高級駕駛輔助系統(tǒng)之傳感器及其接口電路設計

　　ESP（Electronic Stability Program，電子穩(wěn)定程序）是汽車電控的一個標志性發(fā)明。不同的研發(fā)機構對這一系統(tǒng)的命名不盡相同，如博世（BOSCH）公司早期稱為汽車動力學控制（VDC），現(xiàn)在博世、梅賽德—奔馳公司稱為ESP；豐田公司稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）、汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（VSA）或者汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）；寶馬公司稱為動力學穩(wěn)定控制系統(tǒng)（DSC）。盡管名稱不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車動力學控制系統(tǒng)，如ABS和TCS的基礎上增加一個橫向穩(wěn)定控制器，通過控制橫向和縱向力的分布和幅度，以便控制任何路況下汽車的動力學運動模式，從而能夠在各種工況下提高汽車的動力性能，如制動、滑移、驅(qū)動等。ESP在國外已經(jīng)批量生產(chǎn)，在國內(nèi)尚處于研究階段，要達到產(chǎn)業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。

　　ESP常用傳感器接口設計

　　方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號經(jīng)微控制器處理后，通過CAN總線發(fā)送給ECU；橫擺角速度傳感器、縱向/橫向傳感器由于信號特點和安裝位置類似，故設計在同一個模塊內(nèi)；由于ESP對輪速傳感器信號的實時性要求較高，故經(jīng)過信號調(diào)理后，直接送入ECU。需要微處理器對信號進行處理并通過CAN總線傳送數(shù)據(jù)，本文選用Infineon公司的SAK-C164CI。該芯片是專為汽車應用而設計，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器、輸入信號捕捉、正交解碼器，運算速度快，非常適合ESP的傳感器信號處理。

　　方向盤轉(zhuǎn)角傳感器接口

　　方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的輸出為正交編碼脈沖。正交編碼脈沖包含兩個脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，通過檢測2路信號的相位關系可以判斷為順時針方向和逆時針方向，并據(jù)此對信號進行加/減計數(shù)，從而得到當前的計數(shù)累計值，也即方向盤的絕對轉(zhuǎn)角，而轉(zhuǎn)角的變化率即角速度，則可通過信號頻率測出。另外，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器有一個零位輸出信號，當方向盤在中間位置時，該信號輸出0V，否則輸出5V，通過該信號，可對絕對轉(zhuǎn)角進行在線校準。

　　C164CI 與方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路如圖6所示。片內(nèi)內(nèi)置增量編碼的正交解碼器，該解碼器使用定時器3的兩個引腳（T3IN、T3EUD）作為正交脈沖的輸入，在正確設置相關寄存器后，定時器3的數(shù)據(jù)寄存器的值與方向盤轉(zhuǎn)角成正比，故可方便的計算轉(zhuǎn)角，本文所使用的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器每一圈對應44個脈沖，設定時器3的數(shù)據(jù)寄存器為T3，則絕對轉(zhuǎn)角為。

　　進行差分運算，即可得到轉(zhuǎn)角變化速率。微控制器把計算得到的參數(shù)通過CAN發(fā)送給ECU。

　　輪速傳感器接口

　　根據(jù)前面部分介紹的輪速傳感器信號特點，設計接口電路如圖7所示。

　　電路采用兩級濾波和整形，以保證輪速信號在極低轉(zhuǎn)速下不會丟失，同時避免因懸架振動引起的信號干擾。圖中由電阻R2引入第一級遲滯比較，而使用74HC14引入第二級遲滯比較。

　　橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器

　　橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的安裝位置基本相同，輸出都是0V-5V的模擬量，由于汽車顛簸造成的信號波動特性一致，故封裝在同一模塊中。其硬件接口如圖8所示，實現(xiàn)硬件模擬前置濾波，以抑制來自傳感器的模擬信號中的高頻噪聲成分，防止在采樣過程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。運放使用滿擺幅輸出的 LMX324。

　　調(diào)整圖8中各個阻容元件的參數(shù)，即可設置濾波截止頻率和延時大小。汽車運行過程中，在較好路面上行駛時，由于信號較好，延時盡量要小，而在顛簸路面上行駛，則希望濾波效果要好。但是由于硬件濾波的頻率特性一經(jīng)設計完畢，無法實時修改，故需要在軟件中設計數(shù)字濾波環(huán)節(jié)。數(shù)字濾波常用的有維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預測器、自適用濾波器等。在這里選用計算量小、實時性能好的一階低通濾波。

　　本文討論了ESP系統(tǒng)中常用傳感器的結構特點及信號特性，并設計了各個傳感器的信號處理接口，其中包括硬件接口電路以及軟件處理方案。設計了包含橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的集成模塊，通過CAN總線與ECU進行數(shù)據(jù)傳輸，具有較好的抗干擾性和可靠性。