汽車ESP傳感器的接口設計

摘要

分析了汽車電子穩定程序系統中常用傳感器的特性設"了常用傳

感器的硬件接口和軟件接口并實現了集成傳感器的方案該方案通過

CAN總線與電子控制單元傳遞數據具有抗干擾性能好可靠性高的特點。

ESP(ElectronicStabilityProgram,電子穩定程序)是汽車電控

的一個標志性發明。不同的研發機構對這一系統的命名不盡相同，如博

世(BOSCH)公司早期稱為汽車動力學控制(VDC),現在博世、梅賽德一奔

馳公司稱為ESP;豐田公司稱為汽車穩定性控制系統(VSC)、汽車穩定性

輔助系統(VSA)或者汽車電子穩定控制系統(ESC);寶馬公司稱為動力學

穩定控制系統(DSC)。盡管名稱不盡相同，但都是在傳統的汽車動力學控

制系統，加ABS和TCS的基礎上增加一個橫向穩定控制器，通過控制橫

向和縱向力的分布和幅度，以便控制任何路況下汽車的動力學運動模式,

從而能夠在各種工況下提高汽車的動力性能,如制動、滑移、驅動等。ESP

在國外已經批量生產,在國內尚處于研究階段,要達到產業化的程度,還

有大量的工作要做。

關鍵詞:電子穩定程序，傳感器,CAN總線

Abstract

Analysedthecharacteristicsofcommonsensorsinelectrolstabilitycar

system,devisedtheirhardwareinterfaceandsoftwareinterface,andrealized

theproposalofcompositivesensor,whichtransmitsdatawithelectronic

controlunitthroughCANbus.Itischaracterizedbygoodabilityofanti-

interferenceandhighreliability.

ESP(ElectronicStabilityProgram,ElectronicStabilityProgram)isan

electronicallycontrolledautomotivelandmarkinvention.DifferentR&D

institutionsofthedifferentnamingsystems,suchasBosch(BOSCH)earlier

knownasVehicleDynamicsControl(VDC),nowBosch-knownasthe

Mercedes-BenzESP;ToyotacalledVehicleStabilitycontrolsystem(VSC),

VehicleStabilityAssistSystem(VSA)orautomotiveelectronicstability

controlsystem(ESC);BMWasdynamicstabilitycontrolsystem(DSC).

Althoughthenamesvary,butareinthetraditionalvehicledynamicscontrol

systemssuchasABSandTCSbasedonincreaseinlateralstabilityofa

controller,bycontrollingthehorizontalandverticaldistributionand

magnitudeofforcetocontrolthevehicleunderanytrafficKineticsof

movementpatterns,whichcanimprovethecarinvariousconditionsof

dynamicperformance,suchasbraking,sliding,drivingandsoon.ESPhas

beeninproductionabroad,athomeataresearchstage,itisnecessaryto

achievethedegreeofindustrialization,therearealotofworktodo.

keyword:electricalstabilitysystem,sensor,canbus

目錄

摘要.........................................................I

Abstract........................................................................................................II

