汽車電子傳感器之輸入信號的調理

1傳感器輸入信號的調理

汽車電子控制系統(tǒng)傳輸的數據信號主要有以下幾種：

1)發(fā)動機轉速(RPM)信號，它是利用傳感器觸點的磁阻效應來獲得的，其輸出一般為正弦信號，此正弦信號的瞬時頻率即為RPM。

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

3)發(fā)動機溫度信號，溫度傳感器就是一個電熱調節(jié)器。

4)混合氣的空燃比信號，氧傳感器產生一個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)動機實際空燃比的測量。

 5)節(jié)氣門位置傳感器(TPS)信號。

6)燃油信號，通過測算EFI控制器的噴頭感應出的脈沖寬度來獲得。

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

      發(fā)動機系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)上傳感器的輸出都是模擬信號，需要  先經過模擬電路進行調理或緩沖之后才能送人單片機的A／D轉換器或者定時器通道進行下一步處理。離散信號(如電熱調節(jié)  器的輸出)就直接送入A／D通道，時基信號則被送人定時器通道。MCU把送進來的數據變換成8位的PCM編碼(基于循環(huán)冗余編碼)。在每一個循環(huán)冗余周期，MCU將對模／數轉換器(ADC)通道的每個A／D進行初始化，然后將變換結果和定時器數據的脈寬存儲起來，調用存儲器中最后一次存儲數據形成一個數據幀，再通過UART順序傳送給無線調制解調器。MCU具有三態(tài)總線，其上掛接所有的數據通道以及外圍設備單元。所有的外圍設備都由存儲器映射的控制寄存器來控制。

信號調理是把來自傳感器的模擬信號轉換為用于數據采集、控制過程、執(zhí)行計算、顯示讀出和其他目的的數字信號。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、光強等。通常，傳感器信號不能直接變換為數字量，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此在轉換為數字量之前必須進行調理。調理就是放大、緩沖或標定模擬信號，使其適合于模／數轉換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到微控制器或其他數字器件中，以便用于系統(tǒng)的數據處理。此鏈路工作的關鍵是選擇運算放大器，運算放大器要正確地接口被測的各種類型傳感器。然后，設計人員必須選擇ADC。ADC應具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產生滿足后面ECU的分辨率、精度和取樣率的數字輸出要求。

2傳感器輸出信號的調理

 1．電壓信號的緩沖調理

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所示電路對其進行緩沖調理。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重，而且緩沖器效果不明顯的話，就需要在輸入端加入一個低通濾波電容。

2．燃油電子控制脈沖信號緩沖調理

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

用示波器觀察送往噴油器的EFI信號，可以發(fā)現高電平幾乎可達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信號的動態(tài)范圍。此時，12V的高電平就相當于3V，而2～4V的低電平就相當于是0．5～1V。這個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。參考點由R1和R2決定。這樣調理之后，EFl信號的高低電平就與電源和地一致了。

設計時要注意的主要問題就是噴油器螺線管的回零電壓。當EFI信號由低電平變高電平時，螺線管將產生一個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。為了解決這個問題，現采用一個20V的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。它的作用就是將瞬間產生的高于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)進一步將輸入電壓調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，那么整個電路的阻抗與噴油器螺線管阻抗并聯之后應大于8Ω，螺線管線圈阻抗是15Ω。當TVS．關斷時，緩沖器的輸入阻抗將遠遠大于螺線管的阻抗。盡管如此，當TVS1導通時，整個電路的阻抗就只是TVS1之前部分的阻抗。正是考慮到這個因素，才將分壓環(huán)節(jié)的30kΩ電阻分成兩個電阻。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。由于需要計算所有脈沖信號的寬度，所以這兩組EFl信號先通過一個CMOS與非門。其真值表見表2-7。

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

3．發(fā)動機轉速信號緩沖調理電路

由發(fā)動機轉速傳感器的特性可知，發(fā)動機轉速信號是一個調頻信號，幅度不為常數，且動態(tài)范圍較大。磁感應式傳感器所測得的信號幅值將隨發(fā)動機的轉速不同而不同。從某種意義上說，它就相當于是一個波形發(fā)生器。發(fā)動機轉速信號緩沖調理電路如圖2-49所示。

發(fā)動機轉速傳感器輸出的正弦波信號，經過R1和VD組成的削波電路，再由R2和C2進行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LM293輸出為高電平時，相當于R4和R5并聯，然后與R6分壓，此時

而當LM293輸出為低電平時，相當于R4和R6并聯，然后與R4分壓，此時有

這樣就產生一個回差電壓；△UT=UH-UL,使得電路有很強的抗干擾能力，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

目前應用的系統(tǒng)要求具有如下的控制特性：更準確，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盡可能地與被控制的過程接近。從ECU觀點看，傳感器可分為兩類：本地傳感器和遠程傳感器。遠程傳感器用來測量遠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嵌入ECU中。遠程傳感器與ECU的連接如圖2-50所示。

為保證來自傳感器信息的傳輸，完整的回路應該包括電源線、傳感器以及信道。對于遠程傳感器，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，傳感器所測得的數據向ECU傳輸時采用單向傳輸，要求與數據線相連的是無源傳感器件。隨著傳感系統(tǒng)功能的增加，雙向通信應運而生。為能夠在檢測過程當中改變操作參數，選擇不同的信號源，以及其他更復雜的功能的實現，都需要改變傳感器的運行模式。

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，以實現最基本的功能，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，放大器用于調整合適的放大倍數。如果要加入微調環(huán)節(jié)及溫度補償環(huán)節(jié)的話，甚至是只加一個簡單的自檢環(huán)節(jié)，所需的元器件數量將更多。 

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和集成化技術的發(fā)展，ECU上分立元件的數量不斷減少，而且還具有信號處理和自檢能力。這是通過高性能IC的軟件來實現的。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到獲取各種不同傳感器信息的功能。

3．數字通信式傳感器接口

數字通信式傳感器與ECU的接口如圖2-53所示。

隨著傳感器的智能化，就可以調節(jié)信號的轉移特性，可以進行自檢，而且可以在傳感器內部進行通信，這樣一來，傳感器就從一個無源器件變成了一個獨立的子系統(tǒng)。對于那些子系統(tǒng)來說，其通信規(guī)則由具體的應用情況來定義，而與傳感元件無關。這樣可以大大減小通信開銷，因為高速度采樣處理模塊已經移植到傳感器內部。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，器件的數量得到進一步減少，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量進一步提高。