LIN及混合信號工藝的發(fā)展提升汽車傳感器與傳動(dòng)裝置性能

　　電子產(chǎn)品在汽車中日益突出的重要性引發(fā)了對低成本、高可靠性傳感器及傳動(dòng)裝置日益增長的需求。這些器件并非獨(dú)立存在，而是必須與系統(tǒng)的主電子控制單元 (ECU) 進(jìn)行通信。過去的傳感器／傳動(dòng)裝置通信通常采用單向模擬信號，每一遠(yuǎn)程設(shè)備都采用自己的專線與 ECU 連接。由于汽車環(huán)境充滿電氣噪聲，因此很難在這些線路上保持信號完整性，而且系統(tǒng)的可靠性也會(huì)受到影響。布線會(huì)帶來其他問題 ――占用空間，增加重量及成本且難以維護(hù)。幸好數(shù)字多路復(fù)用通信技術(shù)可以解決上述問題，這種技術(shù)可以保持信號完整性，減少所需線路數(shù)量并提供實(shí)現(xiàn)整臺(tái)車輛智能控制的新機(jī)會(huì)。

　　當(dāng)今的兩大趨勢――汽車通信總線標(biāo)準(zhǔn)化及半導(dǎo)體技術(shù)正推動(dòng)著智能化更高的傳感器與傳動(dòng)裝置的發(fā)展，同時(shí)還通過高效的通信來擴(kuò)展汽車電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。局域互聯(lián)網(wǎng) (LIN) 總線架構(gòu)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到 2.0 版，能夠滿足對傳感器／傳動(dòng)裝置簡單通信方案的需求，可通過標(biāo)準(zhǔn)化降低成本并提高魯棒性

退而求次

　　在目前的汽車電子總線標(biāo)準(zhǔn)中，LIN 能夠提供滿足傳感器及傳動(dòng)裝置信號傳輸需求的最佳解決方案。有多種專有解決方案可以通過脈寬調(diào)制 (PWM) 或可調(diào)脈寬 (VPW) 等簡單方案將信號進(jìn)行數(shù)字化傳輸。這些方案都基于各種物理層 (PHY) 設(shè)計(jì)，在這些方案中，每個(gè)傳感器或傳動(dòng)裝置一般都需要一條通信線路，而且傳感器到 ECU 或 ECU 到傳動(dòng)裝置的通信一般采用單向輸出。因此，這些網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)雙向通信及診斷，從而限制了它們的用途。另外，由于它們屬于專有解決方案，從而影響行業(yè)通過實(shí)施開放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)與設(shè)計(jì)再利用。

　　變通的選擇是采用成熟的通信標(biāo)準(zhǔn)（如：控制局域網(wǎng) (CAN) 總線）在傳感器／傳動(dòng)裝置接口與 ECU 之間傳輸信號。但是，CAN 及類似的通信一般需要采用微控制器和輔助電路，以至于產(chǎn)生超出傳感器及傳動(dòng)裝置所需要范圍或合理范圍的復(fù)雜性和成本。此外 CAN 還基于雙線總線，而最佳解決方案只需采用一條線路實(shí)現(xiàn)低速、低成本通信。

簡單的開放式標(biāo)準(zhǔn)

　　盡管 LIN 最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是車體電子，但是它在新應(yīng)用中同樣有用武之地，其中之一就是傳感器/傳動(dòng)接口。LIN 2.0 指定的 20.0kbps 數(shù)據(jù)速率足以滿足大多數(shù)傳感器及傳動(dòng)裝置的需求，而且 LIN PHY 與協(xié)議控制器可以輕松集成到用于遠(yuǎn)程設(shè)備的混合信號集成電路中。LIN 2.0 規(guī)范包含描述物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議定義；另外該規(guī)范還包含定義系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通用接口的配置語言說明，該說明也可用作開發(fā)及分析工具輸入資料；同時(shí)包含針對附加軟件的應(yīng)用編程接口 (API) 定義。作為 LIN 聯(lián)盟專門為汽車應(yīng)用定義的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)無縫的開發(fā)及設(shè)計(jì)工具鏈，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)速度與可靠性。

