另類(lèi)傳感器觀(guān)念：汽車(chē)傳感器

傳感器正用于對汽車(chē)乘客區進(jìn)行全面檢測。

　　要點(diǎn)
　　·傳感器在轎車(chē)中的用途遠遠超出了動(dòng)力系統領(lǐng)域和安全領(lǐng)域。
　　·乘客區是傳感器使用量增長(cháng)的領(lǐng)域，尤其是占用情況檢測。
　　·具有諷刺意味的是，傳感器必須使用多種技術(shù)，才能弄清楚人們顯而易見(jiàn)的細節。

　　今天的轎車(chē)裝滿(mǎn)了傳感器，用以提供性能和安全的關(guān)鍵數據。一開(kāi)始，傳感器是信號路徑中的第一條鏈路，用來(lái)監視引擎和傳動(dòng)系統的各項參數，比如氧氣、流體、溫度、電壓和電流，但它們的用途很快擴大到了來(lái)自各種致動(dòng)器和電動(dòng)機的反饋回路，其中包括防抱死系統和電動(dòng)窗電動(dòng)機。當然，傳感器對于氣囊部署系統的碰撞傳感是至關(guān)重要的。
　　傳感器的應用并不僅僅局限于檢測關(guān)鍵的汽車(chē)操作和安全因素或向轎車(chē)必須安裝的 OBD（車(chē)載診斷）系統報告（參考文獻 1）。OEM 們對傳感器的信心已隨傳感器的功能和可靠性的提高而提高，而且傳感器成本已降低，因此傳感器目前在乘客區中起著(zhù)更多不同的作用——使乘客區安全、舒適、便利和一應俱全。轎車(chē)和卡車(chē)越來(lái)越多地提供家庭娛樂(lè )項目——但卻是在四個(gè)或更多個(gè)輪子的車(chē)上提供，乘客區及其占用者的每一方面都要接受評估。

　　我知道你在那里
　　傳感器始終存在描述  簡(jiǎn)單的目標物理變量和具體安裝現實(shí)情況之間的矛盾。大多數傳感器可測量人們很熟悉的容易理解的因素，比如溫度、壓力、照明度、流量或速度。但是，當您檢查這種情況的細節和約束條件時(shí)，您很快會(huì )明白：在這個(gè)條塊分割、高度專(zhuān)用的世界里，為什么有這么多傳感器（見(jiàn)附文《為了封裝、服務(wù)和保護》）。當傳感器必須測量人們看一眼就能明白的細節，但卻必須用某種間接方法來(lái)推斷其評估時(shí)，對傳感器的選擇可能特別令人沮喪。
　　這種情況是對乘客占用情況檢測傳感器的寫(xiě)照。汽車(chē)氣囊越來(lái)越復雜，遠遠超出了最初為司機和前座乘客準備的單一迎面碰撞氣囊。轎車(chē)目前配備了防側撞氣囊、氣囊簾和多個(gè)排列復雜的氣囊，還配備有與碰撞的角度和速度匹配的分段氣囊。然而，如果氣囊部署得過(guò)于侵略性，或者如果乘客是一名兒童，受到全面部署的氣囊打擊，那么氣囊也可造成乘客受傷甚至死亡。
　　由于這些原因，汽車(chē)制造商們想讓氣囊部署系統知道對于人來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的信息：乘客數量、乘客的座位與坐姿、體格大小以及是否有人坐在兒童座位上。這些問(wèn)題問(wèn)起來(lái)容易，但卻很難利用成本有效的可靠技術(shù)來(lái)回答。汽車(chē)廠(chǎng)商們正在使用不同方法，其中包括壓力（重量）測量、成像（可視圖像和紅外線(xiàn)圖像）甚至電場(chǎng)檢測。
　　確定誰(shuí)坐在轎車(chē)中的一個(gè)明顯辦法就是測量每位乘客產(chǎn)生的座位壓力，使每個(gè)座位成為一個(gè)基本的磅稱(chēng)。實(shí)際上，使用一個(gè)壓力傳感器，如到處使用的硅應變傳感器或霍爾效應傳感，是不夠的，因為坐姿、嬰兒座位甚至一袋雜貨都會(huì )影響傳感器讀數（圖 1）。因此，廠(chǎng)商們使用基本壓力傳感器或者霍爾效應傳感器陣列來(lái)產(chǎn)生每個(gè)座位上的重量分布圖。根據 Allegro Semiconductor 公司的說(shuō)法，一個(gè)典型的座位總共有 14 ～ 16 個(gè)霍爾傳感器的輸出，因此占用情況檢測器系統能夠評估這個(gè)人的體格大小，或者，如果它是在評估轎車(chē)座位，它就能評估座位是否被占用。該系統既有各種讀數，又有其它數據，比如來(lái)自安全帶系統的信息，表明安全帶是否扣好以及帶上的拉力。

