如何在汽车设计中将传感器连接有线网络

通过车辆使用各种传感器，从温度和触摸传感器到加速度计和陀螺仪。本文着眼于在具有扩展温度范围和更高电压保护的汽车设计中将传感器连接到有线网络（如LIN，CAN和以太网）的问题。

现代汽车网络将不同应用的协议组合使用。越来越多地使用车辆周围的传感器用于各种应用 - 从用于摄像机的图像传感器到用于加热和乘客识别的温度传感器 - 意味着不同的传感器必须连接到不同的网络。

本地互连网络（LIN）主要用于主体电子设备中的低成本应用，其中数据速率通常为10至20 kbit/s，而控制器区域网络（CAN）则用于主流动力传动系统和车身通信，最高可达10 Mbit/s。 FlexRay总线用于高级系统（如主动悬架）中的高速同步数据通信。一些车辆设计人员使用MOST总线来承载50至100 Mbit/s的音频甚至视频的高性能网络，尽管车内也有100 Mbit/s的以太网网络用于传输这些数据。

传感器测量的关键参数是温度，因为它可以以多种不同的方式用于提供重要信息。即使对于相同类型的传感器，数据的使用方式也需要不同的总线接口。例如，Melexis MLX90620等红外温度传感器可用作汽车空调控制系统中的“热舒适”传感器，但也可用于乘客分类甚至盲角检测。所有这些应用都将与具有不同设计要求的车辆中的不同有线网络连接。

当车厢内的湿度较高且前挡风玻璃的温度较低时，水蒸气会凝结在玻璃上，导致驾驶员视线模糊。 HVAC系统可以通过在挡风玻璃上吹干热空气来避免这种冷凝。为此，系统必须能够检测冷凝，甚至更好地预测冷凝。这可以使用红外温度计，湿度传感器和外部温度计来完成。

图1：在车辆内部使用IR温度传感器阵列。

传感器还可用于确定座椅中是否有乘客，启用或禁用安全气囊。红外传感器甚至可用于盲点检测。一个系统使用被动红外传感器来感测从移动车辆的轮胎辐射的热能。该温度差用于触发闪烁的红灯以警告驾驶员危险。

图2：红外温度传感器甚至可用于避免驾驶员出现盲点问题。

红外温度传感被用作测量体温的更准确和更具成本效益的替代方案。 IR模块不是测量空气样本，而是直接测量体温。其数字传感器接口还避免了可靠性和设计复杂性问题。

小尺寸，低成本的16 x 4像素红外阵列易于与行业标准的四引脚TO-39封装集成。工厂校准的红外温度测量参数存储在EEPROM中，器件可以4 Hz刷新率提供0.25K rms的噪声等效温差（NETD）。它采用2.6 V电源供电，工作温度范围为-40至85°C。

它在一个封装中包含两个芯片：带信号调理电子元件的MLX90670红外阵列和24AA02（256 x 8 EEPROM）芯片。 MLX90620包含64个红外像素，具有专用的低噪声斩波稳定放大器和快速ADC集成。集成了绝对温度传感器（PTAT），用于测量芯片的环境温度。 IR和PTAT传感器的输出存储在内部RAM中，可通过I²C访问。

红外传感器测量结果存储在RAM中，每个传感器（64个字）的红外测量结果为16位，PTAT传感器的结果为16位。根据应用，外部微控制器可以读取不同的RAM数据，并根据存储在EEPROM存储器中的校准数据，补偿传感器之间的差异，以建立热图像，或计算成像场景的每个点的温度。这些常数可由用户微控制器通过I²C总线访问，并且必须用于热数据的外部后处理。结果是在1Hz刷新率下NETD优于0.08K rms的图像。

阵列的刷新率可通过寄存器设置或直接通过I²C命令进行编程。刷新率的变化对积分时间和噪声带宽有直接影响，因为更快的刷新率意味着更高的噪声水平，因此帧速率可在0.5 Hz至12 Hz的范围内编程，并且可以更改以实现所需的交易在速度和准确度之间。 MLX90620需要一个3 V电源（±0.6 V），尽管该器件已经过校准，在VDD = 2.6 V时表现最佳。

图3：评估板上的Melexis MLX90620 IR温度传感器。

对于应用设计人员而言，了解当传感器封装中没有温差时，温度测量的准确性对热平衡条件非常敏感，这一点非常重要。温度计的精度会受到包装内温度差异的影响，例如传感器后面的热电子元件，传感器后面或旁边的加热器/冷却器，或者非常接近传感器的热/冷物体，不仅会加热温度计中的传感元件以及温度计包装。

这种效果尤其适用于具有小FOV的温度计，因为传感器从物体接收的能量减少了。 IR传感器固有地容易受到由热梯度引起的误差的影响。这些现象有物理原因，尽管MLX90620经过精心设计，但建议不要让设备受热传导，特别是瞬态条件。

I²C上的电容负载会降低通信质量。通过在上拉电路中使用电流源而不是电阻器可以实现一些改进，并且使用专用总线加速器可以进一步改进。使用MLX90620，可以通过增加上拉电流（降低上拉电阻值）来实现额外的改进。 I²C兼容模式的输入电平具有比I²C规范更高的总容差，但即使上拉电流具有高功率I²C规范，输出低电平也相当低。另一个选择可能是进行较慢的通信（时钟速度），因为MLX90620在I²C兼容模式下在其输入上实现施密特触发器。因此，它对总线的上升时间并不是非常敏感（由于I²C系统具有上拉开路，因此上升时间比下降时间更容易成为问题）。这种较慢的时钟频率意味着LIN总线是将温度传感器连接到电子控制单元的理想方式。

