汽车ESP用传感器及其接口技术

ESP常用传感器接口设计

本文所作设计的框图如图4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进行处理并通过CAN总线传送数据，本文选用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4 传感器连接框图

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5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5 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6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6 方向盘转角传感器接口电路

对(1)式进行差分运算，即可得到转角变化速率。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7所示。

         
                                               图7 轮速传感器接口电路

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8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，防止在采样过程中出现混叠现象。运放使用满摆幅输出的LMX324。

调整图8中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.
     
                        图8 横摆角速度、纵向/横向加速度传感器接口电路

k的选择取决于当前的路面情况，而当前路面情况，则通过数字滤波前的原始信号来识别。微控制器把滤波后的信号、原始信号、k的值、路面识别结果打包后，通过CAN总线发送给ECU。图9a和9b分别为颠簸路面实车试验中采集得到的纵向加速度传感器的一组对比曲线。

           
                          图9a 数字滤波前的数据曲线 图9b 数字滤波后的曲线