圖1，設計師在轎車(chē)中單獨使用 IC 霍爾效應傳感器（比如 Allegro Microsystems 公司生產(chǎn)的這種傳感器）進(jìn)行運動(dòng)控制反饋，或成群地使用它們進(jìn)行乘客占用情況檢測。

　　工程師們必須把這些傳感器設計并制造到座位結構中，不能在轎車(chē)的內部設計完成以后才把它們作為附件設計進(jìn)去。傳感器 OEM 們確確實(shí)實(shí)必須按照經(jīng)常反復念叨的老話(huà)去做：及早與汽車(chē)廠(chǎng)商或越來(lái)越多地與子系統供應商們（他們把完整的高級組件作為插入式部件提供給汽車(chē)制造商）合作，提供完整的解決方案，而不只是 IC。
　　解決座位是被占用問(wèn)題的另一種方法是使用幾個(gè)紅外線(xiàn)成像傳感器。這種方法以電子方式來(lái)操縱這種熱電堆陣列，（據 Melexis 等廠(chǎng)商說(shuō)它采用的元件有100個(gè)之多），因此它能掃描汽車(chē)中的各個(gè)座位位置。MLX90247 陣列——它通常安裝在轎車(chē)車(chē)頂的裝飾物中，作為圓頂燈組件的一部分，或在其附近——使用一個(gè)聚焦的視野來(lái)避免把司機混淆為乘客。除了一個(gè)鏡頭以外，它還需要一個(gè)溫度測量器件（如熱敏電阻），以便在環(huán)境溫度范圍內對陣列的讀數進(jìn)行冷端補償。
　　一些廠(chǎng)商提供的不是紅外線(xiàn)傳感，而是可見(jiàn)光成像。Micron Technology 公司提供一種 1050 ～450 納米 CMOS 圖像傳感器，其敏感范圍包括可見(jiàn)光波段以及近紅外波段。在白天，這種 750x480 像素傳感器使用自然光；在晚上，它使用發(fā)射紅外線(xiàn)的 LED 來(lái)照明。它設計用來(lái)與中等速度的 DSP 配合，以 10 位/像素的分辨率和 100幀/秒的成像速率捕獲并評估一幀幀圖像，以便在碰撞發(fā)生、氣囊彈出時(shí)，確定乘客的確切位置和方向（甚至能知道是前傾還是側傾）。為了降低 DSP 的處理負荷，算法評估整個(gè)圖像畫(huà)面，然后只對畫(huà)面中乘客部分進(jìn)行下一步分析。
　　不論汽車(chē)制造商更喜歡可見(jiàn)光傳感器還是紅外線(xiàn)傳感器，他們都必須做出其它決定，其中包括是使用單個(gè)成像陣列還是成對的立體成像陣列，是使用彩色傳感器還是黑白傳感器，甚至是否將傳感器陣列裝在轎車(chē)內不同部位以便提供不同視角圖像。

　　別忘了場(chǎng)論

　　雖然檢測座位壓力和圖像傳感都是有效的方法，但是一種更微妙的方法則是 Freescale Semiconductor 公司（曾是 Motorola 公司的一部分）和 Elesys 公司合作研制的一種系統的基礎。這種方法就是“電場(chǎng)傳感”，它利用各種物體因具有帶電原子而產(chǎn)生的電場(chǎng)。電場(chǎng)傳感是一種 3D 圖像傳感形式，利用多個(gè)電極收集到的信號來(lái)“描繪”座位占用情況。
　　Freescale 公司的 MC33794 是此類(lèi)電場(chǎng)傳感器的核心（圖 2）。它內部有一個(gè) 120kHz 振蕩器，可將信號通過(guò)一個(gè)內部電阻器發(fā)送到傳感器的各個(gè)電極。內部電阻器上的電壓降是電極對地電容的函數。這種加在MC33794 的 9 個(gè)電極上的電容性負荷構成了被傳感的電場(chǎng)。

圖2，Freescale 公司的傳感器使用一個(gè) 120kHz 振蕩器，通過(guò)多個(gè)點(diǎn)檢測電場(chǎng)，從而檢測乘客。它還可以檢測水汽和其它現象。

