不可見的傳感器正滲透到車輛控制領(lǐng)域

　　現(xiàn)代的汽車充滿了傳感器，提供各式各樣的信息，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制方面到乘客安全方面。傳感器技術(shù)正在不斷發(fā)展，使得傳感器更加易于設(shè)計(jì)，具備更高的可用性和更強(qiáng)的功能。

　　傳感器和處理器，就像科幻電影中的異型生物一樣，已經(jīng)真實(shí)地接管了今天的汽車。他們不僅僅出現(xiàn)在可見的區(qū)域，例如載客室[z1]，同時(shí)也被嵌入到車輛的每一個(gè)隱蔽角落，包括傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤，監(jiān)測并控制著性能、安全和基本車況。
　　在汽車上大量裝配傳感器的推動(dòng)力主要來源于各個(gè)方面的強(qiáng)烈需求，這包括更好的油耗經(jīng)濟(jì)性，減少尾氣排放，減小發(fā)生事故的概率，并且增加發(fā)生事故后的安全性。新的傳感器技術(shù)不僅提高了現(xiàn)有傳感器的性能，也使得以前無法實(shí)際應(yīng)用于主流消費(fèi)者產(chǎn)品中的探測技術(shù)成為可能。傳感器的應(yīng)用已經(jīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)延伸到排氣裝置，甚至到油箱：Freescale提供一個(gè)低壓力差分傳感器，可以檢測油箱的泄漏。

　　壓力測量
　　車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電子、機(jī)械和化學(xué)系統(tǒng)，要想提高其性能必須測量多個(gè)點(diǎn)的壓力。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要測量“多路絕對(duì)壓力”（manifold absolute pressure，MAP)，獲取這一數(shù)據(jù)的傳感器不可避免地要暴露在汽油之中。這些燃油
系統(tǒng)也越來越多地測量氣流，這是通過經(jīng)過強(qiáng)化的采用成熟的熱線（hot-wire）技術(shù)的傳感器實(shí)現(xiàn)的，它沒有可動(dòng)部分。與此相對(duì)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)需要測量大氣絕對(duì)壓強(qiáng)（barometric absolute pressure，BAP），需要的傳感器可以被放置在控制模塊中，處于一個(gè)不太惡劣的位置。
　　MEMS加工技術(shù)改變了傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)裝置的工作方式，它是傳感器信號(hào)鏈中的一個(gè)關(guān)鍵部分。Freescale公司傳感器和模擬器件部門的汽車產(chǎn)品市場經(jīng)理Steve Hendry 說，F(xiàn)reescale公司正在將傳感器從以往的立體微機(jī)械設(shè)備移植到表面微機(jī)械單元，“通過使用電容技術(shù)，可以達(dá)到占用更小的面積，實(shí)現(xiàn)更低的成本的目標(biāo)，并且還可以將誤差控制在1%~2%”。同時(shí)他還補(bǔ)充說明，下一代的設(shè)備將會(huì)是一個(gè)雙芯片設(shè)備，包括一個(gè)傳感器和一個(gè)分立的CMOS信號(hào)調(diào)節(jié)器，這個(gè)傳感器將會(huì)比一個(gè)引線結(jié)合墊片還小；總的來說，這種組合將會(huì)產(chǎn)生最好的性能價(jià)格比。

