辛航，劉偉宏

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

乘用車的安全性、舒適性、動力性、經(jīng)濟性、操控性等特性已經(jīng)成為衡量一輛整車性能的重要指標，而為了達到不同的目的，整車中加配了多種多樣的電子設(shè)備，用于主動或者輔助幫助整車完成某一指標的提升，例如為了改善車輛夜間照明的不足，AFS（自適應(yīng)前大燈）系統(tǒng)被應(yīng)用于目前很多車型中，而在一個高級的AFS控制中需要有車速信號、方向盤轉(zhuǎn)角信號、橫擺角速度，懸架高度、縱向加速度、加速踏板、制動踏板，環(huán)境光照強度、雨量傳感器等等作為最終判斷如何控制大燈的信號輸入，那么大量的傳感器是必不可少的；為了增加舒適性，智能空調(diào)也已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于整車設(shè)計中，為了完成智能控制的目的，需要加裝溫度傳感器、濕度傳感器、特殊氣體傳感器（CO，NOx，揮發(fā)性氣體等）等與空調(diào)控制相關(guān)的傳感器；另外目前自動變速箱在整車市場中所占的份額越來越多，自動變速箱的應(yīng)用也變得更加廣泛，以最近比較熱門的DCT（Dual Clutch transmission雙離合器自動變速箱）為例，為了完成雙離合器及其中檔位、潤滑冷卻等控制需要安裝壓力傳感器、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等，一般一個濕式雙離合器需要應(yīng)用的傳感器數(shù)量在10～12個左右。

由此可以看出，傳感器在整車中的應(yīng)用是非常非常的廣泛，而且隨著更多的電子控制單元的應(yīng)用，更多的傳感器將會被應(yīng)用到整車中去。

1 常見傳感器的應(yīng)用及工作原理

1.1 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器在整車中應(yīng)用比較多，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、ABS控制系統(tǒng)中的車輪轉(zhuǎn)速、變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速（或者差速器轉(zhuǎn)速）等，轉(zhuǎn)速傳感器從工作的原理大概可以分為兩類，一類是主動轉(zhuǎn)速傳感器，另一類是被動轉(zhuǎn)速傳感器，所謂主動轉(zhuǎn)速傳感器，是指傳感器本身具有供電、信號采集和數(shù)據(jù)處理的能力，可以通過信號采集芯片主動讀取被測目標的轉(zhuǎn)速，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是Hall（霍爾）效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器芯片；所謂的被動是指傳感器本身不會主動的去檢測被測目標的轉(zhuǎn)速，而是通過被測目標的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或者其他的可以被控制單元采集的信號，從而完成轉(zhuǎn)速信號采集的工作。

由于現(xiàn)代乘用車對于精確控制的需求，現(xiàn)在更多的Hall效應(yīng)原理芯片被應(yīng)用于轉(zhuǎn)速傳感器中，通過齒形結(jié)構(gòu)的目標信號輪對傳感器中磁鐵的磁感應(yīng)線聚攏和發(fā)散的現(xiàn)象，通過Hall芯片的Hall效應(yīng)原理輸出與目標信號輪齒數(shù)相同的脈沖信號，控制單元通過對與脈沖信號數(shù)量和時間的采集與目標信號輪之間的齒數(shù)進行計算，最終得出被測目標的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然控制單元對于轉(zhuǎn)速的計算方法也會從一定程度上影響轉(zhuǎn)速信號的精度，控制單元對于轉(zhuǎn)速信號的采集會根據(jù)硬件的處理能力分為低頻段和高頻段，在低頻段時轉(zhuǎn)速的計算方法為：

其中nlow為計算后的轉(zhuǎn)速，t為控制單元計算的轉(zhuǎn)速傳感器輸入信號的兩個脈沖間隔的時間，m為目標信號輪的齒數(shù)。

在高頻時段的轉(zhuǎn)速計算方法與低頻轉(zhuǎn)速計算的唯一不同是t的計算方法，控制單元會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的數(shù)量去計算幾個脈沖的平均間隔時間，比如每4個脈沖計算一次，那么控制單元就會每采集4個脈沖計算一次間隔時間，那么時間除以4就得到了這4個脈沖的平均間隔時間，同樣也可以得出轉(zhuǎn)速值。計算轉(zhuǎn)速在某種意義上是會存在一定程度的誤差的，當(dāng)然這是受限于控制單元的硬件處理能力的，目前為了達到更好的性價比，一般把怠速和低于怠速的轉(zhuǎn)速設(shè)定低頻段，其他轉(zhuǎn)速設(shè)定為高頻段，采用計算的方式得到的平均轉(zhuǎn)速同樣也可以滿足轉(zhuǎn)速采集精度的要求，一般也可以控制在+/-5rpm之內(nèi)。

