隨著汽車(chē)電子系統(tǒng)的進(jìn)展，對(duì)低成本、高可靠性感測(cè)器系統(tǒng)的需求變得越來(lái)越重要。盡管為滿足這些需求還有許多挑戰(zhàn)需要克服，但互連架構(gòu)和混合訊號(hào)制程的進(jìn)步已經(jīng)大幅增強(qiáng)了智慧性、降低了成本并提高了可靠性。而且，更多的先進(jìn)技術(shù)也不斷問(wèn)世。
目前，大多數(shù)感測(cè)器系統(tǒng)是基于一種架構(gòu)，即從感測(cè)器直到系統(tǒng)的主要電子控制單元(ECU)都是類(lèi)比訊號(hào)鏈。在極為嘈雜的汽車(chē)環(huán)境中，要保持這些系統(tǒng)的訊號(hào)完整性是一個(gè)挑戰(zhàn)。
一種解決方案是采用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用技術(shù)(例如脈沖寬度調(diào)變(PWM)或可變脈沖寬度)，在不同的實(shí)體層上以數(shù)位方式傳送訊號(hào)。但這些方法存在幾個(gè)缺點(diǎn)。一般而言，每個(gè)訊號(hào)都需要一根單獨(dú)的線路，而且資訊通常是從感測(cè)器單向輸出到主要的ECU。因此不可能利用這種感測(cè)器子系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊和診斷。
另一種方案是利用CAN匯流排將訊號(hào)傳回到主要ECU。不過(guò)，這種方法通常需要一個(gè)微控制器和支援電路，因而會(huì)增加相當(dāng)可觀的成本。
圖1：基于LIN的感測(cè)器系統(tǒng)架構(gòu)。
目前有兩種技術(shù)趨勢(shì)推動(dòng)汽車(chē)感測(cè)器系統(tǒng)的發(fā)展：區(qū)域互連網(wǎng)路(LIN)協(xié)議和混合訊號(hào)半導(dǎo)體制程技術(shù)的進(jìn)步。
盡管LIN最初瞄準(zhǔn)的是車(chē)身電子組件，但它已被創(chuàng)造性地應(yīng)用于新的方面，例如感測(cè)器介面。 LIN所具備的幾種特性使其適于作為感測(cè)器子系統(tǒng)的實(shí)體層和協(xié)議。這是一種低成本、雙向的單線實(shí)體層實(shí)現(xiàn)方法，減少了對(duì)訊號(hào)線及其線束的需求。如果模組中含有一個(gè)以上的感測(cè)器就更能突顯這種方法的優(yōu)勢(shì)，而且所有的輸出都能透過(guò)多工在單一LIN匯流排上實(shí)現(xiàn)。
基于LIN的感測(cè)器系統(tǒng)架構(gòu)
LIN協(xié)議基于主從架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，所有的匯流排通訊都由主節(jié)點(diǎn)控制和調(diào)度。這種特性為訊號(hào)傳輸提供了保證的延遲時(shí)間，使系統(tǒng)具有可預(yù)測(cè)性，這對(duì)大多數(shù)感測(cè)器訊號(hào)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)必需的。 LIN匯流排架構(gòu)可擴(kuò)展到16節(jié)點(diǎn)，而且不需要仲裁機(jī)制，因?yàn)樗械膮R流排通訊都由主節(jié)點(diǎn)調(diào)度。
從節(jié)點(diǎn)是自同步的，并可利用晶片上RC振蕩器代替晶振或陶瓷諧振器，因而在系統(tǒng)級(jí)上大幅降低成本。該協(xié)議十分簡(jiǎn)單且已標(biāo)準(zhǔn)化，適用于異步串列介面(UART/SCI)。此外，矽實(shí)現(xiàn)的成本相當(dāng)?shù)停踔敛捎猛ǔＳ糜诟袦y(cè)器訊號(hào)介面IC的混合訊號(hào)制程也是這樣。透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化，基于LIN的感測(cè)器子系統(tǒng)能降低成本、提高可靠性。