　　LIN 是單線傳輸方式，從而可以降低布線和線束 (wiring harness) 要求，進(jìn)而有助于減少重量和節(jié)省空間與成本。此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單主節(jié)點(diǎn)具有 16 個(gè)獨(dú)立從節(jié)點(diǎn)。通信由主節(jié)點(diǎn)按計(jì)劃觸發(fā)，因此無需在同時(shí)報(bào)告設(shè)備之間執(zhí)行判優(yōu)操作。從節(jié)點(diǎn)具有自同步特性，可采用片上 RC 振蕩器而不采用晶體或陶瓷諧振器，從而大幅降低成本。LIN 協(xié)議可以保證信號傳輸?shù)臅r(shí)延，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可預(yù)測性――這是大部分傳感器/傳動(dòng)裝置信號的關(guān)鍵要素。協(xié)議極其簡單，可通過異步串口 (UART/SCI)運(yùn)行。因此，芯片實(shí)施成本很低，使 LIN 成為混合信號工藝技術(shù)的絕佳總線解決方案――而這種工藝技術(shù)主要用于生產(chǎn)汽車傳感器及傳動(dòng)裝置采用的信號調(diào)節(jié)與輸出 IC。

實(shí)現(xiàn)混合信號工藝

　　LIN 標(biāo)準(zhǔn)是汽車傳感器/傳動(dòng)裝置通信的重要進(jìn)步，不過，在與混合信號半導(dǎo)體工藝的最新發(fā)展融合之后，它的重要性更彰顯突出。現(xiàn)在，由于能充分利用自己在高速 CMOS 數(shù)字工藝及先進(jìn)的模擬工藝兩方面的專業(yè)技術(shù)，IC制造商得以實(shí)現(xiàn)幾年前還是天方夜潭的系統(tǒng)集成水平。適用于汽車傳感器/傳動(dòng)應(yīng)用的典型高級混合信號工藝包括：線性 Bi-CMOS (LBC)、高壓 CMOS、以及絕緣硅 (SoI)工藝。上述許多工藝都可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器/傳動(dòng)裝置電子的單片片上系統(tǒng) (SoC) 實(shí)施，其中包括電源、高壓、數(shù)字邏輯、存儲(chǔ)及高精度模擬功能。

　　如果芯片上需要智能性，先進(jìn)的混合信號工藝允許在 LIN 協(xié)議控制器之外集成合理水平的數(shù)字邏輯。例如，設(shè)計(jì)可能包含能夠報(bào)告?zhèn)鞲衅骰騻鲃?dòng)裝置狀態(tài)的邏輯器件，以便使診斷功能既能用于及時(shí)維護(hù)又能用于終生可靠性數(shù)據(jù)庫開發(fā)。下一代混合信號工藝技術(shù)將允許微控制器肽Ｄ夤δ芤黃鵂?傘４死嗥?舷低臣?啥孕磯嚶τ鎂哂屑?叩募壑擔(dān)?紓?#8220;點(diǎn)觸式”車窗玻璃升降器――其需要運(yùn)行一種防止玻璃上升時(shí)擠傷手指的算法。而對于需要更復(fù)雜、更快通信的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn) LIN 通信集成的半導(dǎo)體功能還允許在混合信號器件中集成 CAN 功能。

傳感器/傳動(dòng)裝置舉例

　　德州儀器(TI)的 TPIC1021 LIN-2.0 收發(fā)器是利用高級混合信號集成技術(shù)提高 LIN 兼容傳感器及傳動(dòng)裝置通信的魯棒性并且保持其低成本的基石。這款收發(fā)器基于 TI 的LBC4 線性 Bi-CMOS 工藝，采用汽車電池電壓工作，因此無需外部電源。故障保護(hù)功能使設(shè)備能夠承受 LIN 總線上-40V ~ +40V的電壓，同時(shí)片上靜電放電 (ESD) 保護(hù)功能可以承受高達(dá) 17kV（國際電工委員會(huì)）和 21kV（人體模型）的峰值電壓。在此基礎(chǔ)上可以集成把傳感器或傳動(dòng)裝置連接到汽車電網(wǎng)與 LIN 網(wǎng)絡(luò)所需要的更多元件。典型的片上功能包括：滿足系統(tǒng)要求的汽車電壓調(diào)節(jié)器、傳感器輸出中前端輸入的模擬濾波功能、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字濾波與控制、以及 LIN 兼容的協(xié)議控制器。圖1舉例說明了一個(gè)基于 LBC4 的、全面集成的傳感器接口。此款器件所具有的高集成度與電路保護(hù)功能使其正好適合于空間及成本非常有限的惡劣的汽車環(huán)境。