　　非接觸測量
　　常見的霍爾效應(yīng)傳感器可以被廣泛應(yīng)用于那些車輛內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的、線性的以及開/關(guān)位置感應(yīng)的場合，參見附文“什么是霍爾效應(yīng)？”[z2]。因?yàn)樗麄児逃械膶?duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、封裝形式以及不會(huì)隨著時(shí)間退化的特性，霍爾效應(yīng)設(shè)備已經(jīng)作為線性和開/關(guān)傳感器在多變的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)了穩(wěn)固的地位。例如，線性霍爾效應(yīng)設(shè)備現(xiàn)在正被用于感應(yīng)關(guān)鍵的閥門位置。
　　按照Melexis公司發(fā)動(dòng)機(jī)管理/霍爾傳感器應(yīng)用和市場部門的Vincent Hiligsmann的說法，“許多汽車制造商已經(jīng)認(rèn)定未來的發(fā)展方向是盡可能地使用非接觸工作方式”，這就促使傳感器的設(shè)計(jì)開始主要基于霍爾效應(yīng)、光學(xué)和壓力技術(shù)。非接觸感應(yīng)允許設(shè)計(jì)上采用封裝的方式來保護(hù)感應(yīng)器件，增加可靠性和減小長期工作時(shí)塵埃、腐蝕和液體引發(fā)的問題。他指出這種傳感器具備的優(yōu)點(diǎn)是如此的令人神往，以至于下一代技術(shù)應(yīng)該和上一代保持兼容這一汽車工業(yè)傳統(tǒng)的指導(dǎo)方針也被擱置到一邊，“如果已經(jīng)可以使用非接觸版本的器件，就沒有必要和那些古老的、使用電壓計(jì)、提供連續(xù)輸出的設(shè)備保持向前兼容。”
　　Allegro Microsystems公司的戰(zhàn)略市場經(jīng)理Kirsten Doogue說，Allegro使用一個(gè)三元素傳感器，來測量位置、相位偏移和信號(hào)相關(guān)性，即使在零速度情況下也不丟失任何信息。那些可以提供方向信息，并且區(qū)分是真實(shí)移動(dòng)還是振動(dòng)的傳感器，都整合了一個(gè)內(nèi)部磁體，因?yàn)榇朋w到傳感器的定位對(duì)于提供可靠和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候輸出45ms脈沖的數(shù)字PWM，在后退運(yùn)動(dòng)的時(shí)候則輸出90ms的脈沖，可以將輸出連接到處理器或者微控制器進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
　　對(duì)制造過程的考慮也是構(gòu)成器件挑戰(zhàn)的一部分。不像所有的電子電路，器件的擺放和固定都由PCB設(shè)計(jì)人員決定，傳感器必須和外部世界交互，就如它的定義一樣，這就有可能在其它情況發(fā)生變化的時(shí)候?qū)е聠栴}。Allegro公司的Doogue舉例說明，通常使用一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪來觸發(fā)霍爾效應(yīng)傳感器，傳感器和齒輪需要調(diào)整以便互相匹配。她說明，“一個(gè)澆鑄部件產(chǎn)生的信號(hào)弱于低成本的沖壓部件”，兩個(gè)信號(hào)之間相差兩倍，所以當(dāng)生產(chǎn)商將BOM表中的一個(gè)澆鑄件換成一個(gè)沖壓件（也即替換成明顯可成形的合適的功能部件），就可能對(duì)傳感器的電子信號(hào)造成有害的影響。
　　低成本的無接觸傳感器可以被用于老式傳感器無法滿足的安全和控制領(lǐng)域。慣性傳感器，包括陀螺儀和加速計(jì)，使得穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)控制成為可能，參見附文“擺動(dòng)但不要翻轉(zhuǎn)”[z3]。

