另類傳感器觀念：汽車傳感器

傳感器正用于對汽車乘客區(qū)進行全面檢測。

　　要點
　　·傳感器在轎車中的用途遠遠超出了動力系統(tǒng)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域。
　　·乘客區(qū)是傳感器使用量增長的領(lǐng)域，尤其是占用情況檢測。
　　·具有諷刺意味的是，傳感器必須使用多種技術(shù)，才能弄清楚人們顯而易見的細節(jié)。

　　今天的轎車裝滿了傳感器，用以提供性能和安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。一開始，傳感器是信號路徑中的第一條鏈路，用來監(jiān)視引擎和傳動系統(tǒng)的各項參數(shù)，比如氧氣、流體、溫度、電壓和電流，但它們的用途很快擴大到了來自各種致動器和電動機的反饋回路，其中包括防抱死系統(tǒng)和電動窗電動機。當(dāng)然，傳感器對于氣囊部署系統(tǒng)的碰撞傳感是至關(guān)重要的。
　　傳感器的應(yīng)用并不僅僅局限于檢測關(guān)鍵的汽車操作和安全因素或向轎車必須安裝的 OBD（車載診斷）系統(tǒng)報告（參考文獻 1）。OEM 們對傳感器的信心已隨傳感器的功能和可靠性的提高而提高，而且傳感器成本已降低，因此傳感器目前在乘客區(qū)中起著更多不同的作用——使乘客區(qū)安全、舒適、便利和一應(yīng)俱全。轎車和卡車越來越多地提供家庭娛樂項目——但卻是在四個或更多個輪子的車上提供，乘客區(qū)及其占用者的每一方面都要接受評估。

　　我知道你在那里
　　傳感器始終存在描述  簡單的目標(biāo)物理變量和具體安裝現(xiàn)實情況之間的矛盾。大多數(shù)傳感器可測量人們很熟悉的容易理解的因素，比如溫度、壓力、照明度、流量或速度。但是，當(dāng)您檢查這種情況的細節(jié)和約束條件時，您很快會明白：在這個條塊分割、高度專用的世界里，為什么有這么多傳感器（見附文《為了封裝、服務(wù)和保護》）。當(dāng)傳感器必須測量人們看一眼就能明白的細節(jié)，但卻必須用某種間接方法來推斷其評估時，對傳感器的選擇可能特別令人沮喪。
　　這種情況是對乘客占用情況檢測傳感器的寫照。汽車氣囊越來越復(fù)雜，遠遠超出了最初為司機和前座乘客準(zhǔn)備的單一迎面碰撞氣囊。轎車目前配備了防側(cè)撞氣囊、氣囊簾和多個排列復(fù)雜的氣囊，還配備有與碰撞的角度和速度匹配的分段氣囊。然而，如果氣囊部署得過于侵略性，或者如果乘客是一名兒童，受到全面部署的氣囊打擊，那么氣囊也可造成乘客受傷甚至死亡。
　　由于這些原因，汽車制造商們想讓氣囊部署系統(tǒng)知道對于人來說顯而易見的信息：乘客數(shù)量、乘客的座位與坐姿、體格大小以及是否有人坐在兒童座位上。這些問題問起來容易，但卻很難利用成本有效的可靠技術(shù)來回答。汽車廠商們正在使用不同方法，其中包括壓力（重量）測量、成像（可視圖像和紅外線圖像）甚至電場檢測。
　　確定誰坐在轎車中的一個明顯辦法就是測量每位乘客產(chǎn)生的座位壓力，使每個座位成為一個基本的磅稱。實際上，使用一個壓力傳感器，如到處使用的硅應(yīng)變傳感器或霍爾效應(yīng)傳感，是不夠的，因為坐姿、嬰兒座位甚至一袋雜貨都會影響傳感器讀數(shù)（圖 1）。因此，廠商們使用基本壓力傳感器或者霍爾效應(yīng)傳感器陣列來產(chǎn)生每個座位上的重量分布圖。根據(jù) Allegro Semiconductor 公司的說法，一個典型的座位總共有 14 ～ 16 個霍爾傳感器的輸出，因此占用情況檢測器系統(tǒng)能夠評估這個人的體格大小，或者，如果它是在評估轎車座位，它就能評估座位是否被占用。該系統(tǒng)既有各種讀數(shù)，又有其它數(shù)據(jù)，比如來自安全帶系統(tǒng)的信息，表明安全帶是否扣好以及帶上的拉力。