　　電場(chǎng)傳感法的關(guān)鍵是天線(xiàn)。一付典型的天線(xiàn)位于距離MC33794 及其相關(guān)電子電路 1~2 米遠的地方，尺寸大約是鼠標墊那么大。汽車(chē)制造商可以使用作為轎車(chē)座位一部分的導電性泡沫塑料來(lái)制造天線(xiàn)。通向天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)路中的雜散干擾可能使預想的天線(xiàn)區域信號變模糊，為了把這種干擾降至最低程度，MC33794 能主動(dòng)驅動(dòng)屏蔽裝置來(lái)降低負荷，這與電壓表的靈敏模擬輸入端上的保護輸入類(lèi)似。
　　霍爾效應和電場(chǎng)傳感都不只是處理乘客區中的體積占用情況。這兩種傳感器可能是轎車(chē)乘客用來(lái)啟動(dòng)儀表板控制器、車(chē)窗和其它功能的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和按鈕的核心。從理論上說(shuō)，這種方法可以提高可靠性和延長(cháng)工作壽命，并避免由于觸點(diǎn)侵蝕、污垢積累、機械應力而造成的各種問(wèn)題。電場(chǎng)傳感還能檢測擋風(fēng)玻璃上的水或水汽。
　　在所有這些可供選擇的占用情況檢測方法中，哪一種最好？如以往任何時(shí)候一樣，答案是“得看情況”。每一種技術(shù)在成本、布局和性能一致性方面各有利弊。例如，您必須在汽車(chē)設計周期的早期，仔細地把霍爾傳感器或電場(chǎng)傳感器設計到座位中。 相比之下，您可以在更晚的階段增加紅外線(xiàn)傳感器。然而，環(huán)境溫度和照明會(huì )影響紅外線(xiàn)傳感器，因此設計師必須補償這些影響，還要了解如果傳感器未得到適當控制，充足的陽(yáng)光會(huì )帶來(lái)哪些性能限制和影響?？梢?jiàn)光成像器在日光下沒(méi)問(wèn)題，但必須具有適合于從充足陽(yáng)光環(huán)境到陰影環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍。

　　它是自己的環(huán)境

　　在乘客區內，除了座位是否被占用問(wèn)題之外，還有其他的問(wèn)題。與照明、溫度、氣流以及各種助力附件有關(guān)的問(wèn)題都會(huì )影響乘客的舒適、感覺(jué)和安樂(lè )感。今天的轎車(chē)配備了多種微型助力電動(dòng)機，用來(lái)實(shí)現反光鏡控制和座位位置控制等各種功能。這些電動(dòng)機通常是無(wú)刷型的，配備起反饋作用的霍爾效應傳感器。把所有這些功能與轎車(chē)的神經(jīng)系統聯(lián)系起來(lái)，則是另一項挑戰（見(jiàn)附文《也許會(huì )用在公共汽車(chē)上》）。
　　車(chē)內供暖和空調在汽車(chē)中早已很普遍了，但如今的高級汽車(chē)乘客期望通過(guò)座位升溫和降溫來(lái)體驗更加個(gè)性化的感受。（當然，如果您處于沙漠地區，那么座位降溫就不只是一種方便了。）現有好幾種方法可提供這些座位上的物質(zhì)享受。在座位內部或附近的內置線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生熱量，一個(gè)小型吹風(fēng)機把加熱的空氣送到座位表面。從機械角度而言，降溫更加困難，這是因為通過(guò)座位中的微型管道系統來(lái)輸送冷卻空氣是一個(gè)難題。一些廠(chǎng)商正在座位下面使用珀耳帖效應冷卻器來(lái)產(chǎn)生冷卻空氣，然后再由系統迫使冷卻空氣流過(guò)多孔的座位織物。
　　無(wú)論您使用哪種方法，都要考慮兩個(gè)有關(guān)傳感器的問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是顯而易見(jiàn)的：測量座位溫度，以便控制升溫和降溫。另外，微型氣流電動(dòng)機（通常是無(wú)刷電動(dòng)機）需要霍爾效應器件等傳感器來(lái)管理電動(dòng)機的旋轉，并向閉環(huán)控制提供反饋。
　　然而，轎車(chē)需要知道的不僅僅是座位的溫度。即使汽車(chē)沒(méi)有座位升溫和降溫功能，閉環(huán)氣候控制也需要知道乘客體溫或車(chē)內部溫度。一種方法是安裝一個(gè)小型風(fēng)扇，把乘客區的溫度吹入儀表板，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)溫度傳感器。但是這種方法需要儀表板上有一個(gè)受到保護的孔以及一個(gè)占用空間的風(fēng)扇，并且它告訴您的溫度是空氣的溫度，而不是乘客的體溫。另一種方法是，一些汽車(chē)制造商目前正在利用齊平地安裝在儀表板面板中的聚焦紅外線(xiàn)傳感器，來(lái)直接檢測司機和乘客的皮膚溫度。為了進(jìn)一步改進(jìn)氣候控制系統，Hamamatsu 公司的 S3689 寬角光電傳感器（在960納米波長(cháng)上具有峰值響應）等元件可以測量車(chē)內由陽(yáng)光引起的熱負荷。（圖 3）。

