不可見的傳感器正滲透到車輛控制領(lǐng)域

　　現(xiàn)代的汽車充滿了傳感器，提供各式各樣的信息，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制方面到乘客安全方面。傳感器技術(shù)正在不斷發(fā)展，使得傳感器更加易于設(shè)計(jì)，具備更高的可用性和更強(qiáng)的功能。

　　傳感器和處理器，就像科幻電影中的異型生物一樣，已經(jīng)真實(shí)地接管了今天的汽車。他們不僅僅出現(xiàn)在可見的區(qū)域，例如載客室[z1]，同時(shí)也被嵌入到車輛的每一個(gè)隱蔽角落，包括傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤，監(jiān)測(cè)并控制著性能、安全和基本車況。
　　在汽車上大量裝配傳感器的推動(dòng)力主要來(lái)源于各個(gè)方面的強(qiáng)烈需求，這包括更好的油耗經(jīng)濟(jì)性，減少尾氣排放，減小發(fā)生事故的概率，并且增加發(fā)生事故后的安全性。新的傳感器技術(shù)不僅提高了現(xiàn)有傳感器的性能，也使得以前無(wú)法實(shí)際應(yīng)用于主流消費(fèi)者產(chǎn)品中的探測(cè)技術(shù)成為可能。傳感器的應(yīng)用已經(jīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)延伸到排氣裝置，甚至到油箱：Freescale提供一個(gè)低壓力差分傳感器，可以檢測(cè)油箱的泄漏。

　　壓力測(cè)量
　　車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電子、機(jī)械和化學(xué)系統(tǒng)，要想提高其性能必須測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的壓力。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要測(cè)量“多路絕對(duì)壓力”（manifold absolute pressure，MAP)，獲取這一數(shù)據(jù)的傳感器不可避免地要暴露在汽油之中。這些燃油
系統(tǒng)也越來(lái)越多地測(cè)量氣流，這是通過經(jīng)過強(qiáng)化的采用成熟的熱線（hot-wire）技術(shù)的傳感器實(shí)現(xiàn)的，它沒有可動(dòng)部分。與此相對(duì)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)需要測(cè)量大氣絕對(duì)壓強(qiáng)（barometric absolute pressure，BAP），需要的傳感器可以被放置在控制模塊中，處于一個(gè)不太惡劣的位置。
　　MEMS加工技術(shù)改變了傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)裝置的工作方式，它是傳感器信號(hào)鏈中的一個(gè)關(guān)鍵部分。Freescale公司傳感器和模擬器件部門的汽車產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Steve Hendry 說(shuō)，F(xiàn)reescale公司正在將傳感器從以往的立體微機(jī)械設(shè)備移植到表面微機(jī)械單元，“通過使用電容技術(shù)，可以達(dá)到占用更小的面積，實(shí)現(xiàn)更低的成本的目標(biāo)，并且還可以將誤差控制在1%~2%”。同時(shí)他還補(bǔ)充說(shuō)明，下一代的設(shè)備將會(huì)是一個(gè)雙芯片設(shè)備，包括一個(gè)傳感器和一個(gè)分立的CMOS信號(hào)調(diào)節(jié)器，這個(gè)傳感器將會(huì)比一個(gè)引線結(jié)合墊片還??；總的來(lái)說(shuō)，這種組合將會(huì)產(chǎn)生最好的性能價(jià)格比。

