开发基于LIN协议的新型汽车感测器系统

随着汽车电子系统的进展，对低成本、高可靠性感测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，但互连架构和混合讯号制程的进步已经大幅增强了智慧性、降低了成本并提高了可靠性。而且，更多的先进技术也不断问世。

　　目前，大多数感测器系统是基于一种架构，即从感测器直到系统的主要电子控制单元(ECU)都是类比讯号链。在极为嘈杂的汽车环境中，要保持这些系统的讯号完整性是一个挑战。

　　一种解决方案是采用简单的专用技术(例如脉冲宽度调变(PWM)或可变脉冲宽度)，在不同的实体层上以数位方式传送讯号。但这些方法存在几个缺点。一般而言，每个讯号都需要一根单独的线路，而且资讯通常是从感测器单向输出到主要的ECU。因此不可能利用这种感测器子系统进行双向通讯和诊断。

　　另一种方案是利用CAN汇流排将讯号传回到主要ECU。不过，这种方法通常需要一个微控制器和支援电路，因而会增加相当可观的成本。

图1：基于LIN的感测器系统架构。

　　目前有两种技术趋势推动汽车感测器系统的发展：区域互连网路(LIN)协议和混合讯号半导体制程技术的进步。

　　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，例如感测器介面。 LIN所具备的几种特性使其适于作为感测器子系统的实体层和协议。这是一种低成本、双向的单线实体层实现方法，减少了对讯号线及其线束的需求。如果模组中含有一个以上的感测器就更能突显这种方法的优势，而且所有的输出都能透过多工在单一LIN汇流排上实现。

　　基于LIN的感测器系统架构

　　LIN协议基于主从架构，在这种架构中，所有的汇流排通讯都由主节点控制和调度。这种特性为讯号传输提供了保证的延迟时间，使系统具有可预测性，这对大多数感测器讯号来说是绝对必需的。 LIN汇流排架构可扩展到16节点，而且不需要仲裁机制，因为所有的汇流排通讯都由主节点调度。

　　从节点是自同步的，并可利用晶片上RC振荡器代替晶振或陶瓷谐振器，因而在系统级上大幅降低成本。该协议十分简单且已标准化，适用于异步串列介面(UART/SCI)。此外，矽实现的成本相当低，甚至采用通常用于感测器讯号介面IC的混合讯号制程也是这样。透过标准化，基于LIN的感测器子系统能降低成本、提高可靠性。

　　混合讯号半导体制程的不断发展使整合化程度越来越高，尤其是在数位整合度和类比精密度方面。目前有几种制程适用于汽车感测器应用，如线性BiCMOS、高压CMOS和绝缘层矽(SOI)。每一种制程都有其优点和缺点，要根据感测器类型和应用需求来进行选择。

　　这些制程允许用单晶片SoC实现整个感测器系统的电子组件，包括电源、高电压作业、数位电路、记忆体、时脉源和高精密度类比电路。

图2：目前的感测器系统架构。

　　混合讯号介面IC

　　德州仪器的部份定制混合讯号ASIC感测器介面IC采用了混合讯号半导体制程及LIN通讯汇流排。这种单晶片感测器介面IC 几乎整合了需要连接到感测器、汽车电子网路和LIN汇流排的每一个元件。这些元件中的典型组件包括用于匹配感测器和系统需求的汽车电压调节器、用于直接连接感测器输出的类比滤波前端、一个类比数位转换器、数位滤波和控制、一个LIN协议控制器以及LIN实体层。

　　透过改变感测器系统的架构，即利用LIN作为讯号和通讯介面，并基于混合讯号IC来实现它，我们可以在系统级获得若干优势。 LIN允许在单线上进行双向通讯，因此主节点能够请求感测器提供诊断资讯，或者在需要时感测器能提供系统故障资讯。

　　LIN协议和实体层是LIN联盟针对汽车应用而设计开放式规格。最近，美国汽车工程师协会根据J2602规格为LIN应用增添了一些很好的实例，去除了专用介面及协议，因而可实现感测器再使用，并能使它们基于已知的、可靠且强韧的通讯系统。

　　即使模组中含多个感测器，也有可能制作只有三根线(电池、接地和LIN)的感测器模组。减少线和线束可以减少感测器的封装尺寸，最佳化感测器的布局，并降低布线感应度。

　　使用先进的混合讯号制程技术实现感测器介面IC，可以从几方面降低系统成本：更少的元件；更少的库存；更小、更简单的PCB设计；更小的感测器外形尺寸以及更高的可靠性。而且，由于使用晶片上RC振荡器，就可省去作为时脉源的晶振或谐振器。

　　目前取得的这些进展只是在提高汽车感测器系统的智慧和性能方面迈出了几小步。下一代混合讯号制程(例如LBC5和LBC7) 能将更多的智慧和功能整合在感测器子系统中。我们甚至可以设想，下一代感测器介面IC将包括能为感测器子系统提供程式功能，并增加灵活性的小型整合微处理器。