汽车LIN总线驱动传感器应用

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       现今的汽车平均带有50多个不同的传感器,用于监控各种物理变量。由于制动器的使用增加,因而要求传感器提供相应的输入值,所以这个数字还会继续增长。此外,对信号系统的需求正在增加,模拟数据传输技术所受到的限制变得明显了,所以工程师面对的挑战已经变成如何将传感器组变换成一个高效的高性能数字子系统。

  驱动传感器的LIN总线技术结合现今电压调制和电流调制方式的优点,可以实现数字数据的高效管理。爱特梅尔公司能够提供所有必须的产品,而无需依赖于LIN应用的集成水平。

  传感器系统在许多方面不同于汽车的其它电子元件。最重要的差异在于:传感器通常位于车辆外部的恶劣环境,要经受湿度、温度或者压力的变化。大多数情况下,传感器还得安装在非常有限的空间内,并且与一个2线或3线器具连接。

  传感器应用就像汽车应用领域自身那样变化多样。

  在动力传动领域:

  -位置传感器;

  -速度传感器;

  -压力传感器;

  -碰撞传感器。

  在驾驶舒适性领域:

  -温度传感器;

  -太阳高度角传感器;

  -光传感器;

  -湿度传感器;

  -露点传感器。

  在车身控制领域:

  -压力传感器;

  -陀螺仪传感器。

  典型的传感器节点带有传感元件、一个信号调节微控制器和一个信号收发器。由于数据线的长度常常大于1米,数据传输主要采用模拟信号调节,所占比例大约为90%,模拟信号调节确实具有一些优点。

模拟信号调节技术可与先前的机械式或机电式检测系统兼容,并且易于使用和插接。模拟数据可在0至5V的电压范围内提供,这样传感器可以由微控制器上的一个ADC端口监控,微控制器将数据转换成数字形式。然而,对传感器的需求在增加,这使得模拟信号调节缺少吸引力。随着ADC分辨率达到10位,以及通过将信号电压箝位在最低或者最高电平来指示两个不同失效模式的方式,模拟技术已经达到其性能的极限,它们将被不同的数字数据传送模式所取代。

  数字数据传输可以通过电压调制或电流调制两种方式来管理。两种类型都有优点和缺点。简单的电流调制能够实现成本效益非常高的ECU设计和接线方式。在ECU内,使用一个上拉电阻就可以将不同的电流水平转换成不同的电压水平。传感器的连接采用2线连接,不过上拉电阻的缺点包括:在传感器模块上的热功耗,以及有限的数据率。其它基于电流转换的方法,例如是曼彻斯特编码协议等,则需要专用的收发器IC,这会导致系统成本增加。

  电压调制具有适应各种协议的优点,从简单的PWM到更复杂的SENT都能够支持。它具有比电流调制更高的数据率。此外,可以将ECU输入设计成一个以定时器为基础的捕获比较单元。电压调制的一个不足之处是必须使用一种3线连接。还包括在电磁兼容测试中还会发生其它问题,因为大多数PWM驱动器都不包含斜率控制。此外,静电保护功能也较弱。

  LIN总线协议结合了上述全部优点。LIN是一种2线接口,这有助于降低连线方面的成本。LIN在收发器IC中的压摆率控制有助于实现出色的电磁兼容性能,LIN的静电保护功能可以实现针对严苛环境的可靠的系统设计。最后,LIN总线收发器具有高生产率,可以实现比其它需要收发器IC协议(例如:基于电流的转换协议) 的设计更具成本效益优势的设计。

系统设计的概念需要在ECU等级上加上一个上拉电阻,以便通过数据线为LIN从属传感器控制电流源。在LIN从属传感器处,仅需要一个缓冲电容器。根据电容器的数值,可选择的数据率高达100 kbit/s。降低电源电压为影响数据发送速率提供了额外的选择。由于显性和隐性电平以电源电压为参考,降低电源电压能够直接减小达到相应电平的总线高电平和低电平之间的间隙。电源电压降低2V,数据发送速率大约提高15%。不幸的是,不是在任何情况下都能够降低电源电压。还必须考虑总线显性电平的时间部分,因为该状态对LIN从属负传感器的缓冲容量造成泄放。

  使用LIN的传感器系统设计可以视为一个三步过程。首先找到一个包含传感元件的分离的从属节点设计,一个基于LIN的系统基础芯片,以及一个用于信号调节和协议处理的微控制器。爱特梅尔公司提供LIN收发器、LIN系统基础芯片(SBC)以及LIN系统级封装(SiP)器件,为所有的集成水平提供支持。使用SiP,用户可以获益于爱特梅尔采用picoPower技术之AVR微控制器的超低功耗设计。第二步是可以将设计转换成一种单芯片、多晶片SiP设计,这样可以节省PCB空间,可让工程师将全部电子元件放入传感器的连接器中。最后,通过将传感器集成进芯片,实现智能状态机,工程师可以进一步实现先进的单芯片LIN传感器节点设计。

  总之,从车内网络的角度来看,LIN总线不仅增强了汽车驱动,还可以使传感器区域变成低成本、高性能的数字式子系统。爱特梅尔公司能够提供适用于所有LIN应用集成度的全部必须的产品。采用picoPower技术的AVR微控制器是实现低功耗设计的关键。此外,工程师可以设计符合EMV标准的最稳健的系统,这些系统具有爱特梅尔LIN收发器和SBC所提供的先进的电磁兼容和静电防护性能。

 

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