圖1，設(shè)計師在轎車中單獨使用 IC 霍爾效應(yīng)傳感器（比如 Allegro Microsystems 公司生產(chǎn)的這種傳感器）進行運動控制反饋，或成群地使用它們進行乘客占用情況檢測。

　　工程師們必須把這些傳感器設(shè)計并制造到座位結(jié)構(gòu)中，不能在轎車的內(nèi)部設(shè)計完成以后才把它們作為附件設(shè)計進去。傳感器 OEM 們確確實實必須按照經(jīng)常反復(fù)念叨的老話去做：及早與汽車廠商或越來越多地與子系統(tǒng)供應(yīng)商們（他們把完整的高級組件作為插入式部件提供給汽車制造商）合作，提供完整的解決方案，而不只是 IC。
　　解決座位是被占用問題的另一種方法是使用幾個紅外線成像傳感器。這種方法以電子方式來操縱這種熱電堆陣列，（據(jù) Melexis 等廠商說它采用的元件有100個之多），因此它能掃描汽車中的各個座位位置。MLX90247 陣列——它通常安裝在轎車車頂?shù)难b飾物中，作為圓頂燈組件的一部分，或在其附近——使用一個聚焦的視野來避免把司機混淆為乘客。除了一個鏡頭以外，它還需要一個溫度測量器件（如熱敏電阻），以便在環(huán)境溫度范圍內(nèi)對陣列的讀數(shù)進行冷端補償。
　　一些廠商提供的不是紅外線傳感，而是可見光成像。Micron Technology 公司提供一種 1050 ～450 納米 CMOS 圖像傳感器，其敏感范圍包括可見光波段以及近紅外波段。在白天，這種 750x480 像素傳感器使用自然光；在晚上，它使用發(fā)射紅外線的 LED 來照明。它設(shè)計用來與中等速度的 DSP 配合，以 10 位/像素的分辨率和 100幀/秒的成像速率捕獲并評估一幀幀圖像，以便在碰撞發(fā)生、氣囊彈出時，確定乘客的確切位置和方向（甚至能知道是前傾還是側(cè)傾）。為了降低 DSP 的處理負(fù)荷，算法評估整個圖像畫面，然后只對畫面中乘客部分進行下一步分析。
　　不論汽車制造商更喜歡可見光傳感器還是紅外線傳感器，他們都必須做出其它決定，其中包括是使用單個成像陣列還是成對的立體成像陣列，是使用彩色傳感器還是黑白傳感器，甚至是否將傳感器陣列裝在轎車內(nèi)不同部位以便提供不同視角圖像。

　　別忘了場論

　　雖然檢測座位壓力和圖像傳感都是有效的方法，但是一種更微妙的方法則是 Freescale Semiconductor 公司（曾是 Motorola 公司的一部分）和 Elesys 公司合作研制的一種系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這種方法就是“電場傳感”，它利用各種物體因具有帶電原子而產(chǎn)生的電場。電場傳感是一種 3D 圖像傳感形式，利用多個電極收集到的信號來“描繪”座位占用情況。
　　Freescale 公司的 MC33794 是此類電場傳感器的核心（圖 2）。它內(nèi)部有一個 120kHz 振蕩器，可將信號通過一個內(nèi)部電阻器發(fā)送到傳感器的各個電極。內(nèi)部電阻器上的電壓降是電極對地電容的函數(shù)。這種加在MC33794 的 9 個電極上的電容性負(fù)荷構(gòu)成了被傳感的電場。