　　非接觸測(cè)量
　　常見的霍爾效應(yīng)傳感器可以被廣泛應(yīng)用于那些車輛內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的、線性的以及開/關(guān)位置感應(yīng)的場(chǎng)合，參見附文“什么是霍爾效應(yīng)？”[z2]。因?yàn)樗麄児逃械膶?duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、封裝形式以及不會(huì)隨著時(shí)間退化的特性，霍爾效應(yīng)設(shè)備已經(jīng)作為線性和開/關(guān)傳感器在多變的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)了穩(wěn)固的地位。例如，線性霍爾效應(yīng)設(shè)備現(xiàn)在正被用于感應(yīng)關(guān)鍵的閥門位置。
　　按照Melexis公司發(fā)動(dòng)機(jī)管理/霍爾傳感器應(yīng)用和市場(chǎng)部門的Vincent Hiligsmann的說(shuō)法，“許多汽車制造商已經(jīng)認(rèn)定未來(lái)的發(fā)展方向是盡可能地使用非接觸工作方式”，這就促使傳感器的設(shè)計(jì)開始主要基于霍爾效應(yīng)、光學(xué)和壓力技術(shù)。非接觸感應(yīng)允許設(shè)計(jì)上采用封裝的方式來(lái)保護(hù)感應(yīng)器件，增加可靠性和減小長(zhǎng)期工作時(shí)塵埃、腐蝕和液體引發(fā)的問題。他指出這種傳感器具備的優(yōu)點(diǎn)是如此的令人神往，以至于下一代技術(shù)應(yīng)該和上一代保持兼容這一汽車工業(yè)傳統(tǒng)的指導(dǎo)方針也被擱置到一邊，“如果已經(jīng)可以使用非接觸版本的器件，就沒有必要和那些古老的、使用電壓計(jì)、提供連續(xù)輸出的設(shè)備保持向前兼容。”
　　Allegro Microsystems公司的戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理Kirsten Doogue說(shuō)，Allegro使用一個(gè)三元素傳感器，來(lái)測(cè)量位置、相位偏移和信號(hào)相關(guān)性，即使在零速度情況下也不丟失任何信息。那些可以提供方向信息，并且區(qū)分是真實(shí)移動(dòng)還是振動(dòng)的傳感器，都整合了一個(gè)內(nèi)部磁體，因?yàn)榇朋w到傳感器的定位對(duì)于提供可靠和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候輸出45ms脈沖的數(shù)字PWM，在后退運(yùn)動(dòng)的時(shí)候則輸出90ms的脈沖，可以將輸出連接到處理器或者微控制器進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
　　對(duì)制造過程的考慮也是構(gòu)成器件挑戰(zhàn)的一部分。不像所有的電子電路，器件的擺放和固定都由PCB設(shè)計(jì)人員決定，傳感器必須和外部世界交互，就如它的定義一樣，這就有可能在其它情況發(fā)生變化的時(shí)候?qū)е聠栴}。Allegro公司的Doogue舉例說(shuō)明，通常使用一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪來(lái)觸發(fā)霍爾效應(yīng)傳感器，傳感器和齒輪需要調(diào)整以便互相匹配。她說(shuō)明，“一個(gè)澆鑄部件產(chǎn)生的信號(hào)弱于低成本的沖壓部件”，兩個(gè)信號(hào)之間相差兩倍，所以當(dāng)生產(chǎn)商將BOM表中的一個(gè)澆鑄件換成一個(gè)沖壓件（也即替換成明顯可成形的合適的功能部件），就可能對(duì)傳感器的電子信號(hào)造成有害的影響。
　　低成本的無(wú)接觸傳感器可以被用于老式傳感器無(wú)法滿足的安全和控制領(lǐng)域。慣性傳感器，包括陀螺儀和加速計(jì)，使得穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)控制成為可能，參見附文“擺動(dòng)但不要翻轉(zhuǎn)”[z3]。

