器得到的數值，判斷哪些是有意義的哪些不是。就如Allegro公司的Doogue所說(shuō)，在傳送的過(guò)程中，你使用一個(gè)傳感器來(lái)獲得輸入軸的速度和方向，使用另一個(gè)傳感器來(lái)監控輸出軸，“這個(gè)輸入/輸出對必須彼此關(guān)聯(lián)，否則一定是哪里出了問(wèn)題，你可能得走回家去”。 Melexis 公司的Peter Riendeau則表示，傳感器元件提供商正在日益將板級解決方案封裝到IC當中，“將處理器、驅動(dòng)電路、電子保護、總線(xiàn)接口甚至固件都裝在一個(gè)芯片內”。

　　這是一個(gè)小小的世界，但也可能不是
　　
　　工業(yè)設計和制造的全球化已經(jīng)成為現實(shí)，但并不絕對。許多傳感器相關(guān)的特征正在變得標準化而不管來(lái)自什么車(chē)輛，例如燃油電子控制和點(diǎn)火系統就是主要的樣例，但也有一些并不標準。
　　世界上同時(shí)存在汽油發(fā)動(dòng)機系統和柴油發(fā)動(dòng)機系統。汽油發(fā)動(dòng)機占據了美國汽車(chē)市場(chǎng)超過(guò)90%的份額，而柴油發(fā)動(dòng)機在歐洲更加強勢。[z4]為了增強美國市場(chǎng)的接受度，汽車(chē)制造商添加了更多的傳感器和控制器，提升柴油動(dòng)力車(chē)輛的起步與冷起步性能、發(fā)動(dòng)機的平滑性和整體駕乘感受。
　　自動(dòng)化傳動(dòng)在歐洲的普及率不如美國，因為在消費者眼中，它的可靠性、油耗和成本都有待商榷。但是隨著(zhù)這些相關(guān)指標的改進(jìn)，這一概念在歐洲也正變得日益受到關(guān)注。這種情況是因為添加了附加的傳感器，能夠提供數據給先進(jìn)的32位微處理器。

　　未來(lái)會(huì )怎樣？

　　對于車(chē)用傳感器而言，未來(lái)有兩個(gè)發(fā)展方向。設計人員可以在每一個(gè)縫隙和隱蔽處添加更多現有類(lèi)型的傳感器，也可以考慮那些他們以前想要測量，但是限于沒(méi)有能符合嚴格技術(shù)要求或者強制成本因素的傳感器而未能實(shí)現的領(lǐng)域。在那些還沒(méi)有圓滿(mǎn)解決的領(lǐng)域中，就包括用于測定發(fā)動(dòng)機后座的傳感器和算法，它常常和正常的振動(dòng)，特別是啟動(dòng)時(shí)候的瞬時(shí)狀態(tài)混淆起來(lái)。
　　汽車(chē)制造商也希望能夠測定旋轉部件，例如凸輪軸、傳動(dòng)軸和驅動(dòng)軸的絕對位置，而不是相對位置。這種傳感能力在停步-起步的狀態(tài)下特別有用，因為現有的傳感器都是增量式的，在下一次經(jīng)過(guò)標記點(diǎn)之前不可以重新同步。更好的凸輪軸感應，例如絕對輸出，將會(huì )減小讀數的突然跳變，這個(gè)跳變無(wú)法使用軟件糾正。
　　更加有趣的是，Freescale公司的Hendry表示他們想要直接測量氣缸壓力，以便改進(jìn)發(fā)動(dòng)機的燃油噴射和點(diǎn)火時(shí)間。這要求使用能夠忍受高溫和振動(dòng)的陶瓷部件。他也指出廠(chǎng)商希望可以測量傳動(dòng)系統中的關(guān)鍵壓力，并且通過(guò)安裝在發(fā)動(dòng)機上的加速計來(lái)測量發(fā)動(dòng)機的振動(dòng)，這使得人們可以洞察發(fā)動(dòng)機爆震（點(diǎn)火之前）的情況，發(fā)動(dòng)機爆震會(huì )損害發(fā)動(dòng)機并增大油耗。
　　另外一個(gè)改進(jìn)領(lǐng)域是感應傳動(dòng)系統中的扭矩，這個(gè)參數的測量在更大的在位（in-place）工業(yè)機械中也是一個(gè)挑戰。目前，汽車(chē)控制使用速度數據來(lái)間接地推算扭矩，但是我們希望使用更加直接和精確的解決方案。一個(gè)可能的解決方法是使用SAW（表面聲波，surface acoustic wave）設備、磁阻設備或者霍爾效應傳感器，所有這些都必須在性能和成本之間進(jìn)行一定的折中，盡管通過(guò)正確的設計和安裝，他們都可以在嘈雜的環(huán)境中工作。
　　就是在現有的傳感器參數上，也存在提升的空間。自檢或稱(chēng)自校驗傳感器當然會(huì )提高整體的可靠性，但在目前只有加速計具備完整的自檢功能，它可以對自己的校驗集合進(jìn)行激勵并查看響應。與此相對的是，普遍存在的壓力傳感器除了零點(diǎn)以外，都很難校準和測試；溫度傳感器只能通過(guò)對它們的數據進(jìn)行可信度評估來(lái)測試，而不能直接確認。目前，冗余或者自校驗傳感器僅僅被用于安全系統或者防鎖死剎車(chē)系統（antilock brake systems，ABS），沒(méi)有應用在傳動(dòng)系統中。