目錄.......................................................Ill

前言........................................................1

1ESP概述..................................................2

1.1ESP的發展............................................2

1.2ESP結構及控制原理....................................3

2傳感器的接口技術.........................................5

2.1傳感器概述............................................5

2.1.1傳感器的定義.......................................5

2.1.2傳感器的組成.......................................5

2.1.3傳感器的特性.......................................6

2.1.4傳感器的分類.......................................7

2.2傳感器接口技術........................................8

2.2.1數字量、開關量的接口...............................8

2.2.2模擬量的接口.......................................8

2.2.3傳感器的非線性補償處理............................9

2.2.4傳感器輸出信號的數字濾波.........................11

2.2.5智能傳感器........................................13

3ESP傳感器的接口設計.....................................16

3.1ESP傳感器的介紹.....................................16

3.2ESP常用傳感器接口設計..............................18

總結.......................................................25

致謝.......................................................26

參考文獻...................................................27

刖百

ESP(ElectronicStabilityProgram電子穩定程序)是汽車電控

的一個標志性發明。不同的研發機構對這一系統的命名不盡相同，如博

世(B。SCH)公司早期稱為汽車動力學控制(VDC),現在博世，梅賽

德奔馳公司稱為ESP；豐田公司稱為汽車穩定性控制系統(VSC)汽車

穩定性輔助系統(VSA)或者汽車電子穩定控制系統(ESC)寶馬公司稱為

動力學穩定控制系統(DSC)。盡管名稱不盡相同，但都是在傳統的汽車動

力學控制系統，如ABS和TCS的基礎上增加一個橫向穩定控制器，通過

控制橫向和縱向力的分布和幅度以便控制任何路況下汽車的動力學運

動模式,從而能夠在各種工況下提高汽車的動力性能，如制動，滑移，驅

動等。ESP在國外已經批量生產，在國內尚處于研究階段,要達到產業化

的程度,還有大量的工作要做。

1ESP概述

1.1ESP的發展

汽車電子穩定性控制程序(ESP)是近幾年剛剛發展起來的一種電子

裝置，是對ABS和TCS功能的繼承與進一步擴展。EPS通過對汽車橫擺

力矩的控制改進了ABS/TCS在橫向穩定性控制方面的不足，并通過對

車上傳感器的監測和ECU的計算分析識別出駕駛員的駕駛意圖，并對

可能造成危險的行駛狀態進行干預控制使從而維持車輛的穩定性，避免

事故的發生。

隨著人們對汽車安全性要求的不斷提高，車內的安全系統不斷增

加，功能也在不斷發展完善，包括主動安全系統和被動安全系統。主動安

全系統包括駕駛特性(ABS、TCS、ESP等),視野條件和工作元件(如輪胎)