　　可靠性和成本規(guī)則

　　每一個(gè)市場(chǎng)都有成本壓力，但是汽車市場(chǎng)同時(shí)具有成本和可靠性的多重壓力，因?yàn)樽層脩?ldquo;走回家”的錯(cuò)誤、安全性召回、以及煩人的“發(fā)動(dòng)機(jī)檢查”都會(huì)影響公司的聲譽(yù)、銷售和賬本底線。隨著對(duì)越來(lái)越多的關(guān)鍵性能傳感器的依賴性上升，設(shè)計(jì)必須在所有的層次上考慮可靠性問題，從最基本的傳感器、封裝形式一直到算法。對(duì)大多數(shù)傳感器來(lái)說(shuō)，都面臨一個(gè)兩難的選擇，那就是他們必須通過某種方式暴露到“外部”的世界中，以便得到感興趣的數(shù)據(jù)，而這種暴露同時(shí)也引入了嘈雜的汽車環(huán)境中的機(jī)油、燃料、水汽、塵埃和碳?jí)m，這些都會(huì)干擾傳感器的接觸點(diǎn)和端點(diǎn)，甚至有的時(shí)候會(huì)干擾感應(yīng)元件本身。
　　在電子元件層次上，傳感器IC可以使用特殊的過成形（overmolding）技術(shù)在維持內(nèi)部腔室的同時(shí)提供額外的封裝保護(hù)。那些二級(jí)供應(yīng)商采購(gòu)基本的傳感器，將它們和相關(guān)的電子器件一起封裝成模塊以便后續(xù)高級(jí)工藝使用，再提供給一級(jí)供應(yīng)商。一級(jí)供應(yīng)商使用保形涂料甚至是硅膠來(lái)保護(hù)接線和結(jié)合部，就像特別密封的模塊化住宅一樣。主要的“一級(jí)”供應(yīng)商，例如Visteon、Bosch和TRW都有他們自己偏好的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)這些模塊。
　　雖然使用多個(gè)、冗余的傳感器看起來(lái)是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)級(jí)解決方案，以便面對(duì)冗余性需求的挑戰(zhàn)，但通常不需要這么做。除了
顯而易見的成本上升外，更多的傳感器意味著有更多出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)典難題就是判斷信號(hào)鏈中的什么部分需要冗余來(lái)避免虛弱連接。如果兩個(gè)冗余的傳感器給出了不同的感應(yīng)結(jié)果，除非有一個(gè)結(jié)果完全超出了可能的范圍，否則系統(tǒng)該如何判斷是哪一個(gè)傳感器出了問題呢？
　　雖然如此，某些傳感器也可以使用二重結(jié)構(gòu)。Melexis公司推出了一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，將兩個(gè)一樣的模塊包含到一個(gè)封裝之中。這兩個(gè)模塊完全彼此獨(dú)立工作，并在電氣上相互隔離，使用不同的供電、接地和輸出連接；單一的封裝減小了整體的成本，但是沒有妨礙增加系統(tǒng)的可靠性。
　　另外一種方法是給元件增加更多的自我檢測(cè)機(jī)制，以便它可以執(zhí)行不同的自檢功能。例如，如果這個(gè)智能傳感器通過檢查自身的讀入數(shù)據(jù)、輸入/輸出、變化的速率或者其他因素，認(rèn)為自身出現(xiàn)了故障，就可以驅(qū)動(dòng)自己的輸出到一個(gè)特定的數(shù)值和安全模式。
　　最后，軟件和算法開發(fā)人員必須在代碼中智能地評(píng)估傳感器得到的數(shù)值，判斷哪些是有意義的哪些不是。就如Allegro公司的Doogue所說(shuō)，在傳送的過程中，你使用一個(gè)傳感器來(lái)獲得輸入軸的速度和方向，使用另一個(gè)傳感器來(lái)監(jiān)控輸出軸，“這個(gè)輸入/輸出對(duì)必須彼此關(guān)聯(lián)，否則一定是哪里出了問題，你可能得走回家去”。 Melexis 公司的Peter Riendeau則表示，傳感器元件提供商正在日益將板級(jí)解決方案封裝到IC當(dāng)中，“將處理器、驅(qū)動(dòng)電路、電子保護(hù)、總線接口甚至固件都裝在一個(gè)芯片內(nèi)”。

　　這是一個(gè)小小的世界，但也可能不是
　　
　　工業(yè)設(shè)計(jì)和制造的全球化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但并不絕對(duì)。許多傳感器相關(guān)的特征正在變得標(biāo)準(zhǔn)化而不管來(lái)自什么車輛，例如燃油電子控制和點(diǎn)火系統(tǒng)就是主要的樣例，但也有一些并不標(biāo)準(zhǔn)。
　　世界上同時(shí)存在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)了美國(guó)汽車市場(chǎng)超過90%的份額，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲更加強(qiáng)勢(shì)。[z4]為了增強(qiáng)美國(guó)市場(chǎng)的接受度，汽車制造商添加了更多的傳感器和控制器，提升柴油動(dòng)力車輛的起步與冷起步性能、發(fā)動(dòng)機(jī)的平滑性和整體駕乘感受。
　　自動(dòng)化傳動(dòng)在歐洲的普及率不如美國(guó)，因?yàn)樵谙M(fèi)者眼中，它的可靠性、油耗和成本都有待商榷。但是隨著這些相關(guān)指標(biāo)的改進(jìn)，這一概念在歐洲也正變得日益受到關(guān)注。這種情況是因?yàn)樘砑恿烁郊拥膫鞲衅?，能夠提供?shù)據(jù)給先進(jìn)的32位微處理器。

