外溫傳感器檢測原理及濾波策略介紹

外溫傳感器一般為負(fù)系數(shù)熱敏電阻， 溫度越低電阻越大，傳感器部件的濾波策略需要硬件濾波、軟件平滑濾波及虛接時異常降溫濾波；車外溫度傳感器檢測范圍：（-40℃~86.5℃），采集精度：±1℃，車外溫度傳感器采集周期是10ms。

NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻工作原理

NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料， 采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因為在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10Ω～1000000Ω，溫度系數(shù)-2%～-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。。

電路原理圖

依據(jù)外溫傳感器在整車接線方式可分為兩種：外溫傳感器硬線接在空調(diào)控制器或空調(diào)面板和外溫傳感器接在FPBOX或其它設(shè)備，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將信號傳遞至空調(diào)控制器或者空調(diào)面板。

空調(diào)控制器硬線連接外溫傳感器，空調(diào)控制器負(fù)責(zé)外溫傳感器的信號采集，濾波，診斷，將濾波后的值通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡渌考?/p>

外溫傳感器硬線輸入，經(jīng)過一個 ESD 保護(hù)電容 C1，經(jīng)過上拉電阻 R1 形成分壓電路， AMB 點得到的電壓值， 經(jīng)過 RC 低通濾波電路(由 R2 和 C2 構(gòu)成)，過濾掉 5mV 的電壓抖動后進(jìn)入主芯片，由主芯片經(jīng)過 AD 采樣得到電壓值，進(jìn)而公式轉(zhuǎn)換得到外溫傳感器組織Ramb，經(jīng)過特性表（R/T）轉(zhuǎn)化為溫度值T。

濾波策略

傳感器部件的濾波策略需要硬件濾波、軟件濾波（限幅濾波、中位值濾波、算數(shù)平均濾波、遞推平均濾波、中位值平均濾波、限幅平均濾波、一階滯后濾波、加權(quán)遞推平均濾波、消抖濾波、限幅消抖濾波）及虛接時異常降溫濾波。

算數(shù)平均濾波

1、方法：

• ? 連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運算
• ? N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低
• ? N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高
• ? N值的選?。阂话懔髁浚琋=12；壓力：N=4

2、優(yōu)點：

• ? 適用于對一般具有隨機干擾的信號進(jìn)行濾波
• ? 這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動

3、缺點：

• ? 對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用
• ? 比較浪費RAM

#define N 12
char filter()
{
    int sum = 0;
    for(count = 0; count < N; count++)
    {
        sum += get_ad();
    } 
    return (char)(sum/N);
}

遞推平均濾波

1、方法：

• ? 把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列
• ? 隊列的長度固定為N
• ? 每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù).(先進(jìn)先出原則)
• ? 把隊列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運算，就可獲得新的濾波結(jié)果
• ? N值的選?。毫髁?，N=12；壓力：N=4；液面，N=4 ~ 12；溫度，N=1 ~ 4

2、優(yōu)點：

• ? 對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高
• ? 適用于高頻振蕩的系統(tǒng)

3、缺點：

• ? 靈敏度低
• ? 對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差
• ? 不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差
• ? 不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合
• ? 比較浪費RAM

/* A值根據(jù)實際調(diào)，Value有效值，new_Value當(dāng)前采樣值，程序返回有效的實際值 */
#define A 10
char Value;
char filter()
{
    char new_Value;
    new_Value = get_ad(); // 獲取采樣值
    if( abs(new_Value - Value) > A)   
        return Value;     // abs()取絕對值函數(shù)
    return new_Value;
}

1、 硬件濾波 ：硬件濾波是通過硬件電路， 濾掉 5mV 的電壓抖動，使采樣電壓平滑。（R2和C2組成的RC電路實現(xiàn)）

2、 軟件平滑濾波：軟件采集到外溫信號后，為確保外溫值平滑，采用均值濾波策略，一般為 4 次（TBD）有效信號求平均的方式進(jìn)行平滑濾波。

初始化賦值策略

空調(diào)控制器在首次上電、 熱插拔、 休眠之后喚醒、 Reset 時進(jìn)行初始化賦值， 在賦值基礎(chǔ)上進(jìn)行升溫或降溫邏輯策略。初始化賦值考慮因素：停車時間和室外溫度有效值。

a) 環(huán)境溫度值在下電時保存在EEPROM中(記憶值)

b) 若車外環(huán)境溫度傳感器讀數(shù)比記憶值低，車外環(huán)境溫度初始值更新為讀數(shù)值；

c) 若車外環(huán)境溫度傳感器讀數(shù)比記憶值高，如下電時間＜1min，車外環(huán)境溫度初始值保持為記憶值，如下電時間≥1min，車外環(huán)境溫度初始值更新為讀數(shù)值；

