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(yīng)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(yīng)變計的電阻隨應(yīng)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(shù)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(guān)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(dǎo)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(shù)原因在較低電源電壓下工作，而不是復(fù)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)該在其他汽車（機箱）和非汽車應(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(dǎo)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(yīng)用中找到了應(yīng)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(xué)應(yīng)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(luò)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(dǎo)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。