通過車輛使用各種傳感器，從溫度和觸摸傳感器到加速度計和陀螺儀。本文著眼于在具有擴展溫度范圍和更高電壓保護的汽車設計中將傳感器連接到有線網(wǎng)絡（如LIN，CAN和以太網(wǎng)）的問題。

現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡將不同應用的協(xié)議組合使用。越來越多地使用車輛周圍的傳感器用于各種應用 - 從用于攝像機的圖像傳感器到用于加熱和乘客識別的溫度傳感器 - 意味著不同的傳感器必須連接到不同的網(wǎng)絡。

本地互連網(wǎng)絡（LIN）主要用于主體電子設備中的低成本應用，其中數(shù)據(jù)速率通常為10至20 kbit/s，而控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）則用于主流動力傳動系統(tǒng)和車身通信，最高可達10 Mbit/s。 FlexRay總線用于高級系統(tǒng)（如主動懸架）中的高速同步數(shù)據(jù)通信。一些車輛設計人員使用MOST總線來承載50至100 Mbit/s的音頻甚至視頻的高性能網(wǎng)絡，盡管車內(nèi)也有100 Mbit/s的以太網(wǎng)網(wǎng)絡用于傳輸這些數(shù)據(jù)。

傳感器測量的關(guān)鍵參數(shù)是溫度，因為它可以以多種不同的方式用于提供重要信息。即使對于相同類型的傳感器，數(shù)據(jù)的使用方式也需要不同的總線接口。例如，Melexis MLX90620等紅外溫度傳感器可用作汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中的“熱舒適”傳感器，但也可用于乘客分類甚至盲角檢測。所有這些應用都將與具有不同設計要求的車輛中的不同有線網(wǎng)絡連接。

當車廂內(nèi)的濕度較高且前擋風玻璃的溫度較低時，水蒸氣會凝結(jié)在玻璃上，導致駕駛員視線模糊。 HVAC系統(tǒng)可以通過在擋風玻璃上吹干熱空氣來避免這種冷凝。為此，系統(tǒng)必須能夠檢測冷凝，甚至更好地預測冷凝。這可以使用紅外溫度計，濕度傳感器和外部溫度計來完成。

圖1：在車輛內(nèi)部使用IR溫度傳感器陣列。

傳感器還可用于確定座椅中是否有乘客，啟用或禁用安全氣囊。紅外傳感器甚至可用于盲點檢測。一個系統(tǒng)使用被動紅外傳感器來感測從移動車輛的輪胎輻射的熱能。該溫度差用于觸發(fā)閃爍的紅燈以警告駕駛員危險。

圖2：紅外溫度傳感器甚至可用于避免駕駛員出現(xiàn)盲點問題。

紅外溫度傳感被用作測量體溫的更準確和更具成本效益的替代方案。 IR模塊不是測量空氣樣本，而是直接測量體溫。其數(shù)字傳感器接口還避免了可靠性和設計復雜性問題。

小尺寸，低成本的16 x 4像素紅外陣列易于與行業(yè)標準的四引腳TO-39封裝集成。工廠校準的紅外溫度測量參數(shù)存儲在EEPROM中，器件可以4 Hz刷新率提供0.25K rms的噪聲等效溫差（NETD）。它采用2.6 V電源供電，工作溫度范圍為-40至85°C。

它在一個封裝中包含兩個芯片：帶信號調(diào)理電子元件的MLX90670紅外陣列和24AA02（256 x 8 EEPROM）芯片。 MLX90620包含64個紅外像素，具有專用的低噪聲斬波穩(wěn)定放大器和快速ADC集成。集成了絕對溫度傳感器（PTAT），用于測量芯片的環(huán)境溫度。 IR和PTAT傳感器的輸出存儲在內(nèi)部RAM中，可通過I2C訪問。

紅外傳感器測量結(jié)果存儲在RAM中，每個傳感器（64個字）的紅外測量結(jié)果為16位，PTAT傳感器的結(jié)果為16位。根據(jù)應用，外部微控制器可以讀取不同的RAM數(shù)據(jù)，并根據(jù)存儲在EEPROM存儲器中的校準數(shù)據(jù)，補償傳感器之間的差異，以建立熱圖像，或計算成像場景的每個點的溫度。這些常數(shù)可由用戶微控制器通過I2C總線訪問，并且必須用于熱數(shù)據(jù)的外部后處理。結(jié)果是在1Hz刷新率下NETD優(yōu)于0.08K rms的圖像。