外溫傳感器賦值完成后， 先將外溫信號存儲在軟件內(nèi)部， 在網(wǎng)絡(luò)管理滿足后周期性外發(fā)。針對AUTOSAR 網(wǎng)絡(luò)管理在 Normal Operation State 或 Ready Sleep State 狀態(tài)下；針對 OSEK 網(wǎng)絡(luò)管理在 normal 狀態(tài)下；針對間接網(wǎng)絡(luò)管理在 KL15 有效狀態(tài)下：a、 外溫賦值完成后，將響應(yīng)的外溫值及外溫狀態(tài)發(fā)出；b、外溫賦值未完成，將外溫值信號發(fā) FE 及外溫狀態(tài)發(fā)出 normal。其他網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)外溫信號周期性發(fā)送時， 外溫信號發(fā)送 FE， 外溫狀態(tài)信號發(fā) normal。

外溫值更新策略（僅供參考）：

若車外環(huán)境溫度傳感器本次讀數(shù)比舊值下降，則降溫校準(zhǔn)速度為0.5℃/1S ；若本次環(huán)境溫度讀數(shù)大于5℃時，則升溫校準(zhǔn)速度為0.3℃/1000s，當(dāng)車速＞15km/h，且持續(xù)5s以上時，升溫加速，速度為1℃/15s；車外環(huán)境溫度本次讀數(shù)小于5℃時，升溫校準(zhǔn)速度為0.5℃/1S。

升溫策略：

低速更新策略當(dāng)空調(diào)控制器檢測到外溫值升高時， 如果此時車速小于 15km/h（TBD），則外溫值不會更新；

中速更新策略當(dāng)車速大于 15km/h（TBD），空調(diào)控制器內(nèi)部啟動中速外溫升溫計時器，計時器到達(dá)一定時間（TBD）后以定速率（TBD）執(zhí)行升溫策略，當(dāng)車速低于 15km/h（TBD），時計數(shù)器清零；

高速更新策略當(dāng)車速大于 40km/h（TBD），空調(diào)控制器內(nèi)部啟動高速外溫升溫計算器，計時器到達(dá)一定時間（TBD）后以定速率（TBD）執(zhí)行升溫策略，當(dāng)車速低于 40km/h（TBD），時計數(shù)器清零；

降溫策略不需關(guān)聯(lián)車速， 當(dāng)空調(diào)控制器檢測到外溫值降低時，若檢測到的值比當(dāng)前值低，但在 5℃范圍內(nèi)， 執(zhí)行降溫策略， 若檢測到是值比當(dāng)前值低，且超多 5℃時， 執(zhí)行異常降溫濾波策略。【若 0＜當(dāng)前值 （假定 16℃） -檢測值（假定 14℃）＜5 時，執(zhí)行降溫策略，若當(dāng)前值（假定 16℃） -檢測值（假定10℃）≥5℃時執(zhí)行異常降溫濾波策略?！?/strong> 在向 CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送有效的外溫信號狀態(tài)下， 可以恒速或變速進(jìn)行降溫更新， 但不能檢測到溫度低后進(jìn)行突變更新。在向 CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無效外溫信號的狀態(tài)下，外溫濾波后的值不應(yīng)更新。

異常降溫濾波策略 ：采集到的當(dāng)前值與之前的值比較， 如果當(dāng)前值比之前的值小， 且差值大于 5℃，啟動異常降溫計時器。當(dāng)持續(xù)時間大于 2 秒時， 確認(rèn)此溫度降低值有效，當(dāng)持續(xù)時間小于 2 秒時，認(rèn)為此值無效。計時器啟用過程中， 異常值不能參與外溫平滑濾波的計算。當(dāng)差值小于 5℃或判定外溫值有效后計時器停止，有效信號參與平滑濾波策略中。

除了選擇合適的濾波算法外，還可以采取多種措施來提高空調(diào)外溫傳感器的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，包括以下幾點：

1. 1. 定期校準(zhǔn)傳感器：定期校準(zhǔn)傳感器可以減少測量誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。
2. 2. 優(yōu)化傳感器的布置位置：傳感器的布置位置應(yīng)避免直接受到太陽光照射或其他外界干擾的影響，可以通過合理的位置布置來減少測量誤差。
3. 3. 采用多個傳感器進(jìn)行測量：通過在空調(diào)系統(tǒng)中布置多個外溫傳感器，可以有效減少單個傳感器的誤差影響，提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
4. 4. 采用溫度補償算法：在空調(diào)系統(tǒng)中，除外溫傳感器外，還有室內(nèi)溫度傳感器等其它溫度傳感器。利用多個溫度傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補償算法，可以進(jìn)一步提高傳感器的測量準(zhǔn)確性。

總之，選用合適的濾波算法和采取多種措施來提高傳感器的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以在空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)一步優(yōu)化溫度控制，從而提升系統(tǒng)的性能和能效。

補充說明：

（1）無反饋值限幅濾波的方法

（2）有反饋值的限幅濾波算法

（上次值+下降幅度）<本次值<(上次值-上升限幅) ，則本次值有效，否則輸出（上次值+下降幅度）或(上次值-上升限幅)

（3）一階濾波

濾波結(jié)果=a本次采樣值+（1-a）上次濾波結(jié)果，其中，a為0~1之間的數(shù)