　　可靠性和成本規(guī)則

　　每一個(gè)市場都有成本壓力，但是汽車市場同時(shí)具有成本和可靠性的多重壓力，因?yàn)樽層脩?ldquo;走回家”的錯(cuò)誤、安全性召回、以及煩人的“發(fā)動(dòng)機(jī)檢查”都會(huì)影響公司的聲譽(yù)、銷售和賬本底線。隨著對(duì)越來越多的關(guān)鍵性能傳感器的依賴性上升，設(shè)計(jì)必須在所有的層次上考慮可靠性問題，從最基本的傳感器、封裝形式一直到算法。對(duì)大多數(shù)傳感器來說，都面臨一個(gè)兩難的選擇，那就是他們必須通過某種方式暴露到“外部”的世界中，以便得到感興趣的數(shù)據(jù)，而這種暴露同時(shí)也引入了嘈雜的汽車環(huán)境中的機(jī)油、燃料、水汽、塵埃和碳?jí)m，這些都會(huì)干擾傳感器的接觸點(diǎn)和端點(diǎn)，甚至有的時(shí)候會(huì)干擾感應(yīng)元件本身。
　　在電子元件層次上，傳感器IC可以使用特殊的過成形（overmolding）技術(shù)在維持內(nèi)部腔室的同時(shí)提供額外的封裝保護(hù)。那些二級(jí)供應(yīng)商采購基本的傳感器，將它們和相關(guān)的電子器件一起封裝成模塊以便后續(xù)高級(jí)工藝使用，再提供給一級(jí)供應(yīng)商。一級(jí)供應(yīng)商使用保形涂料甚至是硅膠來保護(hù)接線和結(jié)合部，就像特別密封的模塊化住宅一樣。主要的“一級(jí)”供應(yīng)商，例如Visteon、Bosch和TRW都有他們自己偏好的技術(shù)來設(shè)計(jì)這些模塊。
　　雖然使用多個(gè)、冗余的傳感器看起來是一個(gè)簡單的系統(tǒng)級(jí)解決方案，以便面對(duì)冗余性需求的挑戰(zhàn)，但通常不需要這么做。除了
顯而易見的成本上升外，更多的傳感器意味著有更多出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)典難題就是判斷信號(hào)鏈中的什么部分需要冗余來避免虛弱連接。如果兩個(gè)冗余的傳感器給出了不同的感應(yīng)結(jié)果，除非有一個(gè)結(jié)果完全超出了可能的范圍，否則系統(tǒng)該如何判斷是哪一個(gè)傳感器出了問題呢？
　　雖然如此，某些傳感器也可以使用二重結(jié)構(gòu)。Melexis公司推出了一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，將兩個(gè)一樣的模塊包含到一個(gè)封裝之中。這兩個(gè)模塊完全彼此獨(dú)立工作，并在電氣上相互隔離，使用不同的供電、接地和輸出連接；單一的封裝減小了整體的成本，但是沒有妨礙增加系統(tǒng)的可靠性。
　　另外一種方法是給元件增加更多的自我檢測機(jī)制，以便它可以執(zhí)行不同的自檢功能。例如，如果這個(gè)智能傳感器通過檢查自身的讀入數(shù)據(jù)、輸入/輸出、變化的速率或者其他因素，認(rèn)為自身出現(xiàn)了故障，就可以驅(qū)動(dòng)自己的輸出到一個(gè)特定的數(shù)值和安全模式。
　　最后，軟件和算法開發(fā)人員必須在代碼中智能地評(píng)估傳感器得到的數(shù)值，判斷哪些是有意義的哪些不是。就如Allegro公司的Doogue所說，在傳送的過程中，你使用一個(gè)傳感器來獲得輸入軸的速度和方向，使用另一個(gè)傳感器來監(jiān)控輸出軸，“這個(gè)輸入/輸出對(duì)必須彼此關(guān)聯(lián)，否則一定是哪里出了問題，你可能得走回家去”。 Melexis 公司的Peter Riendeau則表示，傳感器元件提供商正在日益將板級(jí)解決方案封裝到IC當(dāng)中，“將處理器、驅(qū)動(dòng)電路、電子保護(hù)、總線接口甚至固件都裝在一個(gè)芯片內(nèi)”。

　　這是一個(gè)小小的世界，但也可能不是
　　
　　工業(yè)設(shè)計(jì)和制造的全球化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但并不絕對(duì)。許多傳感器相關(guān)的特征正在變得標(biāo)準(zhǔn)化而不管來自什么車輛，例如燃油電子控制和點(diǎn)火系統(tǒng)就是主要的樣例，但也有一些并不標(biāo)準(zhǔn)。
　　世界上同時(shí)存在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)了美國汽車市場超過90%的份額，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲更加強(qiáng)勢。[z4]為了增強(qiáng)美國市場的接受度，汽車制造商添加了更多的傳感器和控制器，提升柴油動(dòng)力車輛的起步與冷起步性能、發(fā)動(dòng)機(jī)的平滑性和整體駕乘感受。
　　自動(dòng)化傳動(dòng)在歐洲的普及率不如美國，因?yàn)樵谙M(fèi)者眼中，它的可靠性、油耗和成本都有待商榷。但是隨著這些相關(guān)指標(biāo)的改進(jìn)，這一概念在歐洲也正變得日益受到關(guān)注。這種情況是因?yàn)樘砑恿烁郊拥膫鞲衅鳎軌蛱峁?shù)據(jù)給先進(jìn)的32位微處理器。