陣列的刷新率可通過寄存器設置或直接通過I2C命令進行編程。刷新率的變化對積分時間和噪聲帶寬有直接影響，因為更快的刷新率意味著更高的噪聲水平，因此幀速率可在0.5 Hz至12 Hz的范圍內(nèi)編程，并且可以更改以實現(xiàn)所需的交易在速度和準確度之間。 MLX90620需要一個3 V電源（±0.6 V），盡管該器件已經(jīng)過校準，在VDD = 2.6 V時表現(xiàn)最佳。

圖3：評估板上的Melexis MLX90620 IR溫度傳感器。

對于應用設計人員而言，了解當傳感器封裝中沒有溫差時，溫度測量的準確性對熱平衡條件非常敏感，這一點非常重要。溫度計的精度會受到包裝內(nèi)溫度差異的影響，例如傳感器后面的熱電子元件，傳感器后面或旁邊的加熱器/冷卻器，或者非常接近傳感器的熱/冷物體，不僅會加熱溫度計中的傳感元件以及溫度計包裝。

這種效果尤其適用于具有小FOV的溫度計，因為傳感器從物體接收的能量減少了。 IR傳感器固有地容易受到由熱梯度引起的誤差的影響。這些現(xiàn)象有物理原因，盡管MLX90620經(jīng)過精心設計，但建議不要讓設備受熱傳導，特別是瞬態(tài)條件。

I2C上的電容負載會降低通信質(zhì)量。通過在上拉電路中使用電流源而不是電阻器可以實現(xiàn)一些改進，并且使用專用總線加速器可以進一步改進。使用MLX90620，可以通過增加上拉電流（降低上拉電阻值）來實現(xiàn)額外的改進。 I2C兼容模式的輸入電平具有比I2C規(guī)范更高的總?cè)莶?，但即使上拉電流具有高功率I2C規(guī)范，輸出低電平也相當?shù)汀Ａ硪粋€選擇可能是進行較慢的通信（時鐘速度），因為MLX90620在I2C兼容模式下在其輸入上實現(xiàn)施密特觸發(fā)器。因此，它對總線的上升時間并不是非常敏感（由于I2C系統(tǒng)具有上拉開路，因此上升時間比下降時間更容易成為問題）。這種較慢的時鐘頻率意味著LIN總線是將溫度傳感器連接到電子控制單元的理想方式。

LIN/SAE J2602是一種基于通用異步接收器 - 發(fā)送器（UART）的單主機，多從站網(wǎng)絡架構(gòu)，最初是為汽車傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡應用而開發(fā)的，為連接電機提供了經(jīng)濟高效的網(wǎng)絡選擇，車輛中的開關(guān)，傳感器和燈。 LIN主節(jié)點通過將LIN與更高級別的網(wǎng)絡（例如CAN）連接，將車載網(wǎng)絡的通信優(yōu)勢一直擴展到各個傳感器和執(zhí)行器。

LIN總線的開發(fā)旨在為汽車網(wǎng)絡中的低成本，低端多路復用通信創(chuàng)建標準。雖然CAN總線滿足了對高帶寬，高級錯誤處理網(wǎng)絡的需求，但CAN實現(xiàn)的硬件和軟件成本已經(jīng)變得對于諸如傳感器之類的低性能設備而言已經(jīng)過高。 LIN在不需要CAN帶寬和多功能性的應用中提供經(jīng)濟高效的通信。 LIN可以使用嵌入大多數(shù)現(xiàn)代低成本8位微控制器（如Microchip PIC18）的標準串行通用異步接收器/發(fā)送器（UART）輕松實現(xiàn)，盡管還有專用的LIN接口器件。

LIN總線使用主/從方法，包括LIN主設備和一個或多個LIN從設備。消息頭包括用于標識幀起始的中斷和從節(jié)點用于時鐘同步的同步字段。標識符（ID）由6比特消息ID和2比特奇偶校驗字段組成，ID表示特定消息地址但不表示目的地。在接收和解釋ID時，一個從設備開始消息響應，該響應由一到八個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個8位校驗和組成。

主控制消息幀的排序，它在計劃中得到修復。這可以根據(jù)需要進行更改。 LIN標準有多個版本。 1.3版完成了字節(jié)層通信。版本2.0和2.1添加了更多的消息傳遞規(guī)范和服務，但在字節(jié)級別與LIN 1.3兼容。