圖3，汽車(chē)內部的任何一個(gè)方面都沒(méi)有小到可以忽視的程度。Hamamatsu 公司的 S3689 紅外線(xiàn)傳感器根據車(chē)內氣候控制系統正在處理的熱負荷輸出一個(gè)信號。

　　由于儀表板及其儀器面板是司機與汽車(chē)之間的界面，因此適度的照明也是個(gè)問(wèn)題。寬動(dòng)態(tài)范圍可見(jiàn)光傳感器，比如 Microsemi Integrated Products 公司的 LX1971（峰值響應出現在 520 納米波長(cháng)），可在這種情況下使用。這些安裝在儀表板上的光電傳感器提供控制輸出信號，使車(chē)內照明維持在用戶(hù)設置的亮度，而與環(huán)境照明、陰影、隧道環(huán)境以及類(lèi)似擾動(dòng)無(wú)關(guān)。
　　如果有人偷了您的車(chē)，或者您迷路了，那么這些傳感器和物質(zhì)享受全都無(wú)濟于事。汽車(chē)廠(chǎng)商和維修零件市場(chǎng)警報系統廠(chǎng)商正指望利用最新的成熟技術(shù)來(lái)補充現有方法。例如，Analog Devices 公司推出的  ADXL213型±1.2g 加速計，靈敏度高，它使用最初為高重力加速度氣囊碰撞傳感器開(kāi)發(fā)的 MEMS（微型機電系統）技術(shù)，來(lái)檢測轎車(chē)被升起、拖曳或沖撞時(shí)可能會(huì )發(fā)生的任何沖擊、晃動(dòng)甚至緩慢傾斜（圖 4）。

圖4，雙軸加速計，如Analog Devices 公司的 ADXL213 （上），還能監視任何不希望有的轎車(chē)運動(dòng)，比如由盜車(chē)引起的運動(dòng)（下）。

　　雖然基于 GPS（全球定位系統）的汽車(chē)導航系統對確定汽車(chē)位置有很大幫助， 但它們的確有一些局限性。在衛星信號被阻擋的“暗”信號期間（比如在隧道中），或在困難的信號區域（比如那些阻擋或反射信號的城市峽谷），GPS 設備會(huì )失去跟蹤能力或處于混亂狀態(tài)。由于這個(gè)原因，更高端的 GPS設備包含低重力加速度加速計，用以補充 GPS 讀數。這些傳感器根據汽車(chē)的最后已知位置和汽車(chē)自從該位置以來(lái)移動(dòng)的距離，來(lái)提供一種計算法定位最新數據。（距離是速度的積分，而速度是加速度的積分。）雖然在長(cháng)距離上，這種方法不如 GPS 精確，但它可在信號缺失間隙提供一種良好的臨時(shí)最新數據。

