一種新型的雨量光照傳感器的設計

摘要：為了滿足汽車智能雨刮系統(tǒng)的國產(chǎn)化、低成本、可靠性研發(fā)和生產(chǎn)，顯著提高汽車駕駛的安全性、便捷性和舒適性，文中基于德國MELEXIS公司的雨量光照專用接口芯片MLX75308，結合性能優(yōu)良的單片機及高質(zhì)量的紅外發(fā)射和接收電路，設計了一種新型的雨量光照傳感器系統(tǒng)。該方案與傳統(tǒng)設計方法相比具有結構簡單，成本低廉，工作可靠，抗干擾能力強等優(yōu)點，具有巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。

目前，隨著汽車智能化程度的日益提高，越來越多的傳感器被安裝在汽車上以增加駕駛的安全性、便捷性和舒適性。汽車雨量傳感器(Rain Sensor，RS)是汽車智能雨刮系統(tǒng)的核心部件;光照傳感器(Light Sensor，LS)是汽車自動頭燈功能的核心部件，將雨量傳感器與光照傳感器集成于一體稱為雨量光照傳感器(Rain Light Sensor，RLS)，它是汽車電子工業(yè)中的新型傳感器。隨著光電技術、集成電路技術和檢測控制技術的飛速發(fā)展，將RLS應用在汽車上實現(xiàn)雨刷自動刮水、車前燈自動控制、車內(nèi)儀表盤等背景光亮度自動調(diào)節(jié)以及車內(nèi)空調(diào)自動調(diào)節(jié)等是近年來汽車傳感器應用中的研究熱點，更是降低駕駛?cè)藛T駕車干擾，顯著提高汽車駕駛的安全性、便捷性和舒適性的有力保障，符合汽車電子行業(yè)發(fā)展的趨勢。

通常汽車配備雨刮器用于消除擋風玻璃上的雨水、霧氣等以保證玻璃透明清晰，給司機一個有效的視野。傳統(tǒng)的雨刮器均由駕駛者來控制，在行駛過程中進行操作容易分散其注意力，造成安全隱患?，F(xiàn)在，某些中高檔轎車上雖然己經(jīng)配備了紅外自動感雨裝置，但由于價格昂貴，難以向中低檔轎車普及。在中國市場，由于材料、電子芯片的供貨及試驗經(jīng)費和試驗環(huán)境等技術原因制約，車用紅外雨量傳感器還沒有被一些專業(yè)廠商真正進入專注研發(fā)和大批量生產(chǎn)階段，基本上全是依賴國外進口，導致價格相對偏高;即使有了一些較成功的設計方案和產(chǎn)品，但因電路和結構設計復雜、生產(chǎn)制造成品率低，從而制約了其發(fā)展;更主要的是一些配備了自動雨刮的車主反映該功能并不好用，摸不清規(guī)律，經(jīng)常出現(xiàn)有水不及時刮，很少雨點卻刮得很快的情況，甚至在汽車穿越樹陰時也會進行刮刷動作。所以自主研發(fā)將雨量光照合二為一的新型傳感器系統(tǒng)，以消除雨刮誤動作，保證其準確、快速、可靠工作及優(yōu)化方案設計，提高成品率，降低設計和制造成本是本文研究意義所在。

1 基于MLX75308的新型雨量光照傳感器系統(tǒng)設計方案

1.1 傳統(tǒng)的車用雨量傳感器設計方案

國內(nèi)用于自動雨刮的車用雨量傳感器傳統(tǒng)設計方案存在以下問題：發(fā)射電路主要由紅外發(fā)射管、555定時器和電阻、電容等元件組成，由555組成的多諧振蕩器發(fā)出一定頻

率脈沖波去驅(qū)動LED發(fā)射管發(fā)光;接收電路通常由光接收管、放大電路、帶通濾波器和檢波電路等組成。突出特點是電路結構較為復雜，用到的分立元件多，導致電路工作可靠

性變差。雖然接收電路隨后又改為紅外專用集成接收芯片，如TK1838，使接收部分的體積小了一些，可靠性提高了一點，但是由于對雨量信號的監(jiān)測沒有考慮到外部光線的影響，所以不可避免的存在當汽車穿越樹蔭等光線變化比較明顯的情況下導致的誤刮動作，造成抗干擾能力不足，更談不上在傍晚和進入隧道及車庫等光線弱的地方時，汽車能自動開啟儀表燈和近光燈等，缺少駕駛的安全性和便捷性。

