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1、汽车ESP传感器的接口设计作者姓名： 专业名称：电子信息科学与技术指导老师： 摘要分析了汽车电子稳定程序系统中常用传感器的特性设计了常用传感器的硬件接口和软件接口并实现了集成传感器的方案该方案通过CAN 总线与电子控制单元传递数据具有抗干扰性能好可靠性高的特点。ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序）是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世（BOSCH）公司早期称为汽车动力学控制（VDC），现在博世、梅赛德奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统（VSC）、汽车稳定性辅助系统（VSA）或者汽车电子稳定控制系统（
2、ESC）；宝马公司称为动力学稳定控制系统（DSC）。尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。关键词：电子稳定程序，传感器，CAN 总线 AbstractAnalysed the characteristics of common sensors in electrol stability car system, d
3、evised their hardware interface and software interface, and realized the proposal of compositive sensor, which transmits data with electronic control unit through CAN bus. It is characterized by good ability of anti-interference and high reliability.ESP (Electronic Stability Program, Electronic Stab
4、ility Program) is an electronically controlled automotive landmark invention. Different R & D institutions of the different naming systems, such as Bosch (BOSCH) earlier known as Vehicle Dynamics Control (VDC), now Bosch- known as the Mercedes-Benz ESP; Toyota called Vehicle Stability control system
5、 (VSC), Vehicle Stability Assist System (VSA) or automotive electronic stability control system (ESC); BMW as dynamic stability control system (DSC). Although the names vary, but are in the traditional vehicle dynamics control systems such as ABS and TCS based on increase in lateral stability of a c
6、ontroller, by controlling the horizontal and vertical distribution and magnitude of force to control the vehicle under any traffic Kinetics of movement patterns, which can improve the car in various conditions of dynamic performance, such as braking, sliding, driving and so on. ESP has been in produ
7、ction abroad, at home at a research stage, it is necessary to achieve the degree of industrialization, there are a lot of work to do.key word: electrical stability system, sensor, can bus目录摘要IAbstractII目录III前言11 ESP概述21.1 ESP的发展21.2 ESP结构及控制原理32 传感器的接口技术52.1 传感器概述52.1.1传感器的定义52.1.2 传感器的组成52.1.3 传感器的
8、特性62.1.4 传感器的分类72.2 传感器接口技术82.2.1 数字量、开关量的接口82.2.2模拟量的接口82.2.3 传感器的非线性补偿处理92.2.4 传感器输出信号的数字滤波112.2.5智能传感器133 ESP传感器的接口设计163.1 ESP传感器的介绍163.2 ESP 常用传感器接口设计18总结25致谢26参考文献27 前言ESP(Electronic Stability Program 电子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世( B O S C H ) 公司早期称为汽车动力学控制(VDC)，现在博世,梅赛德奔驰公司称为E S
9、 P；丰田公司称为汽车稳定性控制系统(VSC) 汽车稳定性辅助系统(VSA)或者汽车电子稳定控制系统(ESC) 宝马公司称为动力学稳定控制系统(DSC)。尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS 和TCS 的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动，滑移，驱动等。ESP 在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。1 ESP概述1.1 ESP的发展汽车电子稳定性控制程序（ESP）是近几年刚刚发展起来的一种电子装置，是对ABS和TC
