汽車電子傳感器之輸入信號的調(diào)理

1傳感器輸入信號的調(diào)理

汽車電子控制系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號主要有以下幾種：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)信號，它是利用傳感器觸點(diǎn)的磁阻效應(yīng)來獲得的，其輸出一般為正弦信號，此正弦信號的瞬時(shí)頻率即為RPM。

2)進(jìn)氣歧管壓力(MAP)信號，進(jìn)氣歧管壓力傳感器產(chǎn)生一個(gè)O～5V的線性輸出，且與進(jìn)入歧管的空氣的絕對壓力成正比。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號，溫度傳感器就是一個(gè)電熱調(diào)節(jié)器。

4)混合氣的空燃比信號，氧傳感器產(chǎn)生一個(gè)O～5V的線性輸出，它與排氣管處混合氣中的氧氣濃度成正比，這是對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際空燃比的測量。

 5)節(jié)氣門位置傳感器(TPS)信號。

6)燃油信號，通過測算EFI控制器的噴頭感應(yīng)出的脈沖寬度來獲得。

其中前五種信號都與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況有關(guān)，因此它具有十分重要的作用。尤其是對于EFI系統(tǒng)來說，EFI控制器根據(jù)這些信號來計(jì)算脈寬。而燃油信號對于車輛的行程計(jì)算具有重大意義。
 

      發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)上傳感器的輸出都是模擬信號，需要  先經(jīng)過模擬電路進(jìn)行調(diào)理或緩沖之后才能送人單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器或者定時(shí)器通道進(jìn)行下一步處理。離散信號(如電熱調(diào)節(jié)  器的輸出)就直接送入A／D通道，時(shí)基信號則被送人定時(shí)器通道。MCU把送進(jìn)來的數(shù)據(jù)變換成8位的PCM編碼(基于循環(huán)冗余編碼)。在每一個(gè)循環(huán)冗余周期，MCU將對模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通道的每個(gè)A／D進(jìn)行初始化，然后將變換結(jié)果和定時(shí)器數(shù)據(jù)的脈寬存儲(chǔ)起來，調(diào)用存儲(chǔ)器中最后一次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)形成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，再通過UART順序傳送給無線調(diào)制解調(diào)器。MCU具有三態(tài)總線，其上掛接所有的數(shù)據(jù)通道以及外圍設(shè)備單元。所有的外圍設(shè)備都由存儲(chǔ)器映射的控制寄存器來控制。

信號調(diào)理是把來自傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計(jì)算、顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、位置、pH值、光強(qiáng)等。通常，傳感器信號不能直接變換為數(shù)字量，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此在轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大、緩沖或標(biāo)定模擬信號，使其適合于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到微控制器或其他數(shù)字器件中，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。此鏈路工作的關(guān)鍵是選擇運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器要正確地接口被測的各種類型傳感器。然后，設(shè)計(jì)人員必須選擇ADC。ADC應(yīng)具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產(chǎn)生滿足后面ECU的分辨率、精度和取樣率的數(shù)字輸出要求。

2傳感器輸出信號的調(diào)理

 1．電壓信號的緩沖調(diào)理

如果傳感器測得的輸出信號是離散的電壓信號，那么就可以用圖2-47所示電路對其進(jìn)行緩沖調(diào)理。圖2-47中LM2904射隨接法在此作為電壓緩沖器。LM2904輸入阻抗高．而日僅需單電源供電。如果汽車噪聲比較嚴(yán)重，而且緩沖器效果不明顯的話，就需要在輸入端加入一個(gè)低通濾波電容。

2．燃油電子控制脈沖信號緩沖調(diào)理

燃油電子控制單元(ECU)的輸出即是電噴油器的控制信號。ECU和電池之間有一個(gè)開關(guān)管連接，這就保證了在任何發(fā)動(dòng)機(jī)需要供油時(shí)，噴油器螺線管都能和電池相連。將螺線管等效為一個(gè)電感通過一個(gè)開關(guān)與電池連接。由于螺線管的開關(guān)特性，那么12V的高電平就相當(dāng)于噴油器打開，而低電平表示噴油器關(guān)閉(常閉開關(guān))。脈沖信號緩沖調(diào)理電路如圖2-48所示。