等，這些系統可以在危急的情況下使車輛保持穩定及可操控性，避免事故

的發生;被動安全系統是在事故發生過程中起作用，通過采取一些設計措

施和裝置,最大限度的保護車內人員免受傷害，降低事故后果的嚴重性。

ABS在20世紀8()年代開始得到廣泛應用，目前在國外已經發展成

為一種非常成熟的技術，國內也有很多院校及科研機構在從事這方面的

研究(如吉林大學、合肥工大等)，并取得了重大進展，尤其是氣動ABS己

經在部分貨車和客車上配備,TCS是90年代發展起來的技術，而電子穩

定程序(ESP)是90年代初由德國奔馳公司開發的車輛穩定系統。從

1995年至今，伴隨著理論研究的不斷深入和電子技術的發展，汽車穩定

性控制得到了很大的發展，并開始作為選裝件安裝在一些中高檔轎車上

。德國BOSCH公司一直是這方面技術的領先者,無論是ABS/ASR還是

更先進的ESP系統，技術上都一直處于領先地位,為國際大多數汽車廠

商供應ABS/ASR/ESP系統。國內汽車穩定性控制的研究還處在起步階

段，只有少數學者從事控制方法的仿真研究，而且由于缺少試驗條件，研

究還不十分深入,現在吉林大學、清華大學、上海交大、西北工大等高校

和中國重汽集團、上海匯眾汽車制造公司等企業也在開展相關的研究工

作。

1.2ESP結構及控制原理

ESP系統由電子控制單元（ECU）,方向盤轉角傳感器，輪速傳感器，橫

擺角速度傳感器，橫向角速度傳感器及液壓系統組成,ESP除了具有

ABS和TCS的功能之外，更是一種智能的主動安全系統。ESP的ECU

通過高度靈敏的傳感器時刻監測車輛的行駛狀態，并通過計算分析判定

車輛行使方向是否偏離駕駛員的操作意圖。ESP能立刻識別出危險情況,

并提前裁決出可行的干預措施使車輛恢復到穩定行駛狀態,ESP的干預

措施包括對車輪獨立的施加制動力;在特殊工況對變速箱的干預措施;通

過發動機管理系統減小發動機扭矩。

德國BOSCH公司是汽車電子穩定性控制方的典范，下面以

BOSCH公司的ESP系統為例介紹ESP的結構及控制原理。圖1.1是

ESP系統的關鍵部件及其在汽車上的位置分布。

對于控制算法,BOSCH公司的基于門限值的ABS控制策略已經在

實際中得到了成功應用，其ESP在控制系統上層仍然采用類似的思路,

以汽車側偏角與橫擺角速度作為控制量，把實際值與期望值的差值控制

在容許范圍內。

由各傳感器測得的信號經過一定的算法和汽車模型運算后,可以知

道期望值,3M、pM與實際值3、8經比較器比較得。若在容許范圍內，

則ESP無須作用;若不在容許范圍內，則ESP根據Ap大小確定要產生的

修正橫擺力矩。然后ESP根據修正橫擺力矩大小值確定各個車輪最優

的滑移率（每個車輪的最優滑移率值是經過大量的前期仿真研究得出，要

求在最短時間產生修正橫擺力矩）。知道滑移率，根據輪胎模型便可以確

定每一車輪的制動力大小，從而可以確定每一車輪的制動電磁閥的開關

時間（或節氣門開度）制動電磁閥工作后（或節氣門開度改變）便實現對汽

車的穩定性控制°

汽車在行駛過程中輪胎的橫向力和縱向力直接影響車輛的行駛狀

態,而橫向力和縱向力相互制約，且都受到車輪滑轉或滑移率的影響,ESP

通過對車輪滑轉或滑移率的精確控制，從而控制每個車輪的縱向和橫向

力來保證車輛的行駛穩定性并施加行駛意圖

在汽車的行駛中,回避前方突然出現的障礙物或者在轉彎忖容易出

現轉向不足或者過度轉向的情況,理論研究表明，通過對內側后車輪和外

側前車輪施加附加制動力對增大向內的橫擺力矩和向外的橫擺力矩最

有效，這將對糾正不足轉向和過度轉向有明顯的效果。以下將分析幾種

簡單典型工況ESP所采取的干預措施。

圖1.1所示為汽車ESP的構成示意圖其電子部件主要包括電子控

制單元(ECU),方向盤傳感器，縱向加速度傳感器，橫向加速度傳感器，橫

擺角速度傳感器輪速傳感器等。ESP作為保證行車安全的一個重要電控

系統其各個傳感器的正常工作是進行有效控制的基礎本文介紹了ESP

常用傳感器的特點，設計了傳感器硬件接口和軟件接口，并在實車測試中

得到驗證。

電子控制雄元

圖1.1汽車ESP的構成示意圖

2傳感器的接口技術

2.1傳感器概述

傳感器技術是機電一體化的關鍵性技術。機電一體化系統或產品的

柔性化、功能化和智能化都與傳感器的品種多少、性能好環密切相關。

在機電一體化系統中有各種不同的物理量（如位移、壓力、速度等）

需要控制和監測，如果沒有傳感器對原始的各種參數進行精確而可靠的

檢測，那么對機電產品的各種控制部是無法實現的。因此能把各種不同

的非電量轉換成電量的傳感器便成為機電一體化系統中不可缺少的組

成部分。

傳感器技術自身就是一門多學科、知識密集的應用技術。傳感原理、

傳感材料及加上制造裝配技術是傳感器開發的三個重要方面。把傳感器

件與信號處理電路集成在一個芯片上，就形成了信息型傳感器;若再把微

處理器集成到信息型傳感器的芯片上,就是所謂的智能型傳感器。

2.1.1傳感器的定義

傳感器:傳感器是種以一定的精確度將被測量（如位移、力、加速度等）

轉換為與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量（如

電量）的測量部件或裝置。

2.1.2傳感器的組成

組成:敏感元件、轉換元件、電子線路等組成。

1敏感元件:直接感受被測量、并以確定關系輸出物理量。如彈性

敏元件將力轉換為位移或應變輸出。

2轉換元件:將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應變、光強等）

轉換成電路基數（如電阻、電感、電容等）等。

3基本轉換電路:將電路參數量轉換成便于測量的電量，如電壓、電

流、頻率等。

2.1.3傳感器的特性

傳感器比較常用的性能指標有以下幾種

(1)關于輸入量的特性：

量程或測量范圍:傳感器預期要測量的被測量值，一般用傳感器允許

測量的上下極限值來表示，其中上限值也稱為滿量程FS。

過載能力:傳感器允許承受的最大輸入量(被測量)

(2)響應特性：

?靜態響應特性

精度:表示測量結果與被測的“真值”的接近程度。一般用“極限誤差”