飛思卡爾半導體的8引腳MC33662是物理層組件，專用于LIN協(xié)議規(guī)范1.3，2.0，2.1和SAEJ2602-2的汽車LIN子總線應用。部件號選擇定義了操作波特率（對于20 kB/s為33662L或33662S，對于10 kB/s網(wǎng)絡為33662J）。兩者均集成了快速波特率（10 kB/s），用于測試和編程模式，并提供電磁兼容性（EMC）和輻射發(fā)射性能，靜電放電（ESD）穩(wěn)健性以及TXD對地短路時的安全行為在汽車設計中。

圖4：將飛思卡爾的MC33662接口連接到LIN網(wǎng)絡。

MC33662采用7.0至18 V DC電源供電，工作電壓高達27 V DC，在負載突降期間可處理40 V電壓，因此可直接從車輛電源軌供電，但支持5.0 V和3.3 V兼容數(shù)字輸入，無需任何外部元件; RXD引腳報告本地和遠程喚醒功能。

LIN驅(qū)動器是低側(cè)MOSFET，具有內(nèi)部過流熱關(guān)斷功能。集成了具有串聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)的內(nèi)部上拉電阻，因此從節(jié)點中的應用不需要外部上拉組件。一旦器件進入正常模式，LIN發(fā)送器將能夠發(fā)送第一個顯性位，接收器將被使能。

同樣，Melexis TH8080是一種用于單線數(shù)據(jù)鏈路的物理層設備，能夠在不需要高數(shù)據(jù)速率的應用中運行，較低的數(shù)據(jù)速率可以降低物理介質(zhì)組件和微處理器的成本使用網(wǎng)絡。

由于TH8080在隱性狀態(tài)下的電流消耗非常低，因此適用于具有硬待機電流要求的ECU應用，因此不需要微處理器的睡眠/喚醒控制。

圖5：控制Melexis TH8080 LIN接口收發(fā)器。

收發(fā)器由具有壓擺率控制，電流限制的總線驅(qū)動器和接收器中的高壓比較器以及去抖動單元組成。隱性總線電平由集成的30kΩ上拉電阻與二極管串聯(lián)產(chǎn)生。該二極管可在VS和BUS之間的差分電壓（VBUS》 VS）期間防止VBUS的反向電流。在LIN從節(jié)點中使用TH8080不需要額外的終端電阻。如果該IC用于LIN主節(jié)點，則必須通過外部1kΩ電阻與一個二極管連接到VBAT來終止BUS引腳。

對于更高級別的集成，STMicroelectronics的SPC560P44等設備將FlexRay，CAN和LIN控制器整合在一個芯片中，該芯片可用作具有靈活交叉開關(guān)和模擬的PowerPC內(nèi)核的多功能集線器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器塊。這也可以作為ECU設備集成來自LIN和CAN上的多個傳感器的數(shù)據(jù)。

圖6：SPC560P44在單個器件中集成了CAN，LIN和FlexRay接口。

FlexCAN接口塊用作實現(xiàn)CAN協(xié)議的通信控制器，符合博世規(guī)范2.0B版。 CAN協(xié)議主要用作車輛串行數(shù)據(jù)總線，滿足該領(lǐng)域的特定要求：實時處理，車輛EMI環(huán)境中的可靠運行，成本效益和所需帶寬，支持32個消息緩沖區(qū)。第二個CAN控制器以高比特率運行，用作安全端口。安全端口CAN模塊使用CAN模塊之間的直接連接，在60 MHz CPU時鐘提供高達7.5 Mbit/s的比特率，因此無需物理收發(fā)器。

LIN網(wǎng)絡更適合傳感器的需求。 SPC560P44中的LINflex接口充當主機或從機，可以在CPU負載最小的情況下有效管理大量LIN協(xié)議消息，支持通常為10或20 Kbit/s的數(shù)據(jù)速率。如果有數(shù)字輸出，可以通過ADC或UART輕松連接傳感器。

結(jié)論

對于許多更簡單的傳感器，LIN接口是將數(shù)據(jù)傳輸回電子控制單元的最有效方式。在汽車周圍添加更多傳感器正在開辟新的應用并更多地使用LIN總線，無論是單獨的收發(fā)器還是傳感器集線器。結(jié)果