10、S功能的继承与进一步扩展。EPS通过对汽车横摆力矩的控制改进了ABS/TCS在横向稳定性控制方面的不足，并通过对车上传感器的监测和ECU的计算分析识别出驾驶员的驾驶意图，并对可能造成危险的行驶状态进行干预控制使从而维持车辆的稳定性，避免事故的发生。随着人们对汽车安全性 要求的不断提高，车内的安全系统不断增加，功能也在不断发展完善，包括主动安全系统和被动安全系统。主动安全系统包括驾驶特性（ABS、TCS、ESP等），视野条件和工作元件（如轮胎）等，这些系统可以在危急的情况下使车辆保持稳定及可操控性，避免事故的发生；被动安全系统是在事故发生过程中起作用，通过采取一些设计措施和装置，最大限度的保护车
11、内人员免受伤害，降低事故后果的严重性。ABS在20世纪80年代开始得到广泛应用，目前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术，国内也有很多院校及科研机构在从事这方面的研究（如吉林大学、合肥工大等），并取得了重大进展，尤其是气动ABS已经在部分货车和客车上配备，TCS是90年代发展起来的技术，而电子稳定程序（ESP）是90年代初由德国奔驰公司开发的车辆稳定系统。从1995年至今，伴随着理论研究的不断深入和电子技术的发展，汽车稳定性控制得到了很大的发展，并开始作为选装件安装在一些中高档轿车上。德国BOSCH公司一直是这方面技术的领先者，无论是ABS/ASR还是更先进的ESP系统，技术上都一直处于领先地
12、位，为国际大多数汽车厂商供应ABS/ASR/ESP系统。国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，而且由于缺少试验条件，研究还不十分深入，现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。1.2 ESP结构及控制原理ESP系统由电子控制单元（ECU），方向盘转角传感器，轮速传感器，横摆角速度传感器，横向角速度传感器及液压系统组成，ESP除了具有ABS和TCS的功能之外，更是一种智能的主动安全系统。ESP的ECU通过高度灵敏的传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行使方向是否偏离驾驶员
13、的操作意图。ESP能立刻识别出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态，ESP的干预措施包括对车轮独立的施加制动力；在特殊工况对变速箱的干预措施；通过发动机管理系统减小发动机扭矩。德国BOSCH公司是汽车电子稳定性控制方的典范，下面以BOSCH公司的ESP系统为例介绍ESP的结构及控制原理。图1.1是ESP系统的关键部件及其在汽车上的位置分布。对于控制算法，BOSCH公司的基于门限值的ABS控制策略已经在实际中得到了成功应用，其ESP在控制系统上层仍然采用类似的思路，以汽车侧偏角与横摆角速度作为控制量，把实际值与期望值的差值控制在容许范围内。由各传感器测得的信号经过一定的算
14、法和汽车模型运算后，可以知道期望值，M、M与实际值、经比较器比较得。若在容许范围内，则ESP无须作用；若不在容许范围内，则ESP根据大小确定要产生的修正横摆力矩。然后ESP根据修正横摆力矩大小值确定各个车轮最优的滑移率（每个车轮的最优滑移率值是经过大量的前期仿真研究得出，要求在最短时间产生修正横摆力矩）。知道滑移率，根据轮胎模型便可以确定每一车轮的制动力大小，从而可以确定每一车轮的制动电磁阀的开关时间（或节气门开度），制动电磁阀工作后（或节气门开度改变）便实现对汽车的稳定性控制。汽车在行驶过程中轮胎的横向力和纵向力直接影响车辆的行驶状态，而横向力和纵向力相互制约，且都受到车轮滑转或滑移率的影响
15、，ESP通过对车轮滑转或滑移率的精确控制，从而控制每个车轮的纵向和横向力来保证车辆的行驶稳定性并施加行驶意图在汽车的行驶中，回避前方突然出现的障碍物或者在转弯时容易出现转向不足或者过度转向的情况，理论研究表明，通过对内侧后车轮和外侧前车轮施加附加制动力对增大向内的横摆力矩和向外的横摆力矩最有效，这将对纠正不足转向和过度转向有明显的效果。以下将分析几种简单典型工况ESP所采取的干预措施。图1.1所示为汽车ESP 的构成示意图其电子部件主要包括电子控制单元(ECU)，方向盘传感器，纵向加速度传感器，横向加速度传感器，横摆角速度传感器轮速传感器等。ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统其各个传感器
16、的正常工作是进行有效控制的基础本文介绍了ESP 常用传感器的特点，设计了传感器硬件接口和软件接口，并在实车测试中得到验证。图1.1汽车ESP 的构成示意图2 传感器的接口技术2.1 传感器概述传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少、性能好环密切相关。在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等)需要控制和监测，如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制部是无法实现的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分。传感器技术自身就是一门多学科、知识密