或極限誤差與滿量程的比值按百分數給出。

重復性:反映傳感器在工作條件不變的情況下,重復地輸入某一相同

的輸入值，其輸山值的一致性，其意義與精度類似。

線性度:也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關系曲線與選定

的工作曲線的靠近程度，采用工作直線與實際工作曲線之間的最大偏差

值與滿量程輸出之比來表示。

靈敏度:傳感器輸入增量與輸出增量之比；

穩定性(溫度漂移，時間零漂):時間零漂，在規定的時間內，在溫度不

變的條件下，零輸出的變化;溫度漂移，當溫度發生變化時，其輸出特性的

變化,通常用零點輸出變化值表示，也可以用它與滿量程的比值來表示。

動態響應特性:在被測量的物理量隨時間變化的情況下，傳感器的輸

出能否很好地追隨輸入量的變化是一個很重要的問題。有的傳感器盡管

其靜態持性非常好，但由于不能很好追隨輸入量的快速變化而導致嚴重

誤差，這種動態誤差若不注意加以控制，可以高達百分之幾十其至百分之

百。這就要求我們要認真注意傳感器的動態響應持性。

頻率響應特性

相頻特性

階躍響應特件等。

2.1.4傳感器的分類

傳感器的分類方法有多種,如按被測物理量的性質分;位移傳感器、

溫度傳感器、壓力傳感器等等;按工作機理分;電阻式、電感式、電容式、光

電式；

按照輸出信號的性質分類;可分為開關型(二值型)、模擬型和數字型,

如下圖所示：

1開關型

開關型傳感器的二值就是'T'和“0”或開(ON)和關(OFF)。這種T和

"0”數字信號可直接傳送到微機進行處理，使用方便。

特性曲線中如果設輸出狀態從斷到通時的輸入值為INon,而從通到

斷時的輸入值為INoff,則特性滿足

INoff<INon

INoff與INon的差稱為磁滯寬度或瞬動(snap)寬度。

2數字型

數字型傳感器有計數型和代碼型兩大類。其中計數型又稱脈沖數字

型，所示。它可以是任何一種脈沖發生器，所發出的脈沖數與輸入量成正

比,加上計數器就可對輸入量進行計數，如可用來檢測通過輸送帶上的產

品個數，也可用來檢測執行機構的位移量，這時執行機構每移動一定距離

或轉動一定角度就會發生一個脈沖信號，例如增量式光電碼盤和檢測光

柵就是如此。

3模擬型

模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對應的連續變化的電

量。輸入與輸出可以是線性的也可以是非線性的。

位移測量是直線位移測量和角位移測量的總稱，位移測量在機電一

體化領域中應用十分廣泛，這不僅因為在各種機電一體化產品中常需位

移測量，而且還因為速度、加速度力、壓力、扭矩等參數的測量都是以位

移測量為基礎的。

直線位移傳感器主要有:電感傳感器、差動變壓器傳感器、電容傳感

器、感應同步器和光柵傳感器。

角位移傳感器主要有:電容傳感器、旋轉變壓器和光電編碼盤等。

2.2傳感器接口技術

輸入到微型機的信息必須是微型機能夠處理的數字量信息。傳感器

的輸出形式可分為模擬量、數字量和開關量。

2.2.1數字量、開關量的接口

可以通過緩沖器直接輸入到計算機數據總線上。

2.2.2模擬量的接口

1、模擬量的數字化過程

(1)時間斷續

采樣定理:信號最高頻率為fc,在采樣頻率fs>=2fc為的條件下，采

樣后的信號能無失真的恢復為原來的模擬信號。

(2)數值斷續:數值斷續的過程叫量化，所謂的量化就是把采樣信號

的幅值與某個最小數量單位的一系列整數倍數比較，以最接近于采樣信

號幅值的最小數量單位的倍數來代替該幅值。最小單位叫量化單

位,q二FSR/2”,完成量化的器件叫量化器，即A/D轉換器。

2、模數(A/D)轉換器

模數轉換器把輸入的模擬信號經過量化和編碼后，轉換成數字信號

