汽車設(shè)計中最重要的是安全性，因此設(shè)計人員需要增加更多的傳感器和輔助駕駛系統(tǒng)。難點是盡管溫度和濕度波動很大并且存在振動和電磁兼容性問題，但這些系統(tǒng)需要一個通用接口，并且必須能夠可靠地通信，實現(xiàn)零錯誤。

對于設(shè)計人員來說，不妨了解符合外設(shè)傳感器接口 (PSI5) 要求的基于傳感器的解決方案。這是一種堅固的抗干擾接口，最初用于安全氣囊系統(tǒng)，但現(xiàn)在正越來越多地用于新的傳感器密集型汽車應(yīng)用。

本文將先介紹 PSI5 總線，然后介紹和描述多種 PSI5 系統(tǒng)解決方案以及如何使用它們來配置基于傳感器的控制系統(tǒng)。

外設(shè)傳感器接口 (PSI5)

PSI5 接口用于將多個傳感器連接到電子控制單元 (ECU)，已廣泛用作安全氣囊和相關(guān)約束系統(tǒng)的主要傳感器通信總線。它是 PSI5 組織網(wǎng)站 PSI5.org 上提供的一個開放標(biāo)準(zhǔn)。最新的規(guī)范是 PSI5 版本 2.3，已作為所有子標(biāo)準(zhǔn)(包含用于安全氣囊、底盤和安全控制以及傳動系統(tǒng)的子標(biāo)準(zhǔn))的一項通用基本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

PSI5 標(biāo)準(zhǔn)以兩線(雙絞線)總線實施，數(shù)據(jù)傳輸采用電流調(diào)制和曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為 125 kbps(可選 189 kbps)。與其他常見汽車數(shù)據(jù)總線相比，它屬于中速接口(表 1)。

接口總線 物理連接 最大比特率 最大比特率下的最大長度 LIN 3 線 19.2 kbps 40 m PSI5 2 線 189 kbps 12 M SENT 3 線 333 kbps 5 M CAN 4 線 1 Mbps 40 M FlexRay 2 線或 4 線 10 Mbps 22 M

表 1：常見汽車數(shù)據(jù)總線的比較。PSI5 屬于中速接口。(數(shù)據(jù)：Digi-KeyElectronics)

PSI5 在中速范圍內(nèi)的優(yōu)勢在于成本比 CAN 或 FlexRay 更低，但具有與傳感器數(shù)據(jù)兼容的數(shù)據(jù)速率。SENT 數(shù)據(jù)總線也用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸，但其限制在于僅能將數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到電子控制單元 (ECU)。PSI5 為雙向，允許傳感器尋址和配置。

PSI5 在汽車 ECU 中的典型實施包括饋送多個接口的微控制器(圖 1)。

圖 1：汽車微控制器 ECU 的框圖，包括用于常見汽車數(shù)據(jù)總線(含 PSI5)的 I/O 端口。(圖片：Digi-Key Electronics)。

圖 1 中微控制器右側(cè)方框顯示了支持的 I/O 端口。其中包括以太網(wǎng)、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)、本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN)、FlexRay 汽車通信總線，以及單邊緣漸進傳輸 (SENT) 和 PSI5 傳感器接口。這些汽車 ECU 高度集成并可包括三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的傳感器測量。

PSI5 物理層

ECU 使用兩根電線連接到傳感器。與使用三根或更多根電線的其他總線相比，使用兩線雙絞線降低了實施成本。相同的兩根電線用于電力和數(shù)據(jù)傳輸。ECU 可使用集成或單獨的 PSI5 收發(fā)器向傳感器提供穩(wěn)壓，并讀取其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)通過使用曼徹斯特編碼的電流調(diào)制傳輸?shù)?ECU(圖 2)。

圖 2：PSI5 接口的曼徹斯特編碼在位時間間隔中間使用電流轉(zhuǎn)換。Teledyne LeCroy 型號為 HDO4104A 的數(shù)字示波器提供可選的曼徹斯特解碼器。(圖片：Digi-Key Electronics)

通過使電流從基準(zhǔn)電平(傳感器標(biāo)稱靜態(tài)電流)變?yōu)樽罡唠娖?，實現(xiàn)從傳感器傳輸數(shù)據(jù)。此示例中的電流具有 10 毫安 (mA) 的基準(zhǔn)電平和 40 mA 的最高電平，增量為 30mA。

曼徹斯特編碼在位時間間隔的中間利用電流轉(zhuǎn)換。在 PSI5 收發(fā)器內(nèi)檢測電流調(diào)制，其中正斜率表示為邏輯“0”，負(fù)斜率表示為邏輯“1”。在圖中，位時間間隔由垂直光標(biāo)標(biāo)記。帶有可選曼徹斯特解碼器的 Teledyne LeCroy 型號 HDO4101A 示波器將 PSI5 數(shù)據(jù)包分成十三個位時間，由垂直藍線表示。位時間間隔中間的電流轉(zhuǎn)換表示數(shù)據(jù)值，由示波器在轉(zhuǎn)換時打印。

ECU 使用電壓調(diào)制與 PSI5 傳感器通信。該方法用于同步來自傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)單個傳感器連接到 ECU 時，該傳感器控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和重復(fù)率。如果連接了多個傳感器，則 ECU 控制同步和數(shù)據(jù)傳輸。多個傳感器可以并聯(lián)或通過總線配置連接，也可以通過一系列傳感器進行“菊花鏈連接”。本文稍后會更詳細(xì)地討論這些配置。