圖2，F(xiàn)reescale 公司的傳感器使用一個 120kHz 振蕩器，通過多個點檢測電場，從而檢測乘客。它還可以檢測水汽和其它現(xiàn)象。

　　電場傳感法的關(guān)鍵是天線。一付典型的天線位于距離MC33794 及其相關(guān)電子電路 1~2 米遠的地方，尺寸大約是鼠標(biāo)墊那么大。汽車制造商可以使用作為轎車座位一部分的導(dǎo)電性泡沫塑料來制造天線。通向天線的傳輸線路中的雜散干擾可能使預(yù)想的天線區(qū)域信號變模糊，為了把這種干擾降至最低程度，MC33794 能主動驅(qū)動屏蔽裝置來降低負(fù)荷，這與電壓表的靈敏模擬輸入端上的保護輸入類似。
　　霍爾效應(yīng)和電場傳感都不只是處理乘客區(qū)中的體積占用情況。這兩種傳感器可能是轎車乘客用來啟動儀表板控制器、車窗和其它功能的無觸點開關(guān)和按鈕的核心。從理論上說，這種方法可以提高可靠性和延長工作壽命，并避免由于觸點侵蝕、污垢積累、機械應(yīng)力而造成的各種問題。電場傳感還能檢測擋風(fēng)玻璃上的水或水汽。
　　在所有這些可供選擇的占用情況檢測方法中，哪一種最好？如以往任何時候一樣，答案是“得看情況”。每一種技術(shù)在成本、布局和性能一致性方面各有利弊。例如，您必須在汽車設(shè)計周期的早期，仔細地把霍爾傳感器或電場傳感器設(shè)計到座位中。 相比之下，您可以在更晚的階段增加紅外線傳感器。然而，環(huán)境溫度和照明會影響紅外線傳感器，因此設(shè)計師必須補償這些影響，還要了解如果傳感器未得到適當(dāng)控制，充足的陽光會帶來哪些性能限制和影響?？梢姽獬上衿髟谌展庀聸]問題，但必須具有適合于從充足陽光環(huán)境到陰影環(huán)境的動態(tài)范圍。

　　它是自己的環(huán)境

　　在乘客區(qū)內(nèi)，除了座位是否被占用問題之外，還有其他的問題。與照明、溫度、氣流以及各種助力附件有關(guān)的問題都會影響乘客的舒適、感覺和安樂感。今天的轎車配備了多種微型助力電動機，用來實現(xiàn)反光鏡控制和座位位置控制等各種功能。這些電動機通常是無刷型的，配備起反饋作用的霍爾效應(yīng)傳感器。把所有這些功能與轎車的神經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)系起來，則是另一項挑戰(zhàn)（見附文《也許會用在公共汽車上》）。
　　車內(nèi)供暖和空調(diào)在汽車中早已很普遍了，但如今的高級汽車乘客期望通過座位升溫和降溫來體驗更加個性化的感受。（當(dāng)然，如果您處于沙漠地區(qū)，那么座位降溫就不只是一種方便了。）現(xiàn)有好幾種方法可提供這些座位上的物質(zhì)享受。在座位內(nèi)部或附近的內(nèi)置線圈會產(chǎn)生熱量，一個小型吹風(fēng)機把加熱的空氣送到座位表面。從機械角度而言，降溫更加困難，這是因為通過座位中的微型管道系統(tǒng)來輸送冷卻空氣是一個難題。一些廠商正在座位下面使用珀耳帖效應(yīng)冷卻器來產(chǎn)生冷卻空氣，然后再由系統(tǒng)迫使冷卻空氣流過多孔的座位織物。
　　無論您使用哪種方法，都要考慮兩個有關(guān)傳感器的問題。第一個問題是顯而易見的：測量座位溫度，以便控制升溫和降溫。另外，微型氣流電動機（通常是無刷電動機）需要霍爾效應(yīng)器件等傳感器來管理電動機的旋轉(zhuǎn)，并向閉環(huán)控制提供反饋。
　　然而，轎車需要知道的不僅僅是座位的溫度。即使汽車沒有座位升溫和降溫功能，閉環(huán)氣候控制也需要知道乘客體溫或車內(nèi)部溫度。一種方法是安裝一個小型風(fēng)扇，把乘客區(qū)的溫度吹入儀表板，然后經(jīng)過一個溫度傳感器。但是這種方法需要儀表板上有一個受到保護的孔以及一個占用空間的風(fēng)扇，并且它告訴您的溫度是空氣的溫度，而不是乘客的體溫。另一種方法是，一些汽車制造商目前正在利用齊平地安裝在儀表板面板中的聚焦紅外線傳感器，來直接檢測司機和乘客的皮膚溫度。為了進一步改進氣候控制系統(tǒng)，Hamamatsu 公司的 S3689 寬角光電傳感器（在960納米波長上具有峰值響應(yīng)）等元件可以測量車內(nèi)由陽光引起的熱負(fù)荷。（圖 3）。

