汽車傳感器--系統(tǒng)整合的未來
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傳感器應(yīng)用數(shù)量的急劇增加推動著系統(tǒng)整合向縱深方向發(fā)展。諸如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)和數(shù)量不斷增加的安全氣囊之類的安全系統(tǒng)都需要用到大量的傳感器。在駕駛艙內(nèi)，傳感器不僅可以幫助控制車內(nèi)溫度，還可以提高空氣質(zhì)量。
系統(tǒng)工程師在決定什么時候?qū)⑾到y(tǒng)部件整合起來，什么時候通過離散封裝來獲得更多的選擇方面猶豫不決。同時，他們不僅要為傳感器提供保護，還要努力提高數(shù)據(jù)處理的速度。
封裝起來
工程師在無法采用更多傳感器或處理器而還要實現(xiàn)功能擴展的情況下，他們主要采取電子封裝的方式。將多個芯片封裝在一起不僅可以節(jié)省空間，還可以節(jié)省成本。現(xiàn)在已經(jīng)很難找到不采取任何智能封裝方式的傳感器了。
“我們的產(chǎn)品幾乎都采用了雙芯片或多芯片封裝方式，其中MEMS（微電子機械系統(tǒng)）芯片及ASIC（專用集成電路）芯片負(fù)責(zé)校準(zhǔn)和濾波工作，”飛思卡爾半導(dǎo)體汽車傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Dave Monk表示?！坝袝r候是否需要這種方式有其邏輯性在里面。”
一旦A SIC芯片和傳感器封裝在一起，下一步就不太確定了。一些設(shè)計小組想在這些多芯片封裝模塊中加入更多的傳感器。
這時他們往往會效仿許多系統(tǒng)設(shè)計師的做法，即采取一種將多個不同傳感器放到單一慣性測量單元里的系統(tǒng)架構(gòu)。這種集中式的做法可以幫助他們減少一兩個控制器，甚至還可以省去電源供應(yīng)器或電氣外殼。如果成本允許的話，工程師們可以在同一個載板上放幾個傳感器，將其封裝在一個多芯片模塊中。
網(wǎng)絡(luò)連接對這些傳感器模塊來說非常重要——在碰撞中這些傳感器會被激活并發(fā)送出幾個字節(jié)大小的數(shù)據(jù)?？尚械能囕d網(wǎng)絡(luò)連接方式是LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）總線。
“ 讓多傳感器模塊中所有的傳感器可以共享同一個L I N 接口芯片，這是降低成本的主要方式，”Melexis Inc紅外線測溫儀產(chǎn)品經(jīng)理Luc Buydens說道。
不過有一些設(shè)計小組的做法比較謹(jǐn)慎，他們指出傳感器的價格差別相當(dāng)大。加速度計的成本要遠遠低于陀螺儀，這就存在一個潛在的問題——如果加速度計出現(xiàn)故障時把整個封裝模塊都扔掉顯然會大幅增加系統(tǒng)的成本。
“我們會非常小心地決定將哪些產(chǎn)品封裝在一起，”亞德諾半導(dǎo)體公司MEMS及傳感器技術(shù)團隊成員Rob O’Reilly表示?！皩⒓铀俣扔嬇c陀螺儀封裝在一起可能沒有什么問題，但是一旦出現(xiàn)問題就難說了?！?