1.2 MLX75308雨量光照傳感器接口芯片介紹

德國Melexis公司研發(fā)設計的MLX75308是一款專門針對高要求的RLS模塊接口芯片，有兩個獨立的線性雨量傳感器通道和3個對數(shù)環(huán)境光通道，用來做雨量和光測量，芯片對光敏電流做A/D轉(zhuǎn)換，然后把雨量和日光信號通過數(shù)字通信接口SPI傳輸?shù)組CU。由于其內(nèi)部集成了兩個雨量通道補償電路，免去了復雜的軟件算法，有效的避免了雨刮誤動作;由于集成了3個環(huán)境光檢測模塊，對光學系統(tǒng)具有高度適應性;集成了LED驅(qū)動芯片，免去了復雜的外圍電路;集成了穩(wěn)壓芯片和溫度傳感器以具有自診斷功能。MLX75308能提供比同類產(chǎn)品更好的性能和尺寸，是一款多功能系統(tǒng)元件，擁有非常寬的輸入輸出范圍。輸出范圍可以支持LED電流高達1 A，寬動態(tài)范圍可以適用不同的光敏二極管和擋風玻璃系統(tǒng)，從而符合汽車客戶需要的一統(tǒng)多用的解決方案。

1.3 RLS系統(tǒng)設計方案

基于MLX75308設計的RLS系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。RLS模塊由3個主要元件組成：LIN收發(fā)器/電壓調(diào)節(jié)器、微控制器以及雨量光照專用接口芯片MLX75308。LIN系統(tǒng)基礎芯片連接RLS模塊到汽車LIN網(wǎng)絡，并調(diào)節(jié)電池電壓以提供給微控制器、MLX75308以及模塊上的其它元件。

微控制器是系統(tǒng)的控制核心，通過UART串口與LIN總線收發(fā)器交換數(shù)據(jù)或指令，由LIN總線收發(fā)器與上級或其它相關單元通信，提供雨量光照系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與指令，也接收相關單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)或指令。同時微控制器通過SPI接口與MLX75308雨量光照傳感器通信，將MLX75308的數(shù)據(jù)與指令采集到微控制器，再傳送到LIN總線上。微控制器在MLX75308和LIN收發(fā)器之間通信，根據(jù)從MLX75308接口芯片接收的數(shù)據(jù)去決定是否有必要打開雨刮或頭燈。

MLX75308是該模塊的核心，它與所有的光學元件相連接，控制LED驅(qū)動管發(fā)射紅外光和光電二極管(Photodiode，即PD)接收紅外光，并提供雨量和環(huán)境光數(shù)據(jù)給微控制器。

2 核心模塊單元電路設計

2.1 微控制器核心模塊

文中設計采用的是飛思卡爾公司低成本、高性能8位微控制器MC9S08RD16，它的作用是把代表雨量大小的光強信號實時測量值變成電信號，根據(jù)電信號的大小，通過LIN通信，自動設定雨刮器工作的時間間隔，控制雨刮器動作的速度。雨量傳感器為相對量測量，在前擋風玻璃外表面干燥的情況下，首先對傳感器進行初始化，由此可以得出在固定發(fā)射電流情況下接收的光強度，在這種情況下，光的強度通常比較高。當有雨滴落在擋風玻璃上時，部分紅外線會因為雨滴的散射而丟失，導致紅外光源接收器收到的紅外線總量小于紅外光源發(fā)射器發(fā)出的紅外線總量。紅外光源接收器將接收到的紅外光線信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，通過數(shù)字信號控制器片上10位精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，得到對應數(shù)字信號，結合由LIN總線上獲得的擋風玻璃清晰度設定值等信息，共同送給MCU。微控制器與RLS接口芯片MLX75308、LIN處理器芯片MLX80030的連接關系如圖2所示。

2.2 雨量光照接口電路

圖3所示是雨量光照接口芯片及其外圍電路。MLX75308中兩個獨立的線性雨量測量通道(Channel A和Channel B)能夠同時或單獨操作，典型的雨量電流值在1～100μA之間，電流大小依賴于所用的光學元件、擋風玻璃類型、LED發(fā)射管和光電二極管(PD)，通常一個通道連接一個PD，但是當一個通道上連接多個PD時就可以擴大擋風玻璃上的感光面積，從而提高雨水檢測的質(zhì)量。低成本的光電二極管沒有較完美的輸出特性，昂貴的光電二極管(PDs)比便宜的執(zhí)行得更好，但MLX75308可以彌補這個缺陷，用較為普通的光電二極管完成良好的性能。

傳感器上有3個環(huán)境光對數(shù)外界通道(PDC、PDD和PDE)，其對數(shù)輸出曲線被用來覆蓋一個大的動態(tài)范圍，從明亮的太陽下到黑夜。其中兩個通道具有準確的相同的輸出特性，而另一個具有較低的靈敏度，通過這種方式，用戶可以在光電二極管的大范圍內(nèi)做選擇。大多數(shù)應用中兩個外界通道被用于汽車頭燈控制，其中一個用于定向天空，另一個被直接聚焦于前方，比如去探測即將到來的隧道，從而自動打開汽車頭燈，由于有上方和前方的兩個參照，所以不會在汽車從烈日下進入樹蔭下時錯誤打開車燈或雨刮;第三個通道被用于控制儀表盤或前面的顯示亮度。

MLX75308的另一個作用就是控制LED驅(qū)動(LEDA、LEDB)，同時轉(zhuǎn)換接收紅外線的光電二極管電流為數(shù)字形式，這個數(shù)據(jù)被發(fā)送到微控制器，以判斷是否下雨，雨刮速度應設定為多快。

