高级驾驶辅助系统之传感器及其接口电路设计

　　ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序）是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世（BOSCH）公司早期称为汽车动力学控制（VDC），现在博世、梅赛德—奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统（VSC）、汽车稳定性辅助系统（VSA）或者汽车电子稳定控制系统（ESC）；宝马公司称为动力学稳定控制系统（DSC）。尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。

　　ESP常用传感器接口设计

　　方向盘转角传感器信号经微控制器处理后，通过CAN总线发送给ECU；横摆角速度传感器、纵向/横向传感器由于信号特点和安装位置类似，故设计在同一个模块内；由于ESP对轮速传感器信号的实时性要求较高，故经过信号调理后，直接送入ECU。需要微处理器对信号进行处理并通过CAN总线传送数据，本文选用Infineon公司的SAK-C164CI。该芯片是专为汽车应用而设计，内置AD转换器、输入信号捕捉、正交解码器，运算速度快，非常适合ESP的传感器信号处理。

　　方向盘转角传感器接口

　　方向盘转角传感器的输出为正交编码脉冲。正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，通过检测2路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针方向，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的绝对转角，而转角的变化率即角速度，则可通过信号频率测出。另外，方向盘转角传感器有一个零位输出信号，当方向盘在中间位置时，该信号输出0V，否则输出5V，通过该信号，可对绝对转角进行在线校准。

　　C164CI 与方向盘转角传感器的接口电路如图6所示。片内内置增量编码的正交解码器，该解码器使用定时器3的两个引脚（T3IN、T3EUD）作为正交脉冲的输入，在正确设置相关寄存器后，定时器3的数据寄存器的值与方向盘转角成正比，故可方便的计算转角，本文所使用的方向盘转角传感器每一圈对应44个脉冲，设定时器3的数据寄存器为T3，则绝对转角为。

　　

　　进行差分运算，即可得到转角变化速率。微控制器把计算得到的参数通过CAN发送给ECU。

　　轮速传感器接口

　　根据前面部分介绍的轮速传感器信号特点，设计接口电路如图7所示。

　　

　　电路采用两级滤波和整形，以保证轮速信号在极低转速下不会丢失，同时避免因悬架振动引起的信号干扰。图中由电阻R2引入第一级迟滞比较，而使用74HC14引入第二级迟滞比较。

　　横摆角速度、纵向/横向加速度传感器

　　横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的安装位置基本相同，输出都是0V-5V的模拟量，由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致，故封装在同一模块中。其硬件接口如图8所示，实现硬件模拟前置滤波，以抑制来自传感器的模拟信号中的高频噪声成分，防止在采样过程中出现混叠现象。运放使用满摆幅输出的 LMX324。

　　调整图8中各个阻容元件的参数，即可设置滤波截止频率和延时大小。汽车运行过程中，在较好路面上行驶时，由于信号较好，延时尽量要小，而在颠簸路面上行驶，则希望滤波效果要好。但是由于硬件滤波的频率特性一经设计完毕，无法实时修改，故需要在软件中设计数字滤波环节。数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用滤波器等。在这里选用计算量小、实时性能好的一阶低通滤波。

　　

　　本文讨论了ESP系统中常用传感器的结构特点及信号特性，并设计了各个传感器的信号处理接口，其中包括硬件接口电路以及软件处理方案。设计了包含横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的集成模块，通过CAN总线与ECU进行数据传输，具有较好的抗干扰性和可靠性。