圖1 Hall轉(zhuǎn)速傳感器信號處理方式簡述

下面以電壓接口的Hall芯片為例簡單介紹差分Hall芯片對于轉(zhuǎn)速信號的處理過程，如圖1所示。所謂差分信號，是指在轉(zhuǎn)速傳感器芯片中采用了兩個 Hall感應(yīng)元件，這兩個Hall元件采用作差的形式輸出信號，這樣的好處是當(dāng)出現(xiàn)雜波的情況下，通過作差的方式可以將其濾掉，從而提高了轉(zhuǎn)速信號檢測的精度，提高了傳感器本身的抗干擾能力，該類型的傳感器也被稱為只能傳感器，以減少控制單元后期處理的繁瑣。

圖 1中的傳感器具有三個輸出端子，S是供電接口，O是信號輸出接口，G是接地。

1.2 位移、行程、轉(zhuǎn)角傳感器

之所以把這三類傳感器歸為一類，是因為目前這類傳感器的相同應(yīng)用比較多，因為可以通過機械結(jié)構(gòu)將這幾類傳感器的檢測方式進行轉(zhuǎn)換，例如可以通過搖臂將直線位移信號轉(zhuǎn)換為角度信號。這類傳感器在整車中的應(yīng)用非常的廣泛，踏板行程傳感器、換擋桿位置傳感器、懸架位置傳感器，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等等。對于提高舒適性和安全性都有很大的幫助。

此類傳感器也多采用Hall效應(yīng)原理，采用檢測被測目標上移動的磁場，輸出對應(yīng)的位置信息。圖2中表示了Hall芯片檢測轉(zhuǎn)角信號和線性信號的兩種方式。

圖2 轉(zhuǎn)角和行程傳感器工作方式

通過后期的產(chǎn)品標定，該類傳感器的精度可以控制在1%之內(nèi)。

1.3 壓力傳感器

壓力傳感器已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用于乘用車中，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、安全氣囊、座椅壓力、空調(diào)壓力、ABS/ESP等等，壓力傳感器已經(jīng)和安全性和舒適性密不可分。

目前常用的壓力傳感器按照壓力敏感元件主要有兩類，分別是壓電陶瓷和硅應(yīng)變片。所謂壓電陶瓷，是指一種可以將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料，當(dāng)壓力作用于壓電陶瓷時，其會產(chǎn)生一定程度的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷后面連接成一個惠斯通電橋，由于當(dāng)被測壓力使壓電陶瓷產(chǎn)生形變時會使介質(zhì)帶電，從而輸出一種與壓力成線性比例的電信號。另外一種就是硅應(yīng)變片，與壓電陶瓷基本相同的應(yīng)用，硅應(yīng)變片會被貼在耐機械沖擊的基板后面，當(dāng)壓力使得基板產(chǎn)生形變后，連接惠斯通電橋的硅應(yīng)變片的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化使得輸出與壓力成線性比例的電壓信號。

通過圖3中可以看出，通過對惠斯通電橋輸出的信號處理，通過和標準的壓力信號進行比對，輸出的信號被標定為線性度較好的曲線。壓力傳感器的精度也可以控制在 2%之內(nèi)。

圖3 帶有惠斯通電橋的壓力傳感器示意圖

1.4 溫度傳感器

溫度傳感器也被廣泛的應(yīng)用于汽車空調(diào)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、自動變速箱控制系統(tǒng)。溫度傳感器目前應(yīng)用的主要有熱電偶和熱敏電阻。熱電偶溫度傳感器的工作原理是，如果兩個不同成分的均勻?qū)w形成回路，直接測溫端叫測量端，接線端子端叫參比端，當(dāng)兩端存在溫差時，就會在回路中產(chǎn)生電流，那么兩端之間就會存在熱電勢，即塞貝克效應(yīng)（塞貝克Seeback效應(yīng)又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起的兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。它的實質(zhì)在于兩種金屬接觸的時候會產(chǎn)生接觸電勢差，該電勢差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個因素）。