2.3 紅外發(fā)射和接收電路

發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的紅外光輻射通量，傳統(tǒng)的設計方案是由555定時器驅(qū)動光源發(fā)出一定頻率的紅外光信號，缺點不言而喻：電路復雜，可靠性低。由于MLX75308內(nèi)部集成了LED驅(qū)動芯片，免去了復雜的外圍電路，設計時只需將其驅(qū)動輸出端LEDA和LEDB接到開關管(Q1和Q2)的控制端，保證其飽和導通時，LED發(fā)射管(D2和D3)由于正向?qū)ǘl(fā)光。電路設計如圖4左半部分所示，發(fā)射管采用歐司朗公司(OSRAM)的SFH4257作為光源，峰值波長λ為850 nm，帶寬△λ80 nm，具有高線性度、高可靠性、高脈沖處理能力等特點。

接收模塊通常由一個紅外接收管、帶通濾波器和單片機等組成。由于紅外接收管接收到的不僅有反射回來的LED光，還有日光，它也會感應出電流來，日光的變化可以被理解

為擋風玻璃上突發(fā)降雨，結果導致雨刮誤動作。這就是為什么有些裝有自動雨刷的車主感覺其不太好用，摸不清規(guī)律，經(jīng)常出現(xiàn)有水不及時刮、很少雨點卻刮得很快的情況。MLX 75308能很好的解決這個問題，它既有雨量通道，又有環(huán)境光通道，一方面抑制雨量信號中的日光信號，產(chǎn)生非常精確的雨量信號，另一方面測量雨量和日光信號并作為兩個獨立值發(fā)送信息到微控制器，收到的這兩個獨立信號使得軟件開發(fā)的復雜度大大減少。對汽車開發(fā)者而言，日光信號數(shù)據(jù)有可能是除了雨量傳感之外其它原因的一個有用價值，比如微控制器根據(jù)目光信號大小決定是否要打開車前燈，或者調(diào)解儀表盤背景光等。如圖4右半部分所示為本設計的接收模塊，采用歐司朗公司的硅光電二極管SFH203作為雨量通道和環(huán)境光通道的紅外接收管，其峰值波長λ為850 nm，具有高線性度、高可靠性等特點。

2.4 LIN通訊及電壓調(diào)整電路

為了滿足現(xiàn)代汽車采用CAN、LIN總線來構成總線式車身通訊系統(tǒng)的需要，文中所設計的自動雨刷控制系統(tǒng)使用LIN總線收發(fā)器MLX80030實現(xiàn)與汽車中控單元的通訊，從LIN總線上獲得用戶希望的擋風玻璃清晰度等信息，送給MCU進一步處理，同時，將雨刷系統(tǒng)的一些信息報告給汽車中控單元。如圖5所示，MLX80030與MCU之間通過RXD、TXD、RESET和EN信號進行通訊。傳感器系統(tǒng)一般都采用鋰電池供電以減小產(chǎn)品體積，而發(fā)射電路需要12 V直流電源，接口電路和MCU等卻需要3.3 V電源，所以如圖5將電池電壓通過整流濾波變成12 V直流電源，再通過MLX80030調(diào)整成3.3 V。

3 結論

以控制器MC9S08RD16與LIN總線收發(fā)器MLX80030為控制與通信單元，設計完成的基于MLX75308接口芯片的新型雨量光照傳感器，與傳統(tǒng)的雨量傳感器不同，可完成如下功能：降雨量檢測功能：感知車外降雨量大小，可區(qū)分毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等不同雨情。配有雨量光照傳感器的車輛可根據(jù)降雨強度自動調(diào)節(jié)雨刮刮刷頻率，并通過靈敏度開關調(diào)整雨量光照傳感器的感雨靈敏度。

光照條件檢測功能：感知車外光照條件的明暗變化，可區(qū)分白天、黑夜、隧道、車庫、橋洞等不同路況。配有雨量光照傳感器的車輛可根據(jù)光線明暗和路況的變化，自動開啟或關閉近光燈和位置燈。

可拓展功能：由雨量光照傳感器提供的降水狀態(tài)和光照度狀態(tài)信息可用于實現(xiàn)其他拓展功能，例如：下雨時自動關閉車輛天窗或門窗;下雨時自動開啟近光燈和位置燈;自動調(diào)節(jié)儀表背光燈亮度。

國外汽車RLS推廣應用時間長，產(chǎn)品技術成熟度高，而國內(nèi)開發(fā)出的RLS，研發(fā)投入少，市場份額小，產(chǎn)品應用推廣面窄，使得配備有自動雨刮器及自動車前燈等控制的汽車或零部件生產(chǎn)和銷售價格偏高，限制了市場保有量，所以本項目的研究具有較強的實際意義，旨在從設計的源頭減少其組成費用，降低裝車費用，滿足國內(nèi)自主車型裝車對于低成本和可靠性的要求。