用示波器觀察送往噴油器的EFI信號，可以發(fā)現(xiàn)高電平幾乎可達(dá)12V，低電平大約是2-4V，而并沒有拉到地電平。另外，LM311的最高輸入電壓Ucc+0．3V(5．3V)。電阻R3、R4、R5起1／4分壓器的作用，這樣一來就可以降低EFI信號的動(dòng)態(tài)范圍。此時(shí)，12V的高電平就相當(dāng)于3V，而2～4V的低電平就相當(dāng)于是0．5～1V。這個(gè)輸出作為電壓比較器的輸入，比較器將其與Ucc／2(2．5V)相比較。參考點(diǎn)由R1和R2決定。這樣調(diào)理之后，EFl信號的高低電平就與電源和地一致了。

設(shè)計(jì)時(shí)要注意的主要問題就是噴油器螺線管的回零電壓。當(dāng)EFI信號由低電平變高電平時(shí)，螺線管將產(chǎn)生一個(gè)300V的回零電壓，那么就需要采取分流措施，否則的話，即使是后邊的分壓環(huán)節(jié)也不能很好地限制輸入電壓。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)采用一個(gè)20V的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。它的作用就是將瞬間產(chǎn)生的高于20V的噪聲尖峰電壓拉到地。這樣初步限制了輸入電壓的范圍，再由隨后的分壓環(huán)節(jié)進(jìn)一步將輸入電壓調(diào)整到比較器能夠接受的電壓輸入范圍。C3用于濾除高頻噪聲。ECU需要給噴油器提供接近1A的電流，為了防止ECU的過載，那么整個(gè)電路的阻抗與噴油器螺線管阻抗并聯(lián)之后應(yīng)大于8Ω，螺線管線圈阻抗是15Ω。當(dāng)TVS．關(guān)斷時(shí)，緩沖器的輸入阻抗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于螺線管的阻抗。盡管如此，當(dāng)TVS1導(dǎo)通時(shí)，整個(gè)電路的阻抗就只是TVS1之前部分的阻抗。正是考慮到這個(gè)因素，才將分壓環(huán)節(jié)的30kΩ電阻分成兩個(gè)電阻。R4不僅起到分壓的作用，還起到偏置電阻的作用。EFI信號是兩組不同相的脈沖信號。由于需要計(jì)算所有脈沖信號的寬度，所以這兩組EFl信號先通過一個(gè)CMOS與非門。其真值表見表2-7。

為了能夠應(yīng)用MCU的定時(shí)器電路就能測量EFI信號的脈寬，那么要對信號進(jìn)行調(diào)理而去觸發(fā)MCU的計(jì)數(shù)器。脈寬在0．5～2．5ms之間不等。開始由MCU的時(shí)鐘信號來完成。然而在測試的過程發(fā)現(xiàn)，MCU的時(shí)鐘輸出并不能驅(qū)動(dòng)這么寬的范圍，而且電壓電平與理想的TTL電平相差甚遠(yuǎn)。然后試驗(yàn)了幾種不同的簡單模擬緩沖器，都不成功，此時(shí)想到了一個(gè)簡單的方法，就是應(yīng)用NE955高精度定時(shí)器芯片，它內(nèi)部集成一個(gè)方波信號發(fā)生器，可以用它來對EFI信號進(jìn)行斬波。對于一個(gè)lms的脈沖，用一個(gè)100kHz的斬波器就可以得到足夠高的精確度。因此，定時(shí)器中所用到的電阻、電容等元件的取值應(yīng)遵循施密特觸發(fā)器原理。

3．發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號緩沖調(diào)理電路

由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的特性可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號是一個(gè)調(diào)頻信號，幅度不為常數(shù)，且動(dòng)態(tài)范圍較大。磁感應(yīng)式傳感器所測得的信號幅值將隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同而不同。從某種意義上說，它就相當(dāng)于是一個(gè)波形發(fā)生器。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號緩沖調(diào)理電路如圖2-49所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的正弦波信號，經(jīng)過R1和VD組成的削波電路，再由R2和C2進(jìn)行RC濾波，輸入LM293反相端，最后輸出方波。該電路的施密特特性如下，當(dāng)LM293輸出為高電平時(shí)，相當(dāng)于R4和R5并聯(lián)，然后與R6分壓，此時(shí)