熱敏電阻是一種高溫度系數(shù)的電阻體，熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較為成熟的敏感元器件，熱敏電阻由半導(dǎo)體材料組成，利用的原理就是溫度會引起電阻值發(fā)生變化，若電子和空穴的密度分別為 n、p，遷移率分別為μn、μp,半導(dǎo)體的電導(dǎo)為：σ = q（nμn+pμp），因為n，p, μn, μ p都是以來溫度T的函數(shù)，所以電導(dǎo)也是溫度T的函數(shù)，因此測量電導(dǎo)的大小便可算出溫度的高低，并可以做出電阻-溫度曲線。

1.5 其他傳感器

當(dāng)然正常中應(yīng)用到的不僅僅是上面提到的四種傳感器，還有光照傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、氧傳感器、流量傳感器、加速度傳感器、陀螺儀等等許多不同種類的傳感器，被應(yīng)用于不同的功能模塊，同樣起著至關(guān)重要的信號采集作用。

2 電子控制單元對于信號的處理

2.1 接口電路

控制單元在接受來自傳感器的信號的時候，并不能直接的讀取來自傳感器信號輸出端的信號，都要通過一定的接口電路去完成信號的采集。

接口電路的作用在于為電子控制單元提供了可以采集到的信號（數(shù)字信號、模擬信號或者頻率信號等等）；同時也可以提供一些用于電磁兼容性設(shè)計，以及濾波電路設(shè)計，增強信號的精確度，同時減少信號的波動。圖4為一種常見的接口電路，以一個三線的傳感器為例，Vcc是傳感器的供電端，傳感器常用的供電為 5V；R1是作為下拉電阻，起到了參考電壓采集的作用，R2和C2組成了時間常數(shù)為t=R*C的RC濾波電路，C1是起到了對電磁干擾起到了一定的作用。

圖4 電子控制單元接口舉例示意

2.2 電子控制單元的信號處理

電子控制單元對信號的處理也大概分為幾種，也是由于輸入信號的類別決定的，目前的傳感器的信號類型主要有三種，數(shù)字量信號、模擬量信號和頻率量信號，數(shù)字信號指的是狀態(tài)只有0和1的信號；模擬信號一般指電壓信號，或者電流信號（當(dāng)然信號的讀取最終都是體現(xiàn)為電壓）；頻率信號就是指的PWM信號，占空比的大小代表了輸出的大小。

PWM 信號被越來越多的應(yīng)用于連續(xù)信號的采集，模擬信號的輸出模式也完全可以被 PWM 信號取代，并且 PWM信號是更接近數(shù)字信號類型的信號，對于來自信號傳導(dǎo)所帶來的影響可以有一定的規(guī)避作用，尤其是對于來自導(dǎo)線的EMC干擾問題也有一定程度的改善，因為一般傳感器通過模擬信號輸出的電壓范圍在 0.5V～4.5V，這樣來自導(dǎo)線的電阻和 EMC的干擾就要被考慮的比較全面，否則傳感器無法達到精度的應(yīng)用要求。

圖1中表示的是智能傳感器芯片內(nèi)部，也就是傳感器內(nèi)部對于信號的處理，而電子控制單元ECU中同樣需要有一定的處理電路或者集成電路芯片，簡單的可以歸納為將非計算機信號轉(zhuǎn)換計算機可讀信號，經(jīng)過處理和計算之后，得出傳感器實際輸出的信號值，然后再將計算機可讀信號轉(zhuǎn)化為顯示信號讓軟件讀取或者讓操作員讀取。

當(dāng)然電子控制單元對于信號處理的復(fù)雜程度也取決于采用的什么類型的芯片，現(xiàn)在的智能芯片已經(jīng)把信號處理的非常好了，控制單元中就無需再針對于信號的精度判斷等等，直接就可以講信號計算后輸出測量值即可，但是有些無源傳感器或者需要控制單元對信號進行處理的傳感器，就需要傳感器在設(shè)計的時候就考慮到與控制單元之間的信號處理關(guān)系。

3 傳感器在整車中的安全作用

傳感器作為所有電控系統(tǒng)中的信號收集端，對電控系統(tǒng)的性能乃至安全都有著重要的影響，一旦采集的信號出現(xiàn)了問題，電控系統(tǒng)根據(jù)采集信號后做出的判斷就會產(chǎn)生不準確的命令，那么就有可能會產(chǎn)生危險，特別是越來越多的主動安全設(shè)備被應(yīng)用于整車中，如果由于信號有誤產(chǎn)生了誤判，那么這些主動設(shè)備就會產(chǎn)生相應(yīng)的動作措施，比如轉(zhuǎn)向、剎車等等，這都是不允許的。

