自診斷傳感器模塊提升汽車網絡效率

目前實現上述功能需要20～50個電子控制單元(ECU)，所用到的傳感器差不多有70～150個。這些傳感器負責測量的環(huán)境數據范圍很廣，有壓力、溫度、流量、速度、加速度以及角度等。它們將測量值送到ECU進行引擎和環(huán)境控制、安全氣囊觸發(fā)，從而提升舒適度和安全性。像ABS、電子穩(wěn)定程序/控制(ESP/ESC)，以及剎車輔助系統等，都要依賴傳感器輸入。

在這些應用中，各種系統的自診斷能力正變得日益重要。例如，如果有可能直接在傳感元件中檢測到傳感器的缺陷，ECU就能夠獲得可靠數據從而做出正確決策。對于那些與安全息息相關的系統來說，系統禁用和應急啟動都相當重要。

圖1：如今汽車內的電子元器件價值已占到總車的15-20%。

圖2: 在現代車輛中，常常需要10到20條不同的數據總線將不同的裝配連接到一起。

作為網絡應用的汽車電子

一份有關汽車電子控制系統的分析報告顯示，這些裝配的復雜度呈現指數上升。簡單的電子控制和調節(jié)裝備已經被更為復雜的IT系統取代。在這其中，除了實際硬件外，軟件以及ECU間的雙向通信已成為一個新的關注點。

例如，可能會通過診斷用CAN總線來訪問每個單獨的ECU、詢問其狀態(tài)、讀取錯誤代碼，甚至刷新程序固件。如今，出于成本考慮，許多應用中常常會共享傳感器。這意味著一個傳感器模塊的測量值將被幾個ECU處理。

車輛中的大量應用已然轉變成了網絡應用。以往的常見架構(即一個ECU實現一個應用)已經被多個ECU共享的網絡功能所取代。

圖3：后備箱蓋功能樹。

圖3是一個后備箱蓋的功能樹。在這里，打開后備箱實際上需要激活兩個ECU。其余的ECU用來執(zhí)行顯示和控制功能。

任何錯誤都會導致系統故障。打開后備箱蓋這個動作可能出現的錯誤模式有6個。應該是某個錯誤使得傳感器故障，這可能會在ECU的故障存儲器中產生十幾個不同的輸入。從這些錯誤代碼的分布來看，有必要獲取比以往更為詳細的傳感器診斷信息。

汽車傳感器目前所用的通信協議仍然是模擬輸出。這是典型的點對點連接——即一個傳感器與一個ECU連接，并以電壓作為其輸出信號。盡管已經進行了一些改善，例如提高分辨率，或增加診斷范圍(LDR, UDR，見圖4)，但模擬輸出仍然是90年代至今該技術的核心。

圖4:

模擬輸出只允許進行信號范圍內(如10-90%)的傳感器信號傳輸，并通過開關將低診斷范圍(LDR)和高診斷范圍(UDR)轉換為故障狀態(tài)。因此，其無法傳送更詳細的故障信息。

解決這一問題的方法是在傳感器模塊與ECU之間采用數字通信，來傳輸除傳感器數據之外的狀態(tài)信息、時間戳以及誤差代碼等。不過遺憾的是，向數字通信轉變所引發(fā)的問題異常復雜，因為傳感器的種類相差太大，而且不同的傳感器供應商所采用的架構也有所不同(見圖5)。

圖5：傳感器的種類相差太大，而且不同的傳感器供應商所采用的架構也有所不同。

從模擬角度來看，市場上提供各種針對所有環(huán)境變量的傳感器，而且?guī)缀跛蠩CU微控制器都有模擬輸入口。因此，利用市場上現有的元器件，或僅需進行微調的產品開發(fā)新應用不會出現大問題或者大風險。

但這樣的情況卻不適合數字通信協議?？捎玫臉藴蕝f議必須以特定方式使用。目前可用的數字協議包括：

* CAN：總體來說太過復雜，傳感器成本過于昂貴

* LIN：僅支持最高為19,200 baud的低傳輸率

* 外部傳感器接口(PAS4，PSI5)：專為安全應用(如氣囊)開發(fā)，要求9V工作電壓，電流消耗大

* SENT：只能支持單向，目前還處于標準化階段中

于是，在需要數字通信的應用中通常會采用專有方案。這意味著每個電路制造商都有自己的專有協議。支持ZMD31150、ZMD的ZACWire (串行數字接口)提供一個開放標準，能夠提供通信安全，在波特率和行末校準方面具有靈活性。