17、集的应用技术。传感原理、传感材料及加上制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。2.1.1传感器的定义传感器：传感器是种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。2.1.2 传感器的组成组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。1 敏感元件：直接感受被测量、并以确定关系输出 物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。2 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强
18、等)转换成电路基数(如电阻、电感、电容等)等。3 基本转换电路：将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。2.1.3 传感器的特性传感器比较常用的性能指标有以下几种(1) 关于输入量的特性：量程或测量范围：传感器预期要测量的被测量值，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称为满量程FS。过载能力：传感器允许承受的最大输入量(被测量)(2) 响应特性：静态响应特性精度：表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按百分数给出。重复性：反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输入某一相同的输入值，其输出值的一致性，其意义与精度类似。
19、线性度：也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。灵敏度：传感器输入增量与输出增量之比；稳定性(温度漂移，时间零漂)：时间零漂,在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；温度漂移，当温度发生变化时，其输出特性的变化，通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量程的比值来表示。动态响应特性：在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态持性非常好，但由于不能很好追随输入量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意加以控制，
20、可以高达百分之几十其至百分之百。这就要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。 频率响应特性 相频特性 阶跃响应特件等。2.1.4 传感器的分类传感器的分类方法有多种，如按被测物理量的性质分；位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、模拟型和数字型，如下图所示：1 开关型开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为INon，而从通到断时的输入值为INoff，则特性满足 INoffI
21、NonINoff与INon的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。2 数字型数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型，所示。它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量，这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。3 模拟型模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不仅因
22、为在各种机电一体化产品中常需位移测量，而且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量为基础的。直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器。角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。2.2 传感器接口技术输入到微型机的信息必须是微型机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。2.2.1 数字量、开关量的接口 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。2.2.2模拟量的接口1、模拟量的数字化过程(1) 时间断续采样定理：信号最高频率为fc, 在采样频率fs= 2fc为的条件下，采样后的信号能无失真
23、的恢复为原来的模拟信号。(2) 数值断续：数值断续的过程叫量化，所谓的量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。最小单位叫量化单位，q=FSR/2n，完成量化的器件叫量化器，即A/D转换器。2、模数（A/D）转换器模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编码后，转换成数字信号的器件。可分为直接比较型和间接比较型两大类。(1)逐次逼近型A/D转换器(2)双斜积分式A/D转换器3、采样保持器在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即AD转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，出于孔径时间
24、的存在，会造成较大的转换误差；要防止这种误差的产生，必须在AD转换期间将信号电平保持住，而在AD转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样保持器，从上面分析也可知，采佯保持器在保持阶段相当于一个模拟信号存储器”。4、模拟多路开关在机电一体化领域中，经常对许多传感器信号进行采集和控制。如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样保持、AD等环节，不仅成本比单路成倍增加，还会导致系统体积庞大，且由与模拟器件，阻容元件参数和特性不一致，对系统的校准带来很多困难。因此除特殊情况下，多采用公共的采样保持及AD转换电路。要实现这种设计，往往采用多