的器件。

可分為直接比較型和間接比較型兩大類。

(1)逐次逼近型A/D轉換器

(2)雙斜積分式A/D轉換器

3、采樣保持器

在對模擬信號逆行模數變換時,從啟動變換到變換結束的數字量輸

此需要一定的時間，即A/D轉換器的孔徑時間。當輸入信號頻率提高時,

出于孔徑時間的存在，會造成較大的轉換誤差;要防止這種誤差的產生,

必須在A/D轉換期間將信號電平保持住，而在A/D轉換結束后又能跟

蹤輸入信號的變化，即對輸入信號處于采樣狀態。能完成這種功能的器

件叫采樣/保持器，從卜面分析也可知，采佯/保持器在保持階段相當干一

個模擬信號存儲器

4、模擬多路開關

在機電一體化領域中，經常對許多傳感器信號進行采集和控制。如

果每一路都單獨采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣/保持、

A/D等環節，不僅成本比單路成倍增加，還會導致系統體積龐大,且由與

模擬器件，阻容元件參數和特性不一致,對系統的校準帶來很多困難。因

此除特殊情況下，多采用公共的采樣/保持及A/D轉換電路。要實現這種

設計，往往采用多路模擬開關。

5、測量放大器

在許多檢測技術應用場合.傳感器輸出的信號往往較弱，而且其中還

包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大

電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習慣上

將具有這種特點的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。

6、傳感器模擬量接口的幾種形式

(1)多通道一般型

特點:適合于中低速采樣，在A/D轉換器為逐次逼近式的情況下，必

須加采樣保持器。在采用間接比較式A/D轉換器的情況下可以不加采

樣保持器。此方案可有效降低接口成本。

(2)多通道同時采樣共享A/D轉換器型

特點:可以保證多路信號的相位關系，可以降低接口成本。

(3)多通道并行A/D轉換型

特點:適合于高速、超高速信號轉換，能夠保證各路信號的相位，成本

較高。

2.2.3傳感器的非線性補償處理

在機電一體化測控系統中，特別是需對被測參量進行顯示時，總是希

望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關系.使測量對象在整個

刻度范圍內靈敏度一致,以便于讀數及對系統進行分析處理。但是，很多

檢測元件如熱敏電阻、光敏管、應變片等具有不同程度的非線性特性，這

使較大范圍的動態檢測存在著很大的誤差。以往在使用模擬電路組成檢

測回路時，為了進行非線性補償,通常用硬件電路組成各種補償回路，如

常用的信息反饋式補償回路使用對數放大器、反對數放大器等,這不但

增加了電路的復雜性，而且也很難達到理想的補償。這種非線性補償完

全可以用計算機的軟件來完成，其補償過程較簡單，精確度也很高，又減

少了硬件電路的復雜性。在完成了非線性參數的線性化處理以后，要進

行工程量轉換，即標度變換、才能顯示或打印帶物理單位的數值。

傳感器的非線性軟件處理方法

常用的非線性軟件處理方法主要有兩種:計算法和插值法。

插值法

設某傳感器的輸出特性曲線(例如電阻一溫度持性曲線)。

可以看出，當巳知某一輸入值Xi以后，要想求出值yi并非易事，因為

其函數關系數關系式y=f(x)并不是簡單的線性方程。為使問題簡化，可以

把該曲線按一定要求分成若干段,然后把相鄰兩分段點用直線連起來(如

圖中的虛線所示)，用此直線代替相應的各段曲線、即可求出輸入值x所

對應的輸出值y。例如，設x在(xi,xi+1)之間,則其對應的逼近值為分段現

行插值原理.