而當(dāng)LM293輸出為低電平時(shí)，相當(dāng)于R4和R6并聯(lián)，然后與R4分壓，此時(shí)有

這樣就產(chǎn)生一個(gè)回差電壓；△UT=UH-UL,使得電路有很強(qiáng)的抗干擾能力，只要輸入信號的幅度大于U5H，即可在輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號。即使傳感器輸出的正弦波不規(guī)則，在傳輸過程中加入了噪聲，也不影響最后的輸出矩形脈沖信號。

3  系統(tǒng)中傳感器的連接

目前應(yīng)用的系統(tǒng)要求具有如下的控制特性：更準(zhǔn)確，更可靠，更有效，更穩(wěn)定，還要具有診斷功能。被測量的被測過程應(yīng)盡可能地與被控制的過程接近。從ECU觀點(diǎn)看，傳感器可分為兩類：本地傳感器和遠(yuǎn)程傳感器。遠(yuǎn)程傳感器用來測量遠(yuǎn)距離控制器的物理量，這就需要提供額外的電源以及控制器與傳感器之間的通信線路。而對本地傳感器，電源和通信鏈路已經(jīng)嵌入ECU中。遠(yuǎn)程傳感器與ECU的連接如圖2-50所示。

為保證來自傳感器信息的傳輸，完整的回路應(yīng)該包括電源線、傳感器以及信道。對于遠(yuǎn)程傳感器，其通信線通常與電源線是共用的，無須再加線。在某些特殊情況下，例如對輪胎壓力監(jiān)測，傳感器和ECU之間常采用無線通信。以往，傳感器所測得的數(shù)據(jù)向ECU傳輸時(shí)采用單向傳輸，要求與數(shù)據(jù)線相連的是無源傳感器件。隨著傳感系統(tǒng)功能的增加，雙向通信應(yīng)運(yùn)而生。為能夠在檢測過程當(dāng)中改變操作參數(shù)，選擇不同的信號源，以及其他更復(fù)雜的功能的實(shí)現(xiàn)，都需要改變傳感器的運(yùn)行模式。

傳感器的接口方式有很多種。對于無源傳感器來說，需要在傳感器和ECU之間添加必要的電子線路，以實(shí)現(xiàn)最基本的功能，以及架起它們之間的通信線路。下面將介紹幾種連接方式，另外再介紹幾種傳感器的安裝位置。

 1．分立元件式傳感器接口

 分立元件式傳感器與ECU的接口如圖2-51所示。

早期最初確定的傳感器連接方式就是這種分立元件搭建的。傳感器電阻由電阻橋來提供，RC濾波環(huán)節(jié)用于抗混疊，放大器用于調(diào)整合適的放大倍數(shù)。如果要加入微調(diào)環(huán)節(jié)及溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的話，甚至是只加一個(gè)簡單的自檢環(huán)節(jié)，所需的元器件數(shù)量將更多。 

2．集成芯片式傳感器接口

集成芯片式傳感器與ECU的接口如圖2-52所示。

隨著混合信號處理技術(shù)和集成化技術(shù)的發(fā)展，ECU上分立元件的數(shù)量不斷減少，而且還具有信號處理和自檢能力。這是通過高性能IC的軟件來實(shí)現(xiàn)的。由于處理速度的增加，這樣可以處理的信號帶寬就能更寬，也能獲得更多的傳感器信息。信號的相關(guān)性越大，精確度越高，那么能夠處理的帶寬就越寬，而且只需要花很低的成本就可以達(dá)到獲取各種不同傳感器信息的功能。

3．?dāng)?shù)字通信式傳感器接口

數(shù)字通信式傳感器與ECU的接口如圖2-53所示。

隨著傳感器的智能化，就可以調(diào)節(jié)信號的轉(zhuǎn)移特性，可以進(jìn)行自檢，而且可以在傳感器內(nèi)部進(jìn)行通信，這樣一來，傳感器就從一個(gè)無源器件變成了一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。對于那些子系統(tǒng)來說，其通信規(guī)則由具體的應(yīng)用情況來定義，而與傳感元件無關(guān)。這樣可以大大減小通信開銷，因?yàn)楦咚俣炔蓸犹幚砟K已經(jīng)移植到傳感器內(nèi)部。ECU通電之后即可與傳感器通信了，而且還能更有效地利用那些資源。由此可見，器件的數(shù)量得到進(jìn)一步減少，加之使用冗余信道編碼等安全協(xié)議，可使ECU與傳感器之間的通信質(zhì)量進(jìn)一步提高。