兩種現(xiàn)代傳感器協(xié)議解決汽車行業(yè)的通信問題

當傳感器距離MCU一定距離時，通信成為一個問題。汽車行業(yè)開發(fā)的兩種現(xiàn)代傳感器協(xié)議解決了這些問題并更好地利用了新的傳感器IC拓撲結(jié)構(gòu)。自傳感器早期以來，報告?zhèn)鞲衅?a target="_blank">信號的問題一直存在。實際上，如果無法顯示，傳達或共享信息，則無法檢測參數(shù)。

最初，信號的機械和局部報告或多或少。例如，波登壓力計（壓力計）通過連接到管子的移動箭頭直接報告測量的壓力，并指向附在框架上的刻度。水銀溫度計通過水銀柱的長度報告檢測到的溫度。但是，為了遠程處理信息或在閉環(huán)系統(tǒng)（傳感器和控制）中使用傳感器，必須獲得感應電信號形式的信息。從這個角度來看，在前面提到的壓力表中增加了一個機電轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)帶或不帶局部信號調(diào)節(jié)的真實傳感器。

其他類型的傳感器具有可以直接電加工的輸出。例如，熱敏電阻是電阻隨溫度變化的電阻。由于施加的壓力，壓阻式應變計的電阻隨應變而變化。這些可變電阻器被引入惠斯通電橋中，提供通常在進一步傳輸之前進行局部調(diào)節(jié)的電壓。用作角位置傳感器或可變磁阻磁傳感器的旋轉(zhuǎn)電位計（電阻分壓器）用作旋轉(zhuǎn)速度傳感器，直接傳輸輸出電壓而無需特定的信號調(diào)節(jié)。

直到最近，由于其性質(zhì)在傳感元件和信號調(diào)節(jié)技術中，報告的信號是模擬電壓，通常（但不總是）與施加到傳感器的實際電源電壓成比例。這對于帶有或不帶信號調(diào)理的分立式傳感器以及集成有源傳感器都是有效的。自20世紀90年代中期以來，該行業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向數(shù)字通信，以及智能CMOS傳感IC的出現(xiàn) - 芯片數(shù)字信號處理加速了這種遷移。本文介紹了從最初的步驟和動機到最新進展的轉(zhuǎn)變，重點是獨立傳感器和控制單元之間的點對點通信。

模擬輸出協(xié)議

鑒于內(nèi)在性質(zhì)在傳感元件和相關的模擬信號調(diào)理電路中，模擬輸出電壓已被用作傳感器和電子控制單元（ECU）之間的初始和最邏輯的報告方法，其中信號與其他數(shù)據(jù)組合以進行進一步處理。 br》

圖1：點對點通信傳感器ECU的模擬輸出。

如圖1所示，模擬輸出通過ADC在ECU側(cè)轉(zhuǎn)換使用相同的源偏置，為傳感器提供電源電壓。這就是模擬輸出電壓的比例要求的原因。也就是說，對于給定的傳感器信號，例如壓力或位置，輸出電壓VOUT與電源電壓VDD成比例，因此VOUT/VDD =恒定。這樣，輸出電平以VDD百分比表示，電源電壓變化不會影響ADC之外的數(shù)字化信號。電氣編碼信號，例如電流環(huán)4至20 mA（絕對值），可視為模擬輸出電壓概念的擴展。