圖3，汽車內(nèi)部的任何一個方面都沒有小到可以忽視的程度。Hamamatsu 公司的 S3689 紅外線傳感器根據(jù)車內(nèi)氣候控制系統(tǒng)正在處理的熱負(fù)荷輸出一個信號。

　　由于儀表板及其儀器面板是司機與汽車之間的界面，因此適度的照明也是個問題。寬動態(tài)范圍可見光傳感器，比如 Microsemi Integrated Products 公司的 LX1971（峰值響應(yīng)出現(xiàn)在 520 納米波長），可在這種情況下使用。這些安裝在儀表板上的光電傳感器提供控制輸出信號，使車內(nèi)照明維持在用戶設(shè)置的亮度，而與環(huán)境照明、陰影、隧道環(huán)境以及類似擾動無關(guān)。
　　如果有人偷了您的車，或者您迷路了，那么這些傳感器和物質(zhì)享受全都無濟于事。汽車廠商和維修零件市場警報系統(tǒng)廠商正指望利用最新的成熟技術(shù)來補充現(xiàn)有方法。例如，Analog Devices 公司推出的  ADXL213型±1.2g 加速計，靈敏度高，它使用最初為高重力加速度氣囊碰撞傳感器開發(fā)的 MEMS（微型機電系統(tǒng)）技術(shù)，來檢測轎車被升起、拖曳或沖撞時可能會發(fā)生的任何沖擊、晃動甚至緩慢傾斜（圖 4）。

圖4，雙軸加速計，如Analog Devices 公司的 ADXL213 （上），還能監(jiān)視任何不希望有的轎車運動，比如由盜車引起的運動（下）。

　　雖然基于 GPS（全球定位系統(tǒng)）的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)對確定汽車位置有很大幫助， 但它們的確有一些局限性。在衛(wèi)星信號被阻擋的“暗”信號期間（比如在隧道中），或在困難的信號區(qū)域（比如那些阻擋或反射信號的城市峽谷），GPS 設(shè)備會失去跟蹤能力或處于混亂狀態(tài)。由于這個原因，更高端的 GPS設(shè)備包含低重力加速度加速計，用以補充 GPS 讀數(shù)。這些傳感器根據(jù)汽車的最后已知位置和汽車自從該位置以來移動的距離，來提供一種計算法定位最新數(shù)據(jù)。（距離是速度的積分，而速度是加速度的積分。）雖然在長距離上，這種方法不如 GPS 精確，但它可在信號缺失間隙提供一種良好的臨時最新數(shù)據(jù)。