▲越來越多的傳感器模塊通過LIN網(wǎng)絡(luò)將它們提供的少量數(shù)據(jù)分享給控制器。
▲隨著傳感器數(shù)量的不斷增加，Analog Devices公司提供的雙軸和三軸加速度計和陀螺儀都放置在中央慣性測量單元內(nèi)。
對車廂內(nèi)的應(yīng)用來說，這種擔(dān)憂就會少很多，因為許多用于提高乘坐舒適性的傳感器的價格都差不多。這樣相對來說，工程師不用增加多少成本就可以增加一些功能，比如在豪華車中加上空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)或在普通消費車輛中加一些諸如雙區(qū)溫度控制等的功能。
“對車廂舒適性來說，你可以將空氣/ 紅外線溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器以及擋風(fēng)玻璃溫度傳感器等整合在一個模塊中——所有這些都通過LIN網(wǎng)絡(luò)連接，”Buydens表示。
不管傳感器模塊在什么位置或里面包含什么，封裝產(chǎn)品還可以拓展它們提供的保護的范圍。這些封裝產(chǎn)品的主要目的是保護傳感器；這些傳感器中常常包含感應(yīng)運動的微量硅元素。此外，封裝產(chǎn)品還要解決電磁干擾（EM I）的問題?！癊MI是電子封裝遇到的最大問題，”O(jiān)’Reilly說。
還有其他一些因素也使EMI保護更加重要。一方面，電子器件的頻率都提升了很多。此外，車輛中電子功能越來越豐富，同時應(yīng)用到汽車上的消費類電子產(chǎn)品也越來越多。
如果EMI控制得不好的話，間斷性的干擾問題會帶來許多難題。
汽車制造商也在改變測試標(biāo)準(zhǔn)，從1GHz頻率的200V/m提高到4GHz品的400V/m?！懊刻岣?00V，測試的難度就會呈指數(shù)級的增長，”O(jiān)’Reilly說?！拔覀儚囊郧爸会槍δK進行測試，現(xiàn)在模塊內(nèi)每個元件都要測試?！?
芯片用戶和供應(yīng)商常常不得不將多個傳感器整合到一塊硅片上，而采用多芯片組件可以減少他們面臨的這種壓力。不過，采用整合的方式可以降低成本，因此汽車制造商希望可以從消費市場采用的傳感器整合方式中受益。
一些游戲產(chǎn)品如任天堂的Wii為M E M S 傳感器開啟了巨大的應(yīng)用市場——這種傳感器不但成本低，還不怕振動。汽車制造商希望可以從這種行業(yè)中吸取經(jīng)驗。
“游戲產(chǎn)品采用的加速度計和陀螺儀的整合水平較高。在未來，我們還會看到越來越多來自消費市場的技術(shù)被嫁接到汽車上，”STMicroelectronics公司高級動力系及安全市場技術(shù)經(jīng)理Hubert Conti-Geitner表示。
他還指出，汽車制造商剛開始采用雙軸陀螺儀，而消費市場已經(jīng)開始供應(yīng)帶有三軸陀螺儀的系統(tǒng)了。對消費產(chǎn)品來說，陀螺儀和加速度計可以整合在一個芯片上。
不過，這種整合方式是否可以應(yīng)用在汽車市場目前還不得而知。將所有東西都整合到一個硅晶片上可以降低成本，但是這也限制了應(yīng)用的靈活性。不同的汽車有不同的要求，因此汽車制造商可能不會在所有品牌或車型上都采用同一塊芯片。
“高水平的整合需要市場是穩(wěn)定的，變化比較少，”Conti-Geitner說?！罢闲枰芏嘟疱X和時間的投入。如果整合的芯片解析度為30度/秒，而你需要的是15度/秒，這會出現(xiàn)問題?！?
在最終方案確定之前，工程師們還需要仔細(xì)研究其他類型的整合方式。雖然可以將傳感器和邏輯功能整合到同一個芯片上，但是這種做法比較少。MEMS技術(shù)的線寬比邏輯裝置要大很多，因此將他們整合起來的效率并不高。
比如，加速度計有靈敏度，來確定感應(yīng)裝置的構(gòu)建方式。類似制動和安全氣囊等應(yīng)用需要的靈敏度完全不同，因此各個系統(tǒng)要采用不同的加速度計。
“對制動系統(tǒng)來說，許多公司設(shè)置的靈敏度為2g，”飛思卡爾半導(dǎo)體公司全球汽車戰(zhàn)略經(jīng)理Marc Osajda說。“而對安全氣囊來說，靈敏度大概在40g左右。”
系統(tǒng)設(shè)計師希望多個系統(tǒng)可以采用一個傳感器，但是這顯然是不太可能的。
“底盤穩(wěn)定性通常需要大量的優(yōu)化工作，以確保駕駛員感受不到來自地面的顛簸，而這需要靈敏度比較低的加速度計，”Analog Devices公司汽車安全業(yè)務(wù)市場經(jīng)理Max Liberman表示。“一些開發(fā)人員試圖利用電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）中的傳感器，但是更多人認(rèn)為應(yīng)該單獨采用一到兩個加速度計?！? 加速度計相關(guān)文章:加速度計原理
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