25、路模拟开关。5、测量放大器在许多检测技术应用场合传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。6、传感器模拟量接口的几种形式(1)多通道一般型特点：适合于中低速采样，在A/D转换器为逐次逼近式的情况下，必须加采样保持器。在采用间接比较式A/D转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低接口成本。(2)多通道同时采样共享A/D转换器型特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。(3)多通道并行A/D转换型特点：适合于高速
26、、超高速信号转换，能够保证各路信号的相位，成本较高。2.2.3 传感器的非线性补偿处理在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。但是，很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路，如常用的信息反馈式补偿回路使用对数放大器、反对数放大器等，这不但增加了电路的复杂性，而且也很难达到理想的补偿。这种非线性补偿完全可以用计算机的
27、软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。在完成了非线性参数的线性化处理以后，要进行工程量转换，即标度变换、才能显示或打印带物理单位的数值。传感器的非线性软件处理方法常用的非线性软件处理方法主要有两种：计算法和插值法。插值法设某传感器的输出特性曲线(例如电阻温度持性曲线)。可以看出，当巳知某输入值xi以后，要想求出值yi并非易事，因为其函数关系数关系式y=f(x)并不是简单的线性方程。为使问题简化，可以把该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻两分段点用直线连起来(如图中的虚线所示)，用此直线代替相应的各段曲线、即可求出输入值x所对应的输出值y。例如，设x在(xi,x
28、i+1)之间，则其对应的逼近值为分段现行插值原理.第一步，用实验法测出传感器的变化曲线yf(x)。为准确起见，要多测几次，以便求出一个比较精确的输入输出曲线。第二步, 将上述曲线进行分段、选取各插值基点。为了使基点的选取更合理，不同的曲线采用不同的方法分段。主要有两种方法：(1) 等距分段法 等距分段法即沿y轴等距离地选取插值基点。这种方法的主要优点是使xi+1-xi常数，因而使计算变得简单。但是函数的曲率和斜率变化比较大时，会产生一定的误差；要想减少误差必须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，并使计算机所占用的机时加长。(2) 非等距分段法这种方法的特点是函数基点的分段不是等距离的，通常
29、将曲线曲率大的线段插值距离划分小一点，而使曲率小区域的插值距离大一点，但非等值插值点的选取比较麻烦。第三步 确定并计算出各插值点xi、yi的值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki并存放在存储器中。第四步 找出x所在的区域(xi,xi+1),并取出该线段的斜率ki。第五步 计算。拟合计算法当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。 在实际工程上，被测参数和输出电压常常是一组测定的数据。这时如仍想采用计算法进行线
30、性化处理，则可应用数学上曲线拟合的方法对被测参数和输出电压进行拟合，得出误差最小的近似表达式。通常采用多项式最小二乘拟合的方法，找出一个能较准确地反映传感器输出信号与被测量之间关系的多项式。 一般形式 y为被测量，x为传感器输出值。 除了多项式外也可以用其他的模式进行最小二乘拟合。2.2.4 传感器输出信号的数字滤波在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含有各种干扰信号，它们入要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。数字滤波就是通过一定算法程序的计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，提高信噪比。它与硬件RC滤波器相比具有以
31、下优点： (1) 数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性。 (2) 可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。 (3) 灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。 正因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越来越广泛的应用。 数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。1 算术平均值法算术平均值法是寻找一个Y值，使该Y值与各采样值间误差的平方和为最小即由 ，得
32、算术平均值法的算式式中: xi第i次采样值； Y数字滤波的输出； N采样次数。N的选取应按具体情况决定。若N大，则平滑度高，灵敏度低，但计算量较大。一般而言，对于流量信号，推荐取N12；压力信号取N=4。2 中值滤波法所谓“中值滤波法”，就是对某一个被测量连续采样n次(一般取奇数)，然后把n个采样值从小到大(或从达到小)排序，再取中间值作为本次采样的结果。取x2,中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动(脉冲)或采样器的不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰。对缓慢变化的过程变过采用中值滤波有效果。中值滤波不宜用于快速变化的过程参数。3 防脉冲干扰复合滤波法将算术平均值法和中值滤波法结合起来、便可
