开发基于LIN协议的新型汽车传感器系统

2005年09月09日

随着汽车的电子含量不断提高,对低成本、高可靠性传感器系统的需求变得越来越重要。尽管为满足这些需求还有许多挑战需要克服,但互连架构和混合信号工艺的进步已经极大地增强了智能性、降低了成本并提高了可靠性。而且,更多的先进技术还在不断涌现。

目前,大多数传感器系统是基于这样一种架构,即从传感器直到系统的主要电子控制单元(ECU) 都是模拟信号链。在极为嘈杂的汽车环境中,要保持这些系统的信号完整性是一个挑战。

图1:基于LIN的传感器系统架构

一种解决方案是采用简单的专用技术(例如脉冲宽度调制(PWM)或可变脉冲宽度),在不同的物理层上以数字方式传送信号。但这些方法存在几个缺点。一般而言,每个信号都需要一根单独的线路,而且信息通常是从传感器单向输出到主要的ECU。因此不可能利用这种传感器子系统进行双向通信和诊断。

另一种方案是利用CAN总线将信号传回到主要ECU。不过,这种方法通常需要一个微控制器和支持电路,从而会增加相当可观的成本。

目前有两种技术趋势推动汽车传感器系统的发展:本地互连网络(LIN)协议和混合信号半导体工艺技术的进步。

尽管LIN最初瞄准的是车身电子组件,但它已被创造性地应用于新的方面,例如传感器接口。LIN所具备的几种特性使其适于用作传感器子系统的物理层和协议。这是一种低成本、双向的单线物理层实现方法,减少了对信号线及其线束的需求。如果模块中含有一个以上的传感器就更能凸显这种方法的优势,而且所有的输出都能通过多路复用在单一LIN总线上实现。

基于LIN的传感器系统架构

LIN协议基于主从架构,在这种架构中,所有的总线通信都由主节点控制和调度。这种特性为信号传输提供了保证的延迟时间,使系统具有可预测性,这对大多数传感器信号来说是绝对必需的。LIN总线架构可扩展到16节点,而且不需要仲裁机制,因为所有的总线通信都由主节点调度。

从节点是自同步的,并可利用片上RC振荡器代替晶振或陶瓷谐振器,从而在系统级上大幅降低成本。该协议十分简单且已标准化,可用于异步串行接口(UART/SCI)。此外,硅实现的成本相当低,甚至采用通常用于传感器信号接口IC的混合信号工艺也是这样。通过标准化,基于LIN的传感器子系统能降低成本、提高可靠性。

混合信号半导体工艺的不断发展使集成化程度越来越高,尤其是在数字集成度和模拟精度方面。目前有几种工艺可用于汽车传感器应用,如线性BiCMOS、高压CMOS和绝缘体硅(SOI)。每一种工艺都有其优点和缺点,要根据传感器类型和应用需求来进行选择。

这些工艺允许用单芯片SoC实现整个传感器系统的电子组件,包括电源、高电压操作、数字电路、存储器、时钟源和高精度模拟电路。

混合信号接口IC

德州仪器的部分定制混合信号ASIC传感器接口IC是这类产品的范例。在这些产品中,传感器信号接口采用了混合信号半导体工艺及LIN通信总线。这种单芯片传感器接口IC几乎集成了需要连接到传感器、汽车电子网络和LIN总线的每一个元件。这些器件中的典型组件包括用于匹配传感器和系统需求的汽车电压调节器、用于直接连接传感器输出的模拟滤波前端、一个模数转换器、数字滤波和控制、一个LIN协议控制器以及LIN物理层。