第一步，用實驗法測出傳感器的變化曲線y=f(x)。為準確起見，要多

測幾次，以便求出一個比較精確的輸入/輸出曲線。

第二步，將上述曲線進行分段、選取各插值基點。為了使基點的選

取更合理，不同的曲線采用不同的方法分段。主要有兩種方法：

(1)等距分段法

等距分段法即沿y軸等距離地選取插值基點。這種方法的主要

優點是使xi+l-xi=常數,因而使計算變得簡單。但是函數的曲率和斜率變

化比較大時,會產生一定的誤差;要想減少誤差,必須把基點分得很細，這

樣勢必占用較多的內存，并使計算機所占用的機時加長。

(2)非等距分段法

這種方法的特點是函數基點的分段不是等距離的，通常將曲線曲率

大的線段插值距離劃分小一點,而使曲率小區域的插值距離大一點，但非

等值插值點的選取比較麻煩。

第三步確定并計算出各插值點xi、yi的值及兩相鄰插值點間的擬

合直線的斜率ki并存放在存儲器中。

第四步找出x所在的區域(xi,xi+1),并取出該線段的斜率ki。

第五步計算。

擬合計算法

當輸出電信號與傳感器的參數之間有確定的數字表達式時,就可采

用計算法進行非線性補償。即在軟件中編制一段完成數字表達式計算的

程序，被測參數經過采樣、濾波和標度變換后直接進入計算機程序進行

計算,計算后的數值即為經過線性化處理的輸出參數。

在實際工程上，被測參數和輸出電壓常常是一組測定的數據。這

時如仍想采用計算法進行線性化處理，則可應用數學上曲線擬合的方法

對被測參數和輸出電壓進行擬合，得出誤差最小的近似表達式。通常采

用多項式最小二乘擬合的方法，找出一個能較準確地反映傳感器輸出信

號與被測量之間關系的多項式。

一般形式

y為被測量,x為傳感器輸出值。

除了多項式外也可以用其他的模式進行最小二乘擬合。

2.2.4傳感器輸出信號的數字濾波

在機電一體化測控系統的輸入信號中，一般都含有各種干擾信號，它

們入要來自被測信號本身、傳感器或者外界的干擾。為了提高信號的可

靠性,減小虛假信息的影響，可采用軟件方法實現數字濾波。數字濾波就

是通過一定算法程序的計算或判斷來剔除或減少干擾信號成分，提高信

噪比。它與硬件RC濾波器相比具有以下優點：

(1)數字濾波是用軟件程序實現的，不需要增加任何硬件設備，也

不存在阻抗匹配問題，可以多個通道共用，不但節約投資,還可提高可靠

性、穩定性。

(2)可以對頻率很低的信號實現濾波,而模擬RC濾波器由于受

電容容量的限制，頻率不可能太低。

(3)靈活性好，可以用不同的濾波程序實現不同的濾波方法，或改

變濾波器的參數。

正因為用軟件實現數字濾波具有上述特點，所以在機電一體化測

控系統中得到了越

來越廣泛的應用。

數字濾波的方法有很多種，可以根據不同的測量參數進行選擇。

下面介紹幾種常用的數字濾波方法及程序。

1算術平均值法

算術平均值法是尋找一個Y值，使該Y值與各采樣值間誤差的平

方和為最小.即

由，得算術平均值法的算式

式中：xi——第i次采樣值；

Y——數字濾波的輸出；

N——采樣次數。

N的選取應按具體情況決定。若N大，則平滑度高，靈敏度低，但計

算量較大。一般而言，對于流量信號,推薦取N=12;壓力信號取N=4。

2中值濾波法

所謂“中值濾波法”,就是對某一個被測量連續采樣n次（一般取奇

數）,然后把n個采樣值從小到大（或從達到小）排序,再取中間值作為本次

采樣的結果。

取x2，中值濾波能有效地濾去由于偶然因素引起的波動（脈沖）或采

樣器的不穩定造成的誤碼等引起的脈沖干擾。對緩慢變化的過程變過采

用中值濾波有效果。中值濾波不宜用于快速變化的過程參數。

3防脈沖干擾復合濾波法

將算術平均值法和中值濾波法結合起來、便可得到防脈沖干擾平均

值法。

它是先用中值濾波原理濾除由于脈外干擾引起誤差的采樣值燃后

把剩下的采樣值進行算術平均。

防脈沖干擾平均值法兼顧了算術平均值法和中值濾波的優點，在快

、慢速系統系統中都能削弱干擾。提高控制質量。當采樣點數為三時，它

便是中值濾波法。

4慣性濾波法

慣性濾波法是一種以數字形式實現低通濾波的動態濾波方法。與一

階低通RC模擬濾波器相比，能很好實現對低頻干擾的濾波。

慣性濾波法適合于波動頻繁的被測量的濾波,它能很好的消除周期

性干擾，但也帶來了輸出數據的相位滯后的結果，滯后角的大小與的選

擇有關。

2.2.5智能傳感器

1、智能傳感器的概念

智能傳感器是當今國際科技界研究的熱點，尚無統一的、確切的定

義。在英文中本文中有Intelligentsensor或Smartsensor兩個詞，統稱

為智能傳感器。目前國內外學者普遍認為，智能傳感器是由傳統的傳感

器和微處理器（或微計算機）相結合而構成的，它充分利用計算機的計算

和存儲能力，對傳感器的數據進行處理，并能對它的內部行為進行調節,

使采集的數據最佳。

2、智能傳感器的功能與特點

智能傳感器的功能智能傳感器的功能概括起來主要有以下7個；

(1)自補償能力：通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移

、響應時間等進行自動補償。

(2)自校準功能：操作者輸入零值或某一標準量值后，自校準軟件