作為可能影響到安全的部件，符合安全法規(guī)就是必不可少的，于2011年11月14日正式頒布的ISO26262就是針對于電子電氣設(shè)備和可編程的電子設(shè)備的安全性的規(guī)范要求，雖然還沒有在國內(nèi)強制執(zhí)行，但是已經(jīng)得到汽車標準化委員會等國內(nèi)相關(guān)組織機構(gòu)的重視。目前越來越多的傳感器本身也具有可編程的特性，可以自動的修正采集的信號，甚至對錯誤信號進行判斷，所以帶有可編程的傳感器更需要對安全進行控制，那么符合標準法規(guī)的要求是整車應(yīng)用必不可少的。

當(dāng)然傳感器的信號準確性還可以通過控制器中的信號檢測單元進行診斷，也可以通過控制單元底層軟件或者上層控制軟件的診斷策略去對傳感器的信號進行判斷，一旦檢測出錯誤，就會有相應(yīng)的安全動作，以免產(chǎn)生危險造成損失。

4 傳感器在乘用車應(yīng)用中的前景

據(jù)不完全統(tǒng)計，2004年時美國車子電子占整車成本的25%，高檔轎車可以達到40%，而我國只有4%左右，當(dāng)然隨著這幾年的發(fā)展，我國本土汽車工業(yè)高速發(fā)展，更多的主機廠已經(jīng)把眼光放在了電子設(shè)備上，許多的電子設(shè)備也已經(jīng)成為了標配，這使得傳感器的應(yīng)用得到了更大幅度的提高。

但是由于不同電子控制設(shè)備中可能都會采集同一個信號，如果采用一個傳感器進行檢測，那么兩個控制單元去采集信號，那么信號的精度和準確性一定會受到影響，采用了兩個相同的傳感器去采集信號又是浪費了成本。針對于這個問題，主機廠的解決方案是將整車中需要的信號都采用統(tǒng)一的控制器去采集，然后通過 CAN通訊，把從傳感器采集到的信號放到 CAN上，然后每個控制器根據(jù)自己的需要，讀取自己想要的信號信息，這樣有幾個好處：第一，不同的控制器不必再設(shè)置那么多的信號采集端口，減少了控制單元的成本，也減少了插件和端子的成本；第二，不必重復(fù)使用傳感器，同一傳感器采集的信號可以傳遞給不同的電子設(shè)備，只要各取所需即可；當(dāng)然也存在著一定的弊端，比如可能會加長信號傳遞的路線，這樣來自電磁兼容性等問題就會產(chǎn)生，同時通過 CAN進行讀取信號的話會有一定時間的延遲，那么對于需要高速判斷信號狀態(tài)的電子單元來講，是需要有更高的速度去解決的，針對于這些弊端的補救方式還是多種多樣的，EMC的問題可以通過設(shè)計線束的走向，采用屏蔽線等方法進行規(guī)避，CAN通訊速率的問題現(xiàn)在已經(jīng)有了更加高速的通訊協(xié)議比如FlexRay等，傳輸?shù)乃俣雀?，效率更高，已?jīng)可以滿足整車信號采集的應(yīng)用，而且已經(jīng)被大量的應(yīng)用在了BMW、Audi等高端車型中。

5 結(jié)論

綜上，傳感器在乘用車中的應(yīng)用非常廣泛，也有著非常好的前景，尤其是在國內(nèi)汽車工業(yè)高速發(fā)展的前提下，汽車電子的需求更是與日俱增，在乘用車銷售的時候，消費者的眼觀也不再僅僅局限在發(fā)動機和變速箱，也在更多的關(guān)注整車電子設(shè)備的配置，這些電子設(shè)備已經(jīng)成為了衡量一臺乘用車價值的重要指標。雖然傳感器只作為這些電子設(shè)備的信號采集單元，但是卻為了完成整體的控制做出了不可或缺的貢獻。

參考文獻

[1] 馮淵.汽車電子控制技術(shù).[M]機械工業(yè)出版社2005.7.

[2] 范晶彥.傳感器與檢測技術(shù)應(yīng)用[M]機械工業(yè)出版社2006.

[3] 賀建波,賀展開.汽車傳感器的檢測[M]機械工業(yè)出版社2005.

[4] 王化祥,張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M]天津大學(xué)出版社2007.

[5] 來清民.傳感器與單片機接口及實例.[M]北京航空航天大學(xué)出版社2008.