LIN/SAE J2602是一种基于通用异步接收器 - 发送器（UART）的单主机，多从站网络架构，最初是为汽车传感器和执行器网络应用而开发的，为连接电机提供了经济高效的网络选择，车辆中的开关，传感器和灯。 LIN主节点通过将LIN与更高级别的网络（例如CAN）连接，将车载网络的通信优势一直扩展到各个传感器和执行器。

LIN总线的开发旨在为汽车网络中的低成本，低端多路复用通信创建标准。虽然CAN总线满足了对高带宽，高级错误处理网络的需求，但CAN实现的硬件和软件成本已经变得对于诸如传感器之类的低性能设备而言已经过高。 LIN在不需要CAN带宽和多功能性的应用中提供经济高效的通信。 LIN可以使用嵌入大多数现代低成本8位微控制器（如Microchip PIC18）的标准串行通用异步接收器/发送器（UART）轻松实现，尽管还有专用的LIN接口器件。

LIN总线使用主/从方法，包括LIN主设备和一个或多个LIN从设备。消息头包括用于标识帧起始的中断和从节点用于时钟同步的同步字段。标识符（ID）由6比特消息ID和2比特奇偶校验字段组成，ID表示特定消息地址但不表示目的地。在接收和解释ID时，一个从设备开始消息响应，该响应由一到八个字节的数据和一个8位校验和组成。

主控制消息帧的排序，它在计划中得到修复。这可以根据需要进行更改。 LIN标准有多个版本。 1.3版完成了字节层通信。版本2.0和2.1添加了更多的消息传递规范和服务，但在字节级别与LIN 1.3兼容。

飞思卡尔半导体的8引脚MC33662是物理层组件，专用于LIN协议规范1.3，2.0，2.1和SAEJ2602-2的汽车LIN子总线应用。部件号选择定义了操作波特率（对于20 kB/s为33662L或33662S，对于10 kB/s网络为33662J）。两者均集成了快速波特率（10 kB/s），用于测试和编程模式，并提供电磁兼容性（EMC）和辐射发射性能，静电放电（ESD）稳健性以及TXD对地短路时的安全行为在汽车设计中。

图4：将飞思卡尔的MC33662接口连接到LIN网络。

MC33662采用7.0至18 V DC电源供电，工作电压高达27 V DC，在负载突降期间可处理40 V电压，因此可直接从车辆电源轨供电，但支持5.0 V和3.3 V兼容数字输入，无需任何外部元件; RXD引脚报告本地和远程唤醒功能。

LIN驱动器是低侧MOSFET，具有内部过流热关断功能。集成了具有串联二极管结构的内部上拉电阻，因此从节点中的应用不需要外部上拉组件。一旦器件进入正常模式，LIN发送器将能够发送第一个显性位，接收器将被使能。

同样，Melexis TH8080是一种用于单线数据链路的物理层设备，能够在不需要高数据速率的应用中运行，较低的数据速率可以降低物理介质组件和微处理器的成本使用网络。

由于TH8080在隐性状态下的电流消耗非常低，因此适用于具有硬待机电流要求的ECU应用，因此不需要微处理器的睡眠/唤醒控制。

图5：控制Melexis TH8080 LIN接口收发器。

收发器由具有压摆率控制，电流限制的总线驱动器和接收器中的高压比较器以及去抖动单元组成。隐性总线电平由集成的30kΩ上拉电阻与二极管串联产生。该二极管可在VS和BUS之间的差分电压（VBUS》 VS）期间防止VBUS的反向电流。在LIN从节点中使用TH8080不需要额外的终端电阻。如果该IC用于LIN主节点，则必须通过外部1kΩ电阻与一个二极管连接到VBAT来终止BUS引脚。

对于更高级别的集成，STMicroelectronics的SPC560P44等设备将FlexRay，CAN和LIN控制器整合在一个芯片中，该芯片可用作具有灵活交叉开关和模拟的PowerPC内核的多功能集线器 - 数字转换器块。这也可以作为ECU设备集成来自LIN和CAN上的多个传感器的数据。

图6：SPC560P44在单个器件中集成了CAN，LIN和FlexRay接口。

FlexCAN接口块用作实现CAN协议的通信控制器，符合博世规范2.0B版。 CAN协议主要用作车辆串行数据总线，满足该领域的特定要求：实时处理，车辆EMI环境中的可靠运行，成本效益和所需带宽，支持32个消息缓冲区。第二个CAN控制器以高比特率运行，用作安全端口。安全端口CAN模块使用CAN模块之间的直接连接，在60 MHz CPU时钟提供高达7.5 Mbit/s的比特率，因此无需物理收发器。

LIN网络更适合传感器的需求。 SPC560P44中的LINflex接口充当主机或从机，可以在CPU负载最小的情况下有效管理大量LIN协议消息，支持通常为10或20 Kbit/s的数据速率。如果有数字输出，可以通过ADC或UART轻松连接传感器。

结论

对于许多更简单的传感器，LIN接口是将数据传输回电子控制单元的最有效方式。在汽车周围添加更多传感器正在开辟新的应用并更多地使用LIN总线，无论是单独的收发器还是传感器集线器。结果