33、得到防脉冲干扰平均值法。它是先用中值滤波原理滤除由于脉外干扰引起误差的采样值，然后把剩下的采样值进行算术平均。防脉冲干扰平均值法兼顾了算术平均值法和中值滤波的优点，在快、慢速系统系统中都能削弱干扰。提高控制质量。当采样点数为三时，它便是中值滤波法。4 惯性滤波法惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。与一阶低通RC模拟滤波器相比，能很好实现对低频干扰的滤波。惯性滤波法适合于波动频繁的被测量的滤波，它能很好的消除周期性干扰，但也带来了输出数据的相位滞后的结果,滞后角的大小与 的选择有关。2.2.5智能传感器1、智能传感器的概念智能传感器是当今国际科技界研究的热点, 尚无统一的、确切
34、的定义。在英文中本文中有Intelligent sensor 或Smart sensor 两个词, 统称为智能传感器。目前国内外学者普遍认为,智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。2、智能传感器的功能与特点智能传感器的功能智能传感器的功能概括起来主要有以下7个；(1) 自补偿能力: 通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。(2) 自校准功能: 操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。(3) 自诊断功能
35、: 接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的部件。(4) 数值处理功能: 可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。(5) 双向通信功能: 微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。(6) 信息存储和记忆功能。(7) 数字量输出功能: 输出数字信号,可方便的和计算机或接口总线相连。目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、/转换等)、数据处理以及数据显示
36、等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。3、智能传感器的组成智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电路组成。智能传感器的组成传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模数转换后，送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心,它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理,还可
37、以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能,可以完成硬件难以完成的任务,从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能,降低成本。智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可以分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上,则构成混合式的智能传感器(Hybrid Smart Sensor)。目前这类结构较多。初级的智能传感器也可以有许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块
38、、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内,体积较大,但在目前的技术水平下,仍不失为一种实用的结构形式。4、智能传感器的应用智能传感器最早应用在航天领域。宇宙飞船中需要测量大量参数,有反映运行轨道的速度、加速度、姿态、方位等参数,有反映宇航员生存环境的温度、湿度、气压、空气成分等参数,因此需要大量的传感器。这些大量的原始数据若直接送到计算机中,无疑会增加主计算机的负担,影响处理速度。为了提高效率和可靠性,采用分布处理的方法,即将这些数据先经过各自的处理系统进行预处理,然后再传送至主机进行集中处理。这就是在美国宇航局开发宇宙飞船时所开发的智能传感器。由于智能传感器和多功能传感器的功能强
39、,集成度高,体积小,因此可以大大减少传感器的数量和连接电缆线的重量,这恰是导弹、卫星、宇宙飞船等飞行器所需要的,所以它们在航空航天领域中起着非常重要的作用。在工业生产中,随着生产过程自动化的发展,采集的数据越来越多,需要使用大量传感器和计算机。特别是需要智能传感器。智能传感器和多功能传感器在机器人中有广阔的应用前景。如视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器等。特别是智能机器人,需要根据采集的信息进行识别、判断、决策。智能传感器如同人的五官,可以使机器人具有感知功能。现在一些国家在研究开发可以识别物体形状的触觉传感器,分辨不同气体的嗅觉传感器。随着智能传感器和多功能传感器的发展,它们将
40、在工业、科技、国防等各个部门得到更广泛的应用。3 ESP传感器的接口设计3.1 ESP传感器的介绍如图3.1所示ESP常用的传感器如下： 图3.1 ESP常用传感器方向盘转角传感器ESP 通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。方向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向盘转角一般是根据光电编码来确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向，转角等信一编码盘上的信息。由接近式光电耦合器进行扫描。接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。方向盘转角传感器与ECU 的通讯一般