數(shù)字輸出協(xié)議 - 脈沖寬度調(diào)制

最簡單的移動單條信號線上的模擬輸出到數(shù)字輸出是將模擬電平轉(zhuǎn)換為給定頻率和占空比的數(shù)字信號，其中

與傳感器信號成比例（見圖2）。

圖2：PWM占空比定義。

編碼通常通過比較模擬信號和所需頻率的參考鋸齒信號來完成（見圖3）。解碼在ECU側(cè)通過定時器I/O完成。

圖3：用于點對點通信傳感器ECU的PWM。

物理層是數(shù)字驅(qū)動器，低側(cè)（開漏），高側(cè)（開漏）或推挽式。后者對于更好的EMC，尤其是傳導和輻射發(fā)射以及抖動/噪聲性能是優(yōu)選的。高側(cè)/低側(cè)驅(qū)動器方案需要在下降沿或上升沿進行斜率控制以獲得最佳性能。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號通常獨立于電源電壓，因此，此協(xié)議在操作時是首選必須保證在很大的電源電壓范圍內(nèi)。 PWM也適用于雙線接口，其中低和高數(shù)字電平被編碼為電源電流的變化（IDD_LO和IDD_HI），并且可以僅使用電源和接地連接與ECU共享信息。

備用數(shù)字輸出協(xié)議 - 動機

盡管PWM的普及，但由于傳統(tǒng)和兼容性原因，模擬協(xié)議仍然非常流行。然而，現(xiàn)代智能傳感器（見圖4）通常具有DSP內(nèi)核，由于技術原因在較低電源電壓下工作，而不是復雜的模擬信號處理（ASP）電路。因此，通過DAC和緩沖器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬域，在這些傳感器上獲得比率模擬輸出電壓。數(shù)字界面絕對更自然。此外，采用最先進微控制器的現(xiàn)代ECU也可以通過遠程傳感器的直接數(shù)字接口而不是通過ADC獲益。

圖4：現(xiàn)代點對點通信傳感器ECU的備用數(shù)字輸出。通過實現(xiàn)數(shù)字計數(shù)器和數(shù)字比較器，可以按照圖4中提到的拓撲結(jié)構(gòu)輕松實現(xiàn)PWM。然而，PWM具有一些限制，這些限制對于許多應用來說是不再可接受的，尤其是在稍高速度下的真實分辨率。相反，1 kHz的10位通常被認為是一個現(xiàn)實的規(guī)范。超過1 kHz，分辨率迅速下降。此外，PWM協(xié)議在報告診斷或狀態(tài)信息方面非常有限。

為了反映新的傳感器IC拓撲結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)在數(shù)據(jù)內(nèi)容，分辨率，響應時間，延遲時間，準確度和診斷方面的需求，新協(xié)議用于傳感器之間的點對點通信，并且已經(jīng)開發(fā)出ECU。在這種背景下，汽車世界采用了SENT和PSI-5。

數(shù)字輸出協(xié)議 - 單邊半字節(jié)傳輸

單邊半字節(jié)傳輸（SENT）協(xié)議由通用汽車動力總成部門和幾個然后由汽車電子學會的工作組根據(jù)參考J2716開發(fā)。

如前所述，SENT協(xié)議試圖使各種類型的遠程傳感器之間的接口現(xiàn)代化和標準化，例如位置，壓力，質(zhì)量氣流和溫度，以及發(fā)動機管理系統(tǒng)ECU。

SENT協(xié)議（見圖5）實際上可以視為增強型PWM。實際上，電報由八個半字節(jié)（1個半字節(jié)= 4個比特）組成，它們以PWM方式進行時間編碼（即不進行占空比）。在報文開始時生成第一個脈沖（同步）作為后續(xù)半字節(jié)的時間參考。

圖5：SENT報文定義。

最長的消息小于1毫秒并傳輸32位，其中最多24位（六個半字節(jié)）專用于數(shù)據(jù)（半字節(jié)＃2 。..＃7）。剩余的兩個半字節(jié)被分配用于報告狀態(tài)和通信（半字節(jié)＃1）和CRC（校驗和 - 半字節(jié)＃8）。

24位數(shù)據(jù)可用于報告2×12位信息，例如兩個位置，位置和速度，壓力和溫度，位置和時間戳。狀態(tài)半字節(jié)可用于報告診斷信息并有助于改善整個系統(tǒng)的安全性。為了進一步增加傳感器和ECU之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，可以使用狀態(tài)和通信半字節(jié)以較低的速度報告分布在多個連續(xù)電報上的串行消息。