可以自動地對傳感器進行在線校準。

(3)自診斷功能：接通電源后，可對傳感器進行自檢,檢查傳感器各

部分是否正常，并可診斷發生故障的部件。

(4)數值處理功能：可以根據智能傳感器內部的程序，自動處理數

據，如進行統計處理，剔除異常值等。

(5)雙向通信功能：微處理器和基本傳感器之間構成閉環,微處理

機不但接收、處理傳感器的數據，還可將信息反饋至傳感器，對測量過程

進行調節和控制。

(6)信息存儲和記憶功能。

(7)數字量輸出功能：輸出數字信號，可方便的和計算機或接口總

線相連。

目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統的傳感器

只能作為敏感元件，檢測物理量的變化，而智能傳感器則包括測量信號調

理(如濾波、放大、A/D轉換等)、數據處理以及數據顯示等。它幾乎包括

了儀器儀表的全部功能。可見智能傳感器的功能已延伸到儀器的領域。

隨著科學技術的發展，智能傳感器的功能將逐步增強，它將利用人工神經

網、人工智能、信息處理技術(如傳感器信息融合技術、模糊理論等)，使傳

感器具有更高級的智能，具有分析、判斷、自適應、自學習的功能，可以完

成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務。

3、智能傳感器的組成

智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計算機)及相關電路組成

O

智能傳感器的組成

傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號，送到信號調理電路中,

進行濾波、放大、模數轉換后，送到微計算機中。計算機是智能傳感器的

核心，它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理，還可以通

過反饋回路對傳感器進行調節。由于計算機充分發揮各種軟件的功能，

可以完成硬件難以完成的任務，從而大大降低傳感器制造的難度，提高傳

感器的性能，降低成本。

智能傳感器的結構可以是集成的，也可以是分離式，按結構可以分為

集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個或多個敏

感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成度高，體積小。

這種集成的傳感器在目前的技術水平下還很難實現。將傳感器和微處理

器、信號處理電路作在不同的芯片上，則構成混合式的智能傳感器

(HybridSmartSensor)。目前這類結構較多。初級的智能傳感器也可,以有

許多互相獨立的模塊組成,如將微計算機、信號調理電路模塊、輸出電路

模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內，體積較大，但在目前的

技術水平下，仍不失為一種實用的結構形式。

4、智能傳感器的應用

智能傳感器最早應用在航天領域。宇宙飛船中需要測量大量參數,

有反映運行軌道的速度、加速度、姿態、方位等參數，有反映宇航員生存

環境的溫度、濕度、氣壓、空氣成分等參數，因此需要大量的傳感器。這些

大量的原始數據若直接送到計算機中,無疑會增加主計算機的負擔，影響

處理速度。為了提高效率和可靠性，采用分布處理的方法,即將這些數據

先經過各自的處理系統進行預處理，然后再傳送至主機進行集中史理。

這就是在美國宇航局開發宇宙飛船時所開發的智能傳感器。由于智能傳

感器和多功能傳感器的功能強，集成度高，體積小,因此可以大大減少傳

感器的數量和連接電纜線的重量，這恰是導彈、衛星、宇宙飛船等飛行器

所需要的，所以它們在航空航天領域中起著非常重要的作用。

在工業生產中，隨著生產過程自動化的發展，采集的數據越來越多，

需要使用大量傳感器和計算機。特別是需要智能傳感器。智能傳感器和

多功能傳感器在機器人中有廣闊的應用前景。如視覺傳感器、觸覺傳感

器、力覺傳感器、接近覺傳感器等。特別是智能機器人，需要根據采集的

信息進行識別、判斷、決策。智能傳感器如同人的五官，可以使機器人具

有感知功能。現在一些國家在研究開發可以識別物體形狀的觸覺傳感器,

分辨不同氣體的嗅覺傳感器。隨著智能傳感器和多功能傳感器的發展，

它們將在工業、科技、國防等各個部門得到更廣泛的應用。

3ESP傳感器的接口設計

3.1ESP傳感器的介紹

如圖3.1所示ESP常用的傳感器如下：

圖3.1ESP常用傳感器

方向盤轉角傳感器

ESP通過計算方向盤轉角的大小和轉角變化速率來識別駕駛員的

操作意圖。方向盤轉角傳感器將方向盤轉角轉換為一個可以代表駕駛員

期望的行駛方向的信號,方向盤轉角一般是根據光電編碼來確定的，安裝

在轉向柱上的編碼盤上包含了經過編碼的轉動方向，轉角等信一編碼盤

上的信息。由接近式光電耦合器進行掃描。接通點火開關并且方向盤轉

角傳感器轉過一定角度后，處理器可以通過脈沖序列來確定當前的方向

盤絕對轉角。方向盤轉角傳感器與ECU的通訊一般通過CAN總線完

成。

橫擺角速度傳感器

橫擺角速度傳感器檢測汽車沿垂直軸的偏轉，該偏轉的大小代表汽