　　為了封裝、服務(wù)和保護

　　多年來，電子業(yè)幾乎一直只使用表面貼裝器件封裝。傳感器稍微落后于這一潮流，這有幾個原因。首先，傳感器必須伸出去感覺被檢測的變量這一性質(zhì)，有時使它不能使用 SMT（表面貼裝技術(shù)）封裝，或?qū)@一封裝提出挑戰(zhàn)，具有一個暴露但密封的表面的壓力傳感器就是如此。其次，與低端消費產(chǎn)品相比，汽車行業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計至投產(chǎn)的時間更長。最后，汽車行業(yè)想看到任何技術(shù)的已得到證明的成績記錄。
　　盡管有這些障礙，轎車中的幾乎所有傳感器，尤其是在不大困難的乘客區(qū)，都是表面貼裝器件，光電傳感器和光源是主要的例外。除了尺寸上的優(yōu)勢以外，這種封裝意味著這些傳感器還可用于非汽車應(yīng)用設(shè)計，并且所有設(shè)計師都得到了開發(fā)成果和大批量生產(chǎn)帶來的好處。
　　當(dāng)然，這是一種雙向途徑。很多汽車傳感器都是在為非汽車用途開發(fā)的傳感器基礎(chǔ)上經(jīng)過特殊修改而成的。這些非汽車傳感器，一旦設(shè)計師將它們的規(guī)范修改得符合汽車市場需求，它們又證明了自己的性能，就可以用于轎車中。
　　除了永遠存在的成本問題以外，汽車環(huán)境始終是個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中包括元件在-40℃~ +140℃ 或更高的工作溫度和存儲溫度范圍內(nèi)的可靠性和參數(shù)穩(wěn)定性、把傳感器安裝到汽車結(jié)構(gòu)中和經(jīng)受得起有意無意的磨損和濫用等一系列要求以及實現(xiàn)總的系統(tǒng)性能一致性，這樣讀數(shù)就不會起誤導(dǎo)作用。
　　一些汽車廠商要求整體的 ESD（靜電放電）防護，來減少外部保護元件的數(shù)量，還要求使用能夠承受反向電池電位和雙倍電池電位（-16V ~ +32V）的傳感器，這些電位是由更換或跳接電池時不恰當(dāng)?shù)倪B接導(dǎo)致的。

　　也許會用在公共汽車上

　　大多數(shù)傳感器元件或 IC 天生能輸出一個低電平模擬信號。有些 IC 傳感器還有整體信號調(diào)節(jié)功能，可把這一信號提高到更實用的 0V ~ 5V 范圍（通常是一個單端信號，但在一些傳感器中是差分信號）或 0mA ~ 10mA電平。
　　另外，多數(shù)傳感器需要一個微控制器來截取信號。由于模擬信號的帶寬一般相當(dāng)窄，并且精度中等，因此一個分辨率為 8位~12位的、采樣率為10k~100k 采樣/秒的、內(nèi)置于微控制器中的 ADC 一般就夠用了。有些傳感器在它們的封裝組件中包括一個內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器，從而為傳感器線性化和校準(zhǔn)提供了機會。設(shè)計師一般在一個引線框架上使用雙芯片組件，以便節(jié)省成本和空間。
　　汽車制造商對這種雙芯片組件特別感興趣，這是因為它使他們能夠降低所需的傳感器組件安裝精度。汽車制造商可以安裝傳感器組件，運行一個校準(zhǔn)序列，并存儲必要的校準(zhǔn)因子，用以補償機械公差、安裝位置或角度松弛，以及由于安裝應(yīng)力引起的傳感器性能的任何變化。
　　反過來，大多數(shù)傳感處理器的輸出都饋入轎車的較大功能子系統(tǒng)中。考慮到目前的轎車中有大量傳感器，傳感器連線的數(shù)量就會迅速增加，從而增加成本，需要更多的連接器，加大電纜布局布線難度。汽車系統(tǒng)設(shè)計師必須確定傳感器在某個本地節(jié)點聚集的數(shù)量和聚集的部位，如有必要，還須確定節(jié)點和汽車網(wǎng)絡(luò)的其余部分之間所用的總線類型。
　　數(shù)字化傳感器輸出和轎車的電子智能部件之間的這種鏈路有多種形式。廠商們正在把 CAN（控制器區(qū)域網(wǎng)）總線用作速度較高的鏈路 ，單線 CAN 用作速度較低的鏈路，LIN（本地互連）總線用作低速鏈路（或 J2602，它是 LIN 的汽車工程師學(xué)會版本）。總線的選擇雖然和傳感器性能沒有直接關(guān)系，但會影響眾多傳感器的配置和連線，以及本地以處理器為中心的支持和連接功能的布局。
　　例如，Philips Semiconductors 公司的 KMA200型 可編程角度測量傳感器，利用薄膜坡莫合金的磁阻特性來檢測傳感器所在平面的外部磁場和傳感器本身之間的角度。該廠商宣稱，與著名的霍爾效應(yīng)器件相比，這種傳感器在遠得多的距離上具有更高的精度。每個傳感器都有 EEPROM 存儲的校準(zhǔn)因子，都有一個獨特的 32 位標(biāo)識符，并都通過一個 SPI 接口報告結(jié)果。