混合訊號(hào)半導(dǎo)體制程的不斷發(fā)展使整合化程度越來(lái)越高，尤其是在數(shù)位整合度和類(lèi)比精密度方面。目前有幾種制程適用于汽車(chē)感測(cè)器應(yīng)用，如線性BiCMOS、高壓CMOS和絕緣層矽(SOI)。每一種制程都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，要根據(jù)感測(cè)器類(lèi)型和應(yīng)用需求來(lái)進(jìn)行選擇。這些制程允許用單晶片SoC實(shí)現(xiàn)整個(gè)感測(cè)器系統(tǒng)的電子組件，包括電源、高電壓作業(yè)、數(shù)位電路、記憶體、時(shí)脈源和高精密度類(lèi)比電路。
圖2：目前的感測(cè)器系統(tǒng)架構(gòu)。
混合訊號(hào)介面IC
德州儀器的部份定制混合訊號(hào)ASIC感測(cè)器介面IC采用了混合訊號(hào)半導(dǎo)體制程及LIN通訊匯流排。這種單晶片感測(cè)器介面IC 幾乎整合了需要連接到感測(cè)器、汽車(chē)電子網(wǎng)路和LIN匯流排的每一個(gè)元件。這些元件中的典型組件包括用于匹配感測(cè)器和系統(tǒng)需求的汽車(chē)電壓調(diào)節(jié)器、用于直接連接感測(cè)器輸出的類(lèi)比濾波前端、一個(gè)類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器、數(shù)位濾波和控制、一個(gè)LIN協(xié)議控制器以及LIN實(shí)體層。
透過(guò)改變感測(cè)器系統(tǒng)的架構(gòu)，即利用LIN作為訊號(hào)和通訊介面，并基于混合訊號(hào)IC來(lái)實(shí)現(xiàn)它，我們可以在系統(tǒng)級(jí)獲得若干優(yōu)勢(shì)。 LIN允許在單線上進(jìn)行雙向通訊，因此主節(jié)點(diǎn)能夠請(qǐng)求感測(cè)器提供診斷資訊，或者在需要時(shí)感測(cè)器能提供系統(tǒng)故障資訊。
LIN協(xié)議和實(shí)體層是LIN聯(lián)盟針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)開(kāi)放式規(guī)格。最近，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)根據(jù)J2602規(guī)格為L(zhǎng)IN應(yīng)用增添了一些很好的實(shí)例，去除了專(zhuān)用介面及協(xié)議，因而可實(shí)現(xiàn)感測(cè)器再使用，并能使它們基于已知的、可靠且強(qiáng)韌的通訊系統(tǒng)。
即使模組中含多個(gè)感測(cè)器，也有可能制作只有三根線(電池、接地和LIN)的感測(cè)器模組。減少線和線束可以減少感測(cè)器的封裝尺寸，最佳化感測(cè)器的布局，并降低布線感應(yīng)度。
使用先進(jìn)的混合訊號(hào)制程技術(shù)實(shí)現(xiàn)感測(cè)器介面IC，可以從幾方面降低系統(tǒng)成本：更少的元件;更少的庫(kù)存;更小、更簡(jiǎn)單的PCB設(shè)計(jì);更小的感測(cè)器外形尺寸以及更高的可靠性。而且，由于使用晶片上RC振蕩器，就可省去作為時(shí)脈源的晶振或諧振器。
目前取得的這些進(jìn)展只是在提高汽車(chē)感測(cè)器系統(tǒng)的智慧和性能方面邁出了幾小步。下一代混合訊號(hào)制程(例如LBC5和LBC7) 能將更多的智慧和功能整合在感測(cè)器子系統(tǒng)中。我們甚至可以設(shè)想，下一代感測(cè)器介面IC將包括能為感測(cè)器子系統(tǒng)提供程式功能，并增加靈活性的小型整合微處理器。