　　未來會(huì)怎樣？

　　對(duì)于車用傳感器而言，未來有兩個(gè)發(fā)展方向。設(shè)計(jì)人員可以在每一個(gè)縫隙和隱蔽處添加更多現(xiàn)有類型的傳感器，也可以考慮那些他們以前想要測量，但是限于沒有能符合嚴(yán)格技術(shù)要求或者強(qiáng)制成本因素的傳感器而未能實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域。在那些還沒有圓滿解決的領(lǐng)域中，就包括用于測定發(fā)動(dòng)機(jī)后座的傳感器和算法，它常常和正常的振動(dòng)，特別是啟動(dòng)時(shí)候的瞬時(shí)狀態(tài)混淆起來。
　　汽車制造商也希望能夠測定旋轉(zhuǎn)部件，例如凸輪軸、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)軸的絕對(duì)位置，而不是相對(duì)位置。這種傳感能力在停步-起步的狀態(tài)下特別有用，因?yàn)楝F(xiàn)有的傳感器都是增量式的，在下一次經(jīng)過標(biāo)記點(diǎn)之前不可以重新同步。更好的凸輪軸感應(yīng)，例如絕對(duì)輸出，將會(huì)減小讀數(shù)的突然跳變，這個(gè)跳變無法使用軟件糾正。
　　更加有趣的是，F(xiàn)reescale公司的Hendry表示他們想要直接測量氣缸壓力，以便改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射和點(diǎn)火時(shí)間。這要求使用能夠忍受高溫和振動(dòng)的陶瓷部件。他也指出廠商希望可以測量傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵壓力，并且通過安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的加速計(jì)來測量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，這使得人們可以洞察發(fā)動(dòng)機(jī)爆震（點(diǎn)火之前）的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)并增大油耗。
　　另外一個(gè)改進(jìn)領(lǐng)域是感應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的扭矩，這個(gè)參數(shù)的測量在更大的在位（in-place）工業(yè)機(jī)械中也是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，汽車控制使用速度數(shù)據(jù)來間接地推算扭矩，但是我們希望使用更加直接和精確的解決方案。一個(gè)可能的解決方法是使用SAW（表面聲波，surface acoustic wave）設(shè)備、磁阻設(shè)備或者霍爾效應(yīng)傳感器，所有這些都必須在性能和成本之間進(jìn)行一定的折中，盡管通過正確的設(shè)計(jì)和安裝，他們都可以在嘈雜的環(huán)境中工作。
　　就是在現(xiàn)有的傳感器參數(shù)上，也存在提升的空間。自檢或稱自校驗(yàn)傳感器當(dāng)然會(huì)提高整體的可靠性，但在目前只有加速計(jì)具備完整的自檢功能，它可以對(duì)自己的校驗(yàn)集合進(jìn)行激勵(lì)并查看響應(yīng)。與此相對(duì)的是，普遍存在的壓力傳感器除了零點(diǎn)以外，都很難校準(zhǔn)和測試；溫度傳感器只能通過對(duì)它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行可信度評(píng)估來測試，而不能直接確認(rèn)。目前，冗余或者自校驗(yàn)傳感器僅僅被用于安全系統(tǒng)或者防鎖死剎車系統(tǒng)（antilock brake systems，ABS），沒有應(yīng)用在傳動(dòng)系統(tǒng)中。

　　【附文】
　　什么是霍爾效應(yīng)？
　　霍爾效應(yīng)在1879年被E.H. Hall發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果完全不同。當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。
　　雖然這個(gè)效應(yīng)多年前就已經(jīng)被大家知道并理解，但基于霍爾效應(yīng)的傳感器在材料工藝獲得重大進(jìn)展前并不實(shí)用，直到出現(xiàn)了高強(qiáng)度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。根據(jù)設(shè)計(jì)和配置的不同，霍爾效應(yīng)傳感器可以作為開/關(guān)傳感器或者線性傳感器。