　　而 TPIC10271 傳動(dòng)裝置接口是一款基于 LBC-4 D 的專門為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的器件。它集成了采用電池電源的 3.3V 電壓調(diào)節(jié)器/監(jiān)控器、到用戶開關(guān)的高壓接口、用于位置傳感器或其他類型傳感器的高側(cè) FET（場效應(yīng)晶體管）驅(qū)動(dòng)器、用于馬達(dá)控制繼電器的兩個(gè)低側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器、反饋運(yùn)算放大器、保護(hù)電路以及與 LIN 兼容的 PHY（圖 2）。輸出直接連接至用于控制算法的微控制器，如：玻璃升降器的防擠傷監(jiān)控功能。與 TPIC1021 以及 TI 混合信號系列產(chǎn)品中的其他器件一樣，TPIC10271 在不工作期間進(jìn)入省電的休眠模式，而且具有低電磁干擾 (EME) 與高抗電磁干擾能力 (EMI)。

　　對于其他應(yīng)用，同樣的混合信號工藝技術(shù)除了可以集成上述兩款器件中的功能塊以外還可集成其它功能，包括：用于單軌及多軌的低壓降與開關(guān)電壓穩(wěn)壓器、不同配置的高/低側(cè)驅(qū)動(dòng)器、各種運(yùn)算放大器、數(shù)字邏輯器件、以及 LIN 接口等通信接口?？捎玫膫鲃?dòng)接口包括：H橋、適用于DC刷/三相直流有刷馬達(dá)的智能驅(qū)動(dòng)器、以及繼電器驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器用于電動(dòng)座椅及后視鏡、門鎖、風(fēng)檔雨刷及除霜器、玻璃與天線升降器、暖通空調(diào)系統(tǒng) (HVAC)、以及用于提供用戶舒適及安全性的各種其它電子系統(tǒng)。

系統(tǒng)優(yōu)勢

　　將傳感器/傳動(dòng)裝置信號及通信接口改變?yōu)榕c LIN 兼容的混合信號 IC 可以產(chǎn)生多種系統(tǒng)級優(yōu)勢。首先是提高系統(tǒng)魯棒性與診斷功能。線路數(shù)量減少可降低成本以及潛在的故障源，且由于 LIN 可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，主設(shè)備可從子設(shè)備處獲取診斷信息，而從設(shè)備可在發(fā)生系統(tǒng)問題時(shí)提供故障信息。此外，LIN 消除了對專有接口的需要，通過采用基于公開、可靠標(biāo)準(zhǔn)的通用通信方案既可開發(fā)組件及軟件。

　　利用 LIN 可構(gòu)建只需三條線（電池、接地及 LIN）的傳感器或傳動(dòng)裝置，從而降低布線與線束要求。器件殼體更小，實(shí)現(xiàn)更好的傳感器/傳動(dòng)裝置布置，而無需過多考慮布線問題。LIN 及先進(jìn)的混合信號工藝可以在許多方面降低系統(tǒng)成本：組件數(shù)量減少；庫存降低；更緊湊、更簡單的印刷電路板與傳感器/傳動(dòng)裝置殼體；使用片上振蕩器取代晶振或諧振器系統(tǒng)作為時(shí)鐘源；更高的可靠性。上述部分因素還可減少重量與空間消耗――汽車設(shè)計(jì)中始終不變的追求。

　　這種進(jìn)步僅僅是汽車傳感器及傳動(dòng)裝置智能與功能發(fā)展邁出的第一步。下一代混合信號汽車 IC 將集成更小的微控制器，能實(shí)現(xiàn)可編程功能以及更高的靈活性，從而滿足汽車的未來需求。隨著汽車傳感器與傳動(dòng)裝置的智能化不斷提高，汽車設(shè)計(jì)師可以自由地設(shè)想汽車系統(tǒng)的智能應(yīng)用。