　　未來(lái)會(huì)怎樣？

　　對(duì)于車用傳感器而言，未來(lái)有兩個(gè)發(fā)展方向。設(shè)計(jì)人員可以在每一個(gè)縫隙和隱蔽處添加更多現(xiàn)有類型的傳感器，也可以考慮那些他們以前想要測(cè)量，但是限于沒有能符合嚴(yán)格技術(shù)要求或者強(qiáng)制成本因素的傳感器而未能實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域。在那些還沒有圓滿解決的領(lǐng)域中，就包括用于測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)后座的傳感器和算法，它常常和正常的振動(dòng)，特別是啟動(dòng)時(shí)候的瞬時(shí)狀態(tài)混淆起來(lái)。
　　汽車制造商也希望能夠測(cè)定旋轉(zhuǎn)部件，例如凸輪軸、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)軸的絕對(duì)位置，而不是相對(duì)位置。這種傳感能力在停步-起步的狀態(tài)下特別有用，因?yàn)楝F(xiàn)有的傳感器都是增量式的，在下一次經(jīng)過標(biāo)記點(diǎn)之前不可以重新同步。更好的凸輪軸感應(yīng)，例如絕對(duì)輸出，將會(huì)減小讀數(shù)的突然跳變，這個(gè)跳變無(wú)法使用軟件糾正。
　　更加有趣的是，F(xiàn)reescale公司的Hendry表示他們想要直接測(cè)量氣缸壓力，以便改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射和點(diǎn)火時(shí)間。這要求使用能夠忍受高溫和振動(dòng)的陶瓷部件。他也指出廠商希望可以測(cè)量傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵壓力，并且通過安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的加速計(jì)來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，這使得人們可以洞察發(fā)動(dòng)機(jī)爆震（點(diǎn)火之前）的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)并增大油耗。
　　另外一個(gè)改進(jìn)領(lǐng)域是感應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的扭矩，這個(gè)參數(shù)的測(cè)量在更大的在位（in-place）工業(yè)機(jī)械中也是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，汽車控制使用速度數(shù)據(jù)來(lái)間接地推算扭矩，但是我們希望使用更加直接和精確的解決方案。一個(gè)可能的解決方法是使用SAW（表面聲波，surface acoustic wave）設(shè)備、磁阻設(shè)備或者霍爾效應(yīng)傳感器，所有這些都必須在性能和成本之間進(jìn)行一定的折中，盡管通過正確的設(shè)計(jì)和安裝，他們都可以在嘈雜的環(huán)境中工作。
　　就是在現(xiàn)有的傳感器參數(shù)上，也存在提升的空間。自檢或稱自校驗(yàn)傳感器當(dāng)然會(huì)提高整體的可靠性，但在目前只有加速計(jì)具備完整的自檢功能，它可以對(duì)自己的校驗(yàn)集合進(jìn)行激勵(lì)并查看響應(yīng)。與此相對(duì)的是，普遍存在的壓力傳感器除了零點(diǎn)以外，都很難校準(zhǔn)和測(cè)試；溫度傳感器只能通過對(duì)它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行可信度評(píng)估來(lái)測(cè)試，而不能直接確認(rèn)。目前，冗余或者自校驗(yàn)傳感器僅僅被用于安全系統(tǒng)或者防鎖死剎車系統(tǒng)（antilock brake systems，ABS），沒有應(yīng)用在傳動(dòng)系統(tǒng)中。

　　【附文】
　　什么是霍爾效應(yīng)？
　　霍爾效應(yīng)在1879年被E.H. Hall發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果完全不同。當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。
　　雖然這個(gè)效應(yīng)多年前就已經(jīng)被大家知道并理解，但基于霍爾效應(yīng)的傳感器在材料工藝獲得重大進(jìn)展前并不實(shí)用，直到出現(xiàn)了高強(qiáng)度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。根據(jù)設(shè)計(jì)和配置的不同，霍爾效應(yīng)傳感器可以作為開/關(guān)傳感器或者線性傳感器。