　　【附文】
　　擺動(dòng)但不要翻轉(zhuǎn)
　　不管是被動(dòng)式還是主動(dòng)式的車輛底盤控制系統(tǒng)，都是傳感器密集的場所。被動(dòng)式控制是一個(gè)很成熟的體系，通過在設(shè)計(jì)中使用抑制控制、預(yù)緊式安全帶和氣囊，在事故發(fā)生后降低傷害?，F(xiàn)在許多新的主動(dòng)式系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來，通過周密的狀況評(píng)估以及到底盤控制以及剎車系統(tǒng)的連接，用于預(yù)測危險(xiǎn)的情況，避免事故的發(fā)生。防鎖死剎車系統(tǒng)（antilock brake systems，ABS）已經(jīng)證明了這種主動(dòng)式系統(tǒng)的價(jià)值，也使公眾習(xí)慣了由電子系統(tǒng)接管車輛某些控制的觀念。iMEMS Inertial Sensors 公司的產(chǎn)品市場經(jīng)理David Krakauer指出，穩(wěn)定性控制已經(jīng)在歐洲廣泛采用，但是“在美國，駕駛員非常不愿意放棄控制權(quán)”。
　　隨著低成本、精確的陀螺儀和加速計(jì)可以按照標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝提供，設(shè)計(jì)者可以將它們組合起來使用，配合上靈活的算法，可以獲得車輛的慣性數(shù)據(jù)。對(duì)于基本的翻轉(zhuǎn)保護(hù)器來說，僅僅一個(gè)運(yùn)行在翻轉(zhuǎn)軸線上的翻轉(zhuǎn)感應(yīng)陀螺儀就足夠了，但也只是勉強(qiáng)夠。在陀螺儀以外添加加速計(jì)，算法可以發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的前兆，這些測定要求傳感器具有很高的精度。系統(tǒng)和算法必須能夠判定翻轉(zhuǎn)的前兆，例如轉(zhuǎn)向過度的時(shí)候車輛的后部會(huì)大幅擺動(dòng)，有可能引起翻轉(zhuǎn)。
　　在這些傳感器的配置和互聯(lián)中，安裝占了很主要的位置。碰撞檢測加速計(jì)安裝在車輛的外圍，監(jiān)測不同的碰撞角度。翻轉(zhuǎn)慣性傳感器——陀螺儀和加速計(jì)——可以安裝在一個(gè)包含其他電氣部件（例如氣囊系統(tǒng)的其他組件）的中央模塊中。通過傳感器對(duì)信號(hào)的數(shù)字化處理，以及一級(jí)提供商定義的總線格式，與分散的傳感器的互連越來越多地開始使用數(shù)字輸出。數(shù)字信號(hào)理所當(dāng)然地提供了更好的抗噪能力，并且在IC供電下降的時(shí)候也能維持信號(hào)的穩(wěn)定性，與此相對(duì)的模擬輸出信號(hào)在這種環(huán)境下的分辨率和SNR都很有限。
　　Krakauer指出，妨礙慣性傳感器成為汽車市場主流的最大問題，是一級(jí)提供商和OEM廠商更加偏愛傳統(tǒng)IC——使用標(biāo)準(zhǔn)的封裝，不需要校準(zhǔn)，不需要特別的處理，從傳送帶上一下來就可以直接放置到PCB上。他補(bǔ)充說明，目前“他們需要對(duì)位置、安裝后的應(yīng)力以及溫度的校準(zhǔn)”。他指出在早先的日子里，“生產(chǎn)商會(huì)使用多個(gè)傳感器達(dá)到冗余，但是現(xiàn)在，主動(dòng)式控制要求具備[上電]自檢功能 ” 。通過組合傳感器的數(shù)據(jù)和更好的分析算法進(jìn)行準(zhǔn)合理測試是確保系統(tǒng)可靠有效的下一個(gè)步驟。
　　雖然有著這些挑戰(zhàn)，Analog Devices公司近日仍然宣布他們已經(jīng)銷售了超過2億個(gè)慣性傳感器，其中絕大多數(shù)用于汽車工業(yè)。Krakauer指出，“在未來幾年，車輛將會(huì)具備三維的陀螺傳感器，配合著三個(gè)低重力加速度的加速計(jì)，來進(jìn)行車輛翻轉(zhuǎn)和穩(wěn)定性控制，再加上一到三個(gè)高重力加速度的加速計(jì)來進(jìn)行不同角度的碰撞檢測”