　　為了封裝、服務(wù)和保護

　　多年來(lái)，電子業(yè)幾乎一直只使用表面貼裝器件封裝。傳感器稍微落后于這一潮流，這有幾個(gè)原因。首先，傳感器必須伸出去感覺(jué)被檢測的變量這一性質(zhì)，有時(shí)使它不能使用 SMT（表面貼裝技術(shù)）封裝，或對這一封裝提出挑戰，具有一個(gè)暴露但密封的表面的壓力傳感器就是如此。其次，與低端消費產(chǎn)品相比，汽車(chē)行業(yè)從產(chǎn)品設計至投產(chǎn)的時(shí)間更長(cháng)。最后，汽車(chē)行業(yè)想看到任何技術(shù)的已得到證明的成績(jì)記錄。
　　盡管有這些障礙，轎車(chē)中的幾乎所有傳感器，尤其是在不大困難的乘客區，都是表面貼裝器件，光電傳感器和光源是主要的例外。除了尺寸上的優(yōu)勢以外，這種封裝意味著(zhù)這些傳感器還可用于非汽車(chē)應用設計，并且所有設計師都得到了開(kāi)發(fā)成果和大批量生產(chǎn)帶來(lái)的好處。
　　當然，這是一種雙向途徑。很多汽車(chē)傳感器都是在為非汽車(chē)用途開(kāi)發(fā)的傳感器基礎上經(jīng)過(guò)特殊修改而成的。這些非汽車(chē)傳感器，一旦設計師將它們的規范修改得符合汽車(chē)市場(chǎng)需求，它們又證明了自己的性能，就可以用于轎車(chē)中。
　　除了永遠存在的成本問(wèn)題以外，汽車(chē)環(huán)境始終是個(gè)嚴峻的挑戰，其中包括元件在-40℃~ +140℃ 或更高的工作溫度和存儲溫度范圍內的可靠性和參數穩定性、把傳感器安裝到汽車(chē)結構中和經(jīng)受得起有意無(wú)意的磨損和濫用等一系列要求以及實(shí)現總的系統性能一致性，這樣讀數就不會(huì )起誤導作用。
　　一些汽車(chē)廠(chǎng)商要求整體的 ESD（靜電放電）防護，來(lái)減少外部保護元件的數量，還要求使用能夠承受反向電池電位和雙倍電池電位（-16V ~ +32V）的傳感器，這些電位是由更換或跳接電池時(shí)不恰當的連接導致的。

　　也許會(huì )用在公共汽車(chē)上

　　大多數傳感器元件或 IC 天生能輸出一個(gè)低電平模擬信號。有些 IC 傳感器還有整體信號調節功能，可把這一信號提高到更實(shí)用的 0V ~ 5V 范圍（通常是一個(gè)單端信號，但在一些傳感器中是差分信號）或 0mA ~ 10mA電平。
　　另外，多數傳感器需要一個(gè)微控制器來(lái)截取信號。由于模擬信號的帶寬一般相當窄，并且精度中等，因此一個(gè)分辨率為 8位~12位的、采樣率為10k~100k 采樣/秒的、內置于微控制器中的 ADC 一般就夠用了。有些傳感器在它們的封裝組件中包括一個(gè)內置的轉換器，從而為傳感器線(xiàn)性化和校準提供了機會(huì )。設計師一般在一個(gè)引線(xiàn)框架上使用雙芯片組件，以便節省成本和空間。
　　汽車(chē)制造商對這種雙芯片組件特別感興趣，這是因為它使他們能夠降低所需的傳感器組件安裝精度。汽車(chē)制造商可以安裝傳感器組件，運行一個(gè)校準序列，并存儲必要的校準因子，用以補償機械公差、安裝位置或角度松弛，以及由于安裝應力引起的傳感器性能的任何變化。
　　反過(guò)來(lái)，大多數傳感處理器的輸出都饋入轎車(chē)的較大功能子系統中?？紤]到目前的轎車(chē)中有大量傳感器，傳感器連線(xiàn)的數量就會(huì )迅速增加，從而增加成本，需要更多的連接器，加大電纜布局布線(xiàn)難度。汽車(chē)系統設計師必須確定傳感器在某個(gè)本地節點(diǎn)聚集的數量和聚集的部位，如有必要，還須確定節點(diǎn)和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的其余部分之間所用的總線(xiàn)類(lèi)型。
　　數字化傳感器輸出和轎車(chē)的電子智能部件之間的這種鏈路有多種形式。廠(chǎng)商們正在把 CAN（控制器區域網(wǎng)）總線(xiàn)用作速度較高的鏈路 ，單線(xiàn) CAN 用作速度較低的鏈路，LIN（本地互連）總線(xiàn)用作低速鏈路（或 J2602，它是 LIN 的汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )版本）?？偩€(xiàn)的選擇雖然和傳感器性能沒(méi)有直接關(guān)系，但會(huì )影響眾多傳感器的配置和連線(xiàn)，以及本地以處理器為中心的支持和連接功能的布局。
　　例如，Philips Semiconductors 公司的 KMA200型 可編程角度測量傳感器，利用薄膜坡莫合金的磁阻特性來(lái)檢測傳感器所在平面的外部磁場(chǎng)和傳感器本身之間的角度。該廠(chǎng)商宣稱(chēng)，與著(zhù)名的霍爾效應器件相比，這種傳感器在遠得多的距離上具有更高的精度。每個(gè)傳感器都有 EEPROM 存儲的校準因子，都有一個(gè)獨特的 32 位標識符，并都通過(guò)一個(gè) SPI 接口報告結果。