車的穩定程度。如果偏轉角速度達到一個閾值，說明汽車發生測滑或者

甩尾的危險工況,則觸發ESP控制。當車繞垂直方向軸線偏轉時，傳感器

內的微音叉的振動平面發生變化，通過輸出信號的變化計算橫擺角速度

航向/橫向加速度傳感器

ESP中的加速度傳感器有沿汽車前進方向的縱向加速度傳感器和

垂直于前進方向的橫向加速度傳感器，基本原理相同,只是成90度夾角

安裝。ESP一般使用微機械式加速度傳感器,在傳感器內部，一小片致密

物質連接在一個可以移動的懸臂上，可以反映出汽車的縱向/橫向加速度

的大小，其輸出在靜態時為2.5V左右，正的加速度對應正的電壓變化，負

的加速度對應負的電壓變化，每1.0-1.4V對應1g的加速度變化，具體參

數因傳感器不同而有所不同。

輪速傳感器

在汽車上檢測輪速信號時，最常用的傳感器是電磁感應式傳感器，一

般做法是將傳感器安裝在車輪總成的非旋轉部分（如轉向節或軸頭）上,

頭）上與隨車輪一起轉動的導磁材料制成的齒圈相對。當齒圈相對傳感

器轉動時由于磁阻的變化，在傳感器上激勵出交變電壓信號，這種交變電

壓的頻率與車輪轉速成正比,ECU采用專門的信號處理電路將傳感器信

號轉換為同頻率的方波，再通過測量方波的頻率或周期來計算車輪轉速

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最初的ESP系統中縱向/橫向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器

都是單獨實現的，現在基本都使用了傳感器總成（SensorCluster）的模式,

將這3個傳感器設計為一體，通過CAN總線與ECU通訊。如圖3.2為

SIMENSVDO公司和BEI公司生產的。

圖3.2傳感器總成

3.2ESP常用傳感器接口設計

本文所作設計的框圖如圖3.3所示。在圖中，方向盤轉角傳感器信號

經微控制器處理后，通過CAN總線發送給ECU（圖4中B）。橫擺角速

度傳感器,縱向/橫向傳感器由于信號特點和安裝位置類似，故設計在同

一個模塊內（圖4中A）。由于ESP對輪速傳感器信號的實時性要求較

高，故經過信號調理后，直接送入ECU（圖4中C）在圖4的A和B中,

需要微處理器對信號進行處理并通過CAN總線傳送數據，本文選用

Infineon公司的SAK-C164CI。用Infineon公司的SAK-C164cL該芯片

是專為汽車應用而設計，內置AD轉換器，輸入信號捕捉，正交解碼器，運

算速度快，非常適合ESP的傳感器信號處理。

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圖3.3設計框圖

方向盤轉角傳感器接口

方向盤轉角傳感器的輸出為正交編碼脈沖。正交編碼脈沖包含兩個

脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90。）的固定相位偏移，如圖3.4

所示。通過檢測2路信號的相位關系可以判斷為順時針方向和逆時針方

向，并據此對信號進行加/減計數,從而得到當前的計數累計值，也即方向

盤的絕對轉角，而轉角的變化率即角速度，則可通過信號頻率測出。另外,

方向盤轉角傳感器有一個零位輸出信號，當方向盤在中間位置時,該信號

輸出0V,否則輸出5v通過該信號，可對絕對轉角進行在線校準。

Mrttt逆時針H時針

PP2n_n^T_rUww^

計依值

圖3.4方向盤轉角傳感器脈沖序列波形

C164CI與方向盤轉角傳感器的接口電路如圖3.5所示。片內內置

增量編碼的正交解碼器,該解碼器使用定時器3的兩個引腳(T3IN、

T3EUD)作為正交脈沖的輸入，在正確設置相關寄存器后，定時器3的數

據寄存器的值與方向盤轉角成正比，故可方便的計算轉角,本文所使用的

方向盤轉角傳感器每一圈對應44個脈沖，設定時器3的數據寄存器為

T3,則絕對轉角為。

嗎加3(1)

444

S^K-C164a

圖3.5方向盤轉角傳感器的接口電路

對(1)式進行差分運算，即可得到轉角變化速率。微控制器把計算得

到的參數通過CAN發送給ECUO

輪速傳感器接口

根據前面部分介紹的輪速傳感器信號特點，設計接口電路如醫3.6

電路采用兩級濾波和整形,以保證輪速信號在極低轉速下不會丟失,

同時避免因懸架振動引起的信號干擾。圖中由電阻R2引入第一級遲滯

比較,而使用74HC14引入第二級遲滯比較。

橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器

橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的安裝位置基本相同，輸出都

是OV-5V的模擬量，由于汽車顛簸造成的信號波動特性一致，故封裝在

同一模塊中。其硬件接口如圖3.7所示，實現硬件模擬前置濾波，以抑制

來自傳感器的模擬信號中的高頻噪聲成分，防止在采樣過程中出現混疊

現象。運放使用滿擺幅輸出的LMX324。

調整圖3.7各個阻容元件的參數，即可設置濾波截止頻率和延時大

小。汽車運行過程中在較好路面上行駛時,由于信號較好，延時盡量要小,

而在顛