未來幾年的挑戰(zhàn)，是制定和執(zhí)行考慮到傳感器系統和應用要求并具成本效益的標準化數字接口。該接口必須滿足下面三個多少有些矛盾的設計條件：

* 電路測試：為了測試成本最小化，要求通信速度最大化

* 校準：盡可能簡單、靈活

* 應用：盡可能快速、安全和兼容，特別是在超出規(guī)范工作電壓、EMC高以及最大RF輻射受限的條件下。

汽車傳感器在安全方面的應用正日益增加。對于可以在危險的剎車條件下減小剎車距離的剎車輔助系統來說，需要一個傳感器來測量剎車系統的壓力，使得ECU能夠檢測出由駕駛員所發(fā)出的剎車動作。傳感器是激活ABS的關鍵，故傳感器必須100%準確。要保證這一點，自檢功能必須盡可能的全面。

如果傳感器信號調節(jié)器(SSC) IC發(fā)現模組中的傳感器故障(例如傳感器短路)，或者由于外部故障引起了SSC的無效操作，ECU必須能夠確定這些問題。例如，可以利用ZMD31150來說明如何處理上述問題。ZMD31150是一款在汽車應用中進行信號調節(jié)的SSC。

ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能(見圖6)將對傳感器機能以及SSC進行連續(xù)監(jiān)控。

圖6：ZMD31150中執(zhí)行的診斷功能

一旦檢測到故障，診斷模式(DM)被激活。數字通信消息中將建立一個錯誤標志，或者將模擬輸出切換到預先編程的診斷范圍LDR或HDR上。

可檢測故障分為兩類，即硬件和軟件錯誤。硬件錯誤是在SSC中檢測到的由硬件問題所引發(fā)的故障。本例中，信號調節(jié)被終止而DM被激活。

相反，軟件錯誤的原因就不會總是這么清楚或連續(xù)出現。它們可能由外部原因引起，如EMC干擾或者系統板上其他電氣負載進行開關操作。針對軟件錯誤，這里使用了一個錯誤計數器，當錯誤發(fā)生時進行“+”運算，而當錯誤不再發(fā)生時進行“—”運算。當檢測不到軟件錯誤時，軟件錯誤消息被低通過濾，傳感器返回到正常操作模式。這樣的做法被稱作臨時診斷DM。

ZMD31150中的臨時DM是一個可選項，在錯誤持續(xù)出現時提供可靠的錯誤信息。利用附加信息(如冗余傳感器或進行大量檢查)，ECU將決定當前應用能否繼續(xù)可靠工作，或者根據錯誤消息必須關斷。

如果隨著感性負載(Schaffner Pulse 3a或3b)接通，某個故障耦合到了傳感器系統的電源電壓上，該故障同樣能夠耦合到傳感器上，從而觸發(fā)自診斷功能。但是有了臨時DM，這種情況不得不連續(xù)出現幾次后才向ECU報告錯誤。由于錯誤計數器過濾了結果，明顯的錯誤信息和相應的誤導將被避免。

例如，許多駕駛員都體驗過儀表盤上突然顯現一個錯誤信號，或者是“檢查發(fā)動機”的指示燈點亮，并伴隨一條請與維修廠聯系的信息。有時候該消息在第二天就不再出現，而檢修人員將一個模組或傳感器更換下來后發(fā)現沒有任何問題。適當的軟件過濾即可消除這類惱人的事情。

本文小結

利用傳感器信號調理IC可以大大簡化汽車安全傳感器系統的開發(fā)。確保傳感器輸出100%正確的自診斷功能，只能在信號調整階段實現，鑒于此，該功能必須是片上實現。

像ZMD傳感器調理IC這類的器件集成了全面的自診斷功能。通過配置EEPROM，可以對某個錯誤進行精確定義，并且對系統如何反應進行定義。對檢測到的錯誤事件進行響應的各類執(zhí)行程序，有助于避免明顯的虛假錯誤信息，從而可以增加自診斷的可靠性。