詳細(xì)解析ESP中傳感器及接口技術(shù)的電路

ESP（電子穩(wěn)定程序）是汽車(chē)電控的一個(gè)標(biāo)志性發(fā)明。不同的研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)這一系統(tǒng)的命名不盡相同，如博世（BOSCH）公司早期稱(chēng)為汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制（VDC），現(xiàn)在博世、梅賽德—奔馳公司稱(chēng)為ESP；豐田公司稱(chēng)為汽車(chē)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）、汽車(chē)穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（VSA）或者汽車(chē)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）；寶馬公司稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（DSC）。盡管名稱(chēng)不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，如ABS和TCS的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橫向穩(wěn)定控制器，通過(guò)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(chē)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)模式，從而能夠在各種工況下提高汽車(chē)的動(dòng)力性能。

本文介紹的是ESP中傳感器以及接口技術(shù)的電路解析：

電路原理

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器接口

方向盤(pán)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(gè)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，如圖1所示。通過(guò)檢測(cè)2路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷為順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较颍?jù)此對(duì)信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)累計(jì)值，也即方向盤(pán)的絕對(duì)轉(zhuǎn)角，而轉(zhuǎn)角的變化率即角速度，則可通過(guò)信號(hào)頻率測(cè)出。另外，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器有一個(gè)零位輸出信號(hào)，當(dāng)方向盤(pán)在中間位置時(shí)，該信號(hào)輸出0V，否則輸出5V，通過(guò)該信號(hào)，可對(duì)絕對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

圖1 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器脈沖序列波形

C164CI 與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路如圖2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(shí)器3的兩個(gè)引腳（T3IN、T3EUD）作為正交脈沖的輸入，在正確設(shè)置相關(guān)寄存器后，定時(shí)器3的數(shù)據(jù)寄存器的值與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角成正比，故可方便的計(jì)算轉(zhuǎn)角，本文所使用的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器每一圈對(duì)應(yīng)44個(gè)脈沖，設(shè)定時(shí)器3的數(shù)據(jù)寄存器為T(mén)3，則絕對(duì)轉(zhuǎn)角為。

圖2 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器接口電路

進(jìn)行差分運(yùn)算，即可得到轉(zhuǎn)角變化速率。微控制器把計(jì)算得到的參數(shù)通過(guò)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(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)接口電路如圖3所示。

圖3 輪速傳感器接口電路

電路采用兩級(jí)濾波和整形，以保證輪速信號(hào)在極低轉(zhuǎn)速下不會(huì)丟失，同時(shí)避免因懸架振動(dòng)引起的信號(hào)干擾。圖中由電阻R2引入第一級(jí)遲滯比較，而使用74HC14引入第二級(jí)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(chē)顛簸造成的信號(hào)波動(dòng)特性一致，故封裝在同一模塊中。其硬件接口如圖4示，實(shí)現(xiàn)硬件模擬前置濾波，以抑制來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)中的高頻噪聲成分，防止在采樣過(guò)程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。

調(diào)整圖4中各個(gè)阻容元件的參數(shù)，即可設(shè)置濾波截止頻率和延時(shí)大小。汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，在較好路面上行駛時(shí)，由于信號(hào)較好，延時(shí)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(shè)計(jì)完畢，無(wú)法實(shí)時(shí)修改，故需要在軟件中設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)器、自適用濾波器等。在這里選用計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性能好的一階低通濾波。

圖4 橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器接口電路

本文討論了ESP系統(tǒng)中常用傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及信號(hào)特性，并設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號(hào)處理接口，其中包括硬件接口電路以及軟件處理方案。設(shè)計(jì)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(guò)CAN總線與ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較好的抗干擾性和可靠性。