　　【附文】
　　擺動(dòng)但不要翻轉(zhuǎn)
　　不管是被動(dòng)式還是主動(dòng)式的車輛底盤控制系統(tǒng)，都是傳感器密集的場(chǎng)所。被動(dòng)式控制是一個(gè)很成熟的體系，通過在設(shè)計(jì)中使用抑制控制、預(yù)緊式安全帶和氣囊，在事故發(fā)生后降低傷害?，F(xiàn)在許多新的主動(dòng)式系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，通過周密的狀況評(píng)估以及到底盤控制以及剎車系統(tǒng)的連接，用于預(yù)測(cè)危險(xiǎn)的情況，避免事故的發(fā)生。防鎖死剎車系統(tǒng)（antilock brake systems，ABS）已經(jīng)證明了這種主動(dòng)式系統(tǒng)的價(jià)值，也使公眾習(xí)慣了由電子系統(tǒng)接管車輛某些控制的觀念。iMEMS Inertial Sensors 公司的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理David Krakauer指出，穩(wěn)定性控制已經(jīng)在歐洲廣泛采用，但是“在美國(guó)，駕駛員非常不愿意放棄控制權(quán)”。
　　隨著低成本、精確的陀螺儀和加速計(jì)可以按照標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝提供，設(shè)計(jì)者可以將它們組合起來(lái)使用，配合上靈活的算法，可以獲得車輛的慣性數(shù)據(jù)。對(duì)于基本的翻轉(zhuǎn)保護(hù)器來(lái)說(shuō)，僅僅一個(gè)運(yùn)行在翻轉(zhuǎn)軸線上的翻轉(zhuǎn)感應(yīng)陀螺儀就足夠了，但也只是勉強(qiáng)夠。在陀螺儀以外添加加速計(jì)，算法可以發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的前兆，這些測(cè)定要求傳感器具有很高的精度。系統(tǒng)和算法必須能夠判定翻轉(zhuǎn)的前兆，例如轉(zhuǎn)向過度的時(shí)候車輛的后部會(huì)大幅擺動(dòng)，有可能引起翻轉(zhuǎn)。
　　在這些傳感器的配置和互聯(lián)中，安裝占了很主要的位置。碰撞檢測(cè)加速計(jì)安裝在車輛的外圍，監(jiān)測(cè)不同的碰撞角度。翻轉(zhuǎn)慣性傳感器——陀螺儀和加速計(jì)——可以安裝在一個(gè)包含其他電氣部件（例如氣囊系統(tǒng)的其他組件）的中央模塊中。通過傳感器對(duì)信號(hào)的數(shù)字化處理，以及一級(jí)提供商定義的總線格式，與分散的傳感器的互連越來(lái)越多地開始使用數(shù)字輸出。數(shù)字信號(hào)理所當(dāng)然地提供了更好的抗噪能力，并且在IC供電下降的時(shí)候也能維持信號(hào)的穩(wěn)定性，與此相對(duì)的模擬輸出信號(hào)在這種環(huán)境下的分辨率和SNR都很有限。
　　Krakauer指出，妨礙慣性傳感器成為汽車市場(chǎng)主流的最大問題，是一級(jí)提供商和OEM廠商更加偏愛傳統(tǒng)IC——使用標(biāo)準(zhǔn)的封裝，不需要校準(zhǔn)，不需要特別的處理，從傳送帶上一下來(lái)就可以直接放置到PCB上。他補(bǔ)充說(shuō)明，目前“他們需要對(duì)位置、安裝后的應(yīng)力以及溫度的校準(zhǔn)”。他指出在早先的日子里，“生產(chǎn)商會(huì)使用多個(gè)傳感器達(dá)到冗余，但是現(xiàn)在，主動(dòng)式控制要求具備[上電]自檢功能 ” 。通過組合傳感器的數(shù)據(jù)和更好的分析算法進(jìn)行準(zhǔn)合理測(cè)試是確保系統(tǒng)可靠有效的下一個(gè)步驟。
　　雖然有著這些挑戰(zhàn)，Analog Devices公司近日仍然宣布他們已經(jīng)銷售了超過2億個(gè)慣性傳感器，其中絕大多數(shù)用于汽車工業(yè)。Krakauer指出，“在未來(lái)幾年，車輛將會(huì)具備三維的陀螺傳感器，配合著三個(gè)低重力加速度的加速計(jì)，來(lái)進(jìn)行車輛翻轉(zhuǎn)和穩(wěn)定性控制，再加上一到三個(gè)高重力加速度的加速計(jì)來(lái)進(jìn)行不同角度的碰撞檢測(cè)”