　　【附文】
　　什么是霍爾效應？
　　霍爾效應在1879年被E.H. Hall發(fā)現，它定義了磁場(chǎng)和感應電壓之間的關(guān)系，這種效應和傳統的感應效果完全不同。當電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì )對導體中的電子產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，從而在導體的兩端產(chǎn)生電壓差。
　　雖然這個(gè)效應多年前就已經(jīng)被大家知道并理解，但基于霍爾效應的傳感器在材料工藝獲得重大進(jìn)展前并不實(shí)用，直到出現了高強度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號調節電路。根據設計和配置的不同，霍爾效應傳感器可以作為開(kāi)/關(guān)傳感器或者線(xiàn)性傳感器。

　　【附文】
　　擺動(dòng)但不要翻轉
　　不管是被動(dòng)式還是主動(dòng)式的車(chē)輛底盤(pán)控制系統，都是傳感器密集的場(chǎng)所。被動(dòng)式控制是一個(gè)很成熟的體系，通過(guò)在設計中使用抑制控制、預緊式安全帶和氣囊，在事故發(fā)生后降低傷害?，F在許多新的主動(dòng)式系統被設計出來(lái)，通過(guò)周密的狀況評估以及到底盤(pán)控制以及剎車(chē)系統的連接，用于預測危險的情況，避免事故的發(fā)生。防鎖死剎車(chē)系統（antilock brake systems，ABS）已經(jīng)證明了這種主動(dòng)式系統的價(jià)值，也使公眾習慣了由電子系統接管車(chē)輛某些控制的觀(guān)念。iMEMS Inertial Sensors 公司的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理David Krakauer指出，穩定性控制已經(jīng)在歐洲廣泛采用，但是“在美國，駕駛員非常不愿意放棄控制權”。
　　隨著(zhù)低成本、精確的陀螺儀和加速計可以按照標準的IC封裝提供，設計者可以將它們組合起來(lái)使用，配合上靈活的算法，可以獲得車(chē)輛的慣性數據。對于基本的翻轉保護器來(lái)說(shuō)，僅僅一個(gè)運行在翻轉軸線(xiàn)上的翻轉感應陀螺儀就足夠了，但也只是勉強夠。在陀螺儀以外添加加速計，算法可以發(fā)現翻轉的前兆，這些測定要求傳感器具有很高的精度。系統和算法必須能夠判定翻轉的前兆，例如轉向過(guò)度的時(shí)候車(chē)輛的后部會(huì )大幅擺動(dòng)，有可能引起翻轉。
　　在這些傳感器的配置和互聯(lián)中，安裝占了很主要的位置。碰撞檢測加速計安裝在車(chē)輛的外圍，監測不同的碰撞角度。翻轉慣性傳感器——陀螺儀和加速計——可以安裝在一個(gè)包含其他電氣部件（例如氣囊系統的其他組件）的中央模塊中。通過(guò)傳感器對信號的數字化處理，以及一級提供商定義的總線(xiàn)格式，與分散的傳感器的互連越來(lái)越多地開(kāi)始使用數字輸出。數字信號理所當然地提供了更好的抗噪能力，并且在IC供電下降的時(shí)候也能維持信號的穩定性，與此相對的模擬輸出信號在這種環(huán)境下的分辨率和SNR都很有限。
　　Krakauer指出，妨礙慣性傳感器成為汽車(chē)市場(chǎng)主流的最大問(wèn)題，是一級提供商和OEM廠(chǎng)商更加偏愛(ài)傳統IC——使用標準的封裝，不需要校準，不需要特別的處理，從傳送帶上一下來(lái)就可以直接放置到PCB上。他補充說(shuō)明，目前“他們需要對位置、安裝后的應力以及溫度的校準”。他指出在早先的日子里，“生產(chǎn)商會(huì )使用多個(gè)傳感器達到冗余，但是現在，主動(dòng)式控制要求具備[上電]自檢功能 ” 。通過(guò)組合傳感器的數據和更好的分析算法進(jìn)行準合理測試是確保系統可靠有效的下一個(gè)步驟。
　　雖然有著(zhù)這些挑戰，Analog Devices公司近日仍然宣布他們已經(jīng)銷(xiāo)售了超過(guò)2億個(gè)慣性傳感器，其中絕大多數用于汽車(chē)工業(yè)。Krakauer指出，“在未來(lái)幾年，車(chē)輛將會(huì )具備三維的陀螺傳感器，配合著(zhù)三個(gè)低重力加速度的加速計，來(lái)進(jìn)行車(chē)輛翻轉和穩定性控制，再加上一到三個(gè)高重力加速度的加速計來(lái)進(jìn)行不同角度的碰撞檢測”