SENT協(xié)議是首先用于動力總成應用，例如位置傳感器和壓力傳感器，但它也用于轉(zhuǎn)向傳感器（轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向扭矩）。它應該在其他汽車（機箱）和非汽車應用中變得流行。

已經(jīng)提出了一些SENT協(xié)議的衍生物，例如短PWM代碼，它類似于SENT但允許同步機制和更短的傳輸時間，由于實際報告的半字節(jié)數(shù)量的靈活性。

數(shù)字輸出協(xié)議 - 外圍傳感器接口

外圍傳感器接口PSI-5是PAS-4（PANAMSAT 4）的后續(xù)產(chǎn)品在安全應用方面已有十多年的歷史，例如安全氣囊系統(tǒng)的加速計傳感器。 PSI-5概念的許多方面，例如堅固性和可靠性，已在該領域得到成功驗證。 PSI-5由Autoliv，Bosch和Continental推動。

圖6：PSI-5雙線數(shù)字接口傳感器ECU。

PSI-5的物理層（見圖6）是雙線接口。位模式在IC吸收的標稱電源電流的頂部以電流脈沖傳輸（見圖7）。這使得PSI-5在傳導和輻射發(fā)射的EMC方面具有明顯的優(yōu)勢。此外，數(shù)據(jù)速率可以達到250 K位/秒，延遲時間短。

圖7：PSI-5電報定義。

最后但不是至少，PSI-5非常靈活，它指定了同步和異步模式以及多個多從總線架構(gòu)。 PSI-5也可以實現(xiàn)為雙向接口。

實現(xiàn)開銷有限但通常需要專用的接收器IC來轉(zhuǎn)換信號輸入電壓并解碼內(nèi)容。

低級別（IDD_LO）表示通過傳感器的正常（靜態(tài)）電流消耗。通過傳感器的增加的電流吸收（ΔIDD）產(chǎn)生高電平（IDD_HI）。在接收器內(nèi)檢測電流調(diào)制。

曼徹斯特編碼用于數(shù)據(jù)傳輸。邏輯“0”由上升斜率表示，邏輯“1”由TBIT中間的電源電流IDD的下降斜率表示。

對于10位數(shù)據(jù)，基本電報通常為13位長（D0- D9）+ 2起始位（S1-S2）+ 1奇偶校驗位（P-偶校驗）。但是，可以使用兩個連續(xù)的消息來傳輸16位數(shù)據(jù)。這可以通過診斷信息和糾錯信息進一步擴展。

PSI-5已經(jīng)在安全和轉(zhuǎn)向應用中找到了應用，例如，控制轉(zhuǎn)向扭矩。目前正在開發(fā)一個專注于車輛動力學應用的子標準。

其他數(shù)字輸出協(xié)議

其他數(shù)字協(xié)議可用，但不適用于傳感器和ECU之間的點對點通信。 》 SPI總線通常用于嵌入式系統(tǒng)，其中傳感器直接向位于相同模塊或系統(tǒng)中的微距離的微控制器報告。三個或四個必要的連接是PCB軌道，這是SPI通信可接受的。對于遠程獨立傳感器，由于成本和穩(wěn)健性原因，SPI不可接受。

CAN，LIN或I2C等總線協(xié)議本質(zhì)上是為網(wǎng)絡而非點對點通信而開發(fā)的。實施開銷不可忽略，特別是對于CAN。

結(jié)論

遠程傳感器和ECU之間的模擬通信最終會失效。隨著傳感器和控制單元的現(xiàn)代化，數(shù)字時代將很快占據(jù)主導地位。但是，這只會由于具有豐富數(shù)據(jù)和診斷內(nèi)容的強大而可靠的協(xié)議（例如SENT和PSI-5）而發(fā)生。