41、通过CAN 总线完成。横摆角速度传感器横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况，则触发ESP 控制。当车绕垂直方向轴线偏转时，传感器内的微音叉的振动平面发生变化，通过输出信号的变化计算横摆角速度。纵向/横向加速度传感器ESP 中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感器和垂直于前进方向的横向加速度传感器，基本原理相同，只是成90度 夹角安装。ESP一般使用微机械式加速度传感器，在传感器内部，一小片致密物质连接在一个可以移动的悬臂上，可以反映出汽车的纵向/横向加速度的大小，其输出在静态时为2.5V
42、 左右，正的加速度对应正的电压变化，负的加速度对应负的电压变化，每1.0-1.4V对应1g的加速度变化，具体参数因传感器不同而有所不同。轮速传感器在汽车上检测轮速信号时，最常用的传感器是电磁感应式传感器，一般做法是将传感器安装在车轮总成的非旋转部分(如转向节或轴头)上，头)上与随车轮一起转动的导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈相对传感器转动时由于磁阻的变化，在传感器上激励出交变电压信号，这种交变电压的频率与车轮转速成正比，ECU采用专门的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波，再通过测量方波的频率或周期来计算车轮转速。最初的ESP 系统中纵向/ 横向加速度传感器和横摆角速度传感器都是单独实现的
43、，现在基本都使用了传感器总成(Sensor Cluster)的模式，将这3 个传感器设计为一体，通过CAN 总线与ECU 通讯。如图3.2 为SIMENS VDO 公司和BEI 公司生产的。图3.2 传感器总成3.2 ESP 常用传感器接口设计本文所作设计的框图如图3.3所示。在图中，方向盘转角传感器信号经微控制器处理后，通过CAN 总线发送给ECU(图4 中B)。横摆角速度传感器，纵向/横向传感器由于信号特点和安装位置类似，故设计在同一个模块内(图4 中A)。由于ESP 对轮速传感器信号的实时性要求较高，故经过信号调理后，直接送入ECU(图4中C) 在图4 的A 和B 中，需要微处理器对信号
44、进行处理并通过CAN 总线传送数据，本文选用Infineon公司的SAK-C164CI。用Infineon公司的SAK-C164CI。该芯片是专为汽车应用而设计，内置AD 转换器，输入信号捕捉，正交解码器，运算速度快，非常适合ESP的传感器信号处理。图3.3 设计框图方向盘转角传感器接口方向盘转角传感器的输出为正交编码脉冲。正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期(90)的固定相位偏移，如图3.4所示。通过检测2路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针方向，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的绝对转角，而转角的变化率即角速度，则可通过信号频率测
45、出。另外，方向盘转角传感器有一个零位输出信号，当方向盘在中间位置时，该信号输出0V，否则输出5V，通过该信号，可对绝对转角进行在线校准。图3.4 方向盘转角传感器脉冲序列波形C164CI与方向盘转角传感器的接口电路如图3.5所示。片内内置增量编码的正交解码器，该解码器使用定时器3的两个引脚(T3IN、T3EUD)作为正交脉冲的输入，在正确设置相关寄存器后，定时器3的数据寄存器的值与方向盘转角成正比，故可方便的计算转角，本文所使用的方向盘转角传感器每一圈对应44个脉冲，设定时器3的数据寄存器为T3，则绝对转角为。图 3.5 方向盘转角传感器的接口电路对(1)式进行差分运算，即可得到转角变化速率。
46、微控制器把计算得到的参数通过CAN发送给ECU。轮速传感器接口根据前面部分介绍的轮速传感器信号特点，设计接口电路如图3.6所示。图3.6 轮速传感器借口电路电路采用两级滤波和整形，以保证轮速信号在极低转速下不会丢失，同时避免因悬架振动引起的信号干扰。图中由电阻R2引入第一级迟滞比较，而使用74HC14引入第二级迟滞比较。横摆角速度、纵向/横向加速度传感器横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的安装位置基本相同，输出都是0V-5V的模拟量，由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致，故封装在同一模块中。其硬件接口如图3.7所示，实现硬件模拟前置滤波，以抑制来自传感器的模拟信号中的高频噪声成分，防止在采样过程
47、中出现混叠现象。运放使用满摆幅输出的LMX324。调整图3.7各个阻容元件的参数，即可设置滤波截止频率和延时大小。汽车运行过程中，在较好路面上行驶时，由于信号较好，延时尽量要小，而在颠簸路面上行驶，则希望滤波效果要好。但是由于硬件滤波的频率特性一经设计完毕，无法实时修改，故需要在软件中设计数字滤波环节。数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用滤波器等。在这里选用计算量小、实时性能好的一阶低通滤波，传递函数为其中t 为时间常数s 为拉普拉斯算子其数字化后的计算公式为。 图 3.7 横摆角速度，纵向/横向加速度传感器接口电路其中为Yn当前AD 采样值，yn 是滤波后的值，yn-1 为上次滤波后的值，k 为滤波系数，通过调整，可设置t 的大小，其关系为：为了便于移位计算，k 圆整成256k的选择取决于当前的路面情况，而当前路面情况，则通过数字滤波前