數(shù)據(jù)鏈路層

PSI5 數(shù)據(jù)幀提供了極大的靈活性(圖 3)。除了具有三個主要組件的基本結(jié)構(gòu)外，還存在一個擴展功能結(jié)構(gòu)。

圖 3：PSI5 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)顯示數(shù)據(jù)有效載荷區(qū)域中的基本區(qū)段和擴展區(qū)段。(圖片：Digi-Key Electronics)

基本結(jié)構(gòu)包含以下必需元素：

一個起始位字段，包含總是編碼為“00”的兩個位。

一個具有效載荷的數(shù)據(jù)字段，包含指定為 D0 到 D27 的從 10 位到 28 位的任何值。

一個糾錯段，支持一個奇偶校驗位 P 和三位循環(huán)冗余檢查 (CDC)，C0 到 C2。

擴展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括控制、消息傳送和狀態(tài)數(shù)據(jù)，總結(jié)見表 2。

區(qū)段 任務(wù) 位數(shù) 說明 強制或可選 S1，S2 起始位 2 值 ='0' 強制 M0，M1 消息傳送 0，2 串行消息傳送通道 可選 F0 - F(q-1) 字段控制 0，1，2，3，4 指定幀數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)內(nèi)容或傳感器標(biāo)識 可選 E0 - E(r-1) 狀態(tài) 0，1，2 錯誤標(biāo)志 可選 B0 - B(l-1) 區(qū)域 B 數(shù)據(jù) 0-12 區(qū)域 B 數(shù)據(jù)有效載荷 可選 A0 - A(n-1) 區(qū)域 A 數(shù)據(jù) 10-24 區(qū)域 A 數(shù)據(jù)有效載荷 強制 P 或 C0-C2 奇偶校驗或 CRC 1，3 糾錯碼 強制

表 2：具有子字段的附加 PSI5 數(shù)據(jù)包可選字段提供更多靈活性。(數(shù)據(jù)：Digi-Key Electronics)

PSI5 系統(tǒng)

NXP Semiconductors RDAIRBAGPSI5-001 是汽車安全氣囊控制系統(tǒng)的一種參考設(shè)計，顯示了基于 PSI5 的傳感器設(shè)計中的元素(圖 4)。

圖 4：NXP Semiconductors 安全氣囊參考平臺設(shè)計的框圖顯示了基于 PSI5 的傳感器接口的元素。(圖片：NXP Semiconductors)

該參考設(shè)計使用 NXP PSI5 收發(fā)器 ASSP 作為傳感器和微控制器之間的接口。ASSP 是一種混合模式(模擬/數(shù)字)設(shè)備，可處理多種約束系統(tǒng)相關(guān)功能。在傳感器方面，它最多支持四個傳感器通道，提供電源和控制。

PSI5 傳感器

加速、溫度和壓力傳感器在車輛中應(yīng)用很普遍。與安全氣囊系統(tǒng)相關(guān)的傳感器主要是加速計。ECU 附近通常有一個本地加速計。在車輛四周還有多個加速計，稱為衛(wèi)星傳感器。安全氣囊 ECU 使用來自多個傳感器的數(shù)據(jù)確保故障保護性能。如果衛(wèi)星傳感器檢測到減速，ECU 還會輪詢本地加速計以驗證是否存在“碰撞”事件，而并非加速計故障。

典型的安全氣囊加速計是單軸傳感器，適用于汽車應(yīng)用，可配置的傳感器范圍為 ±30 g 至 ±480 g，量程因素為 2。它支持 PSI5 直接連接，以及同步并行和菊花鏈雙向通信。這些加速計可用于前端或側(cè)面碰撞感應(yīng)、沖擊和振動檢測或行人碰撞感應(yīng)。

PSI5 傳感器連接拓?fù)?/p>

使用加速計時，PSI5 提供了幾種將其連接到 ECU 的方法(圖 5)。

圖 5：PSI5 支持的四種不同傳感器連接拓?fù)涞氖纠?，可供需要連接加速計的設(shè)計人員使用。在所有情況下，ECU 通過 PSI5 收發(fā)器為傳感器供電并讀取傳感器數(shù)據(jù)。(圖片：Digi-Key Electronics)

該圖顯示了 PSI5 支持的四種 ECU 與傳感器可能的連接方式。在所有情況下，ECU 通過 PSI5 收發(fā)器為傳感器供電并讀取傳感器數(shù)據(jù)。在同步拓?fù)渲?，ECU 還控制傳感器。圖 6 中的時序圖有助于說明各種操作模式之間的差異。

圖 6：四種 PSI5 連接拓?fù)涞臅r序有簡單的點對點和較復(fù)雜的同步并行等。同步模式中的時序由 ECU 使用電壓調(diào)制同步脈沖啟動。(圖片：Digi-Key Electronics)

連接加速計的最簡單方法是使用直接點對點連接。在該模式中，ECU 為周期性傳輸數(shù)據(jù)的傳感器供電。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和重復(fù)率由傳感器控制。

當(dāng)包含多個傳感器(例如，同一封裝中的溫度、壓力或多軸加速傳感器)的傳感器集群直接連接時，則為與點對點連接相關(guān)的多通道集群模式。該連接能夠以同步或異步時序模式實現(xiàn)。來自不同傳感器的數(shù)據(jù)可以被多路復(fù)用，或者如此處所示，合并成同一數(shù)據(jù)包內(nèi)的兩個不同數(shù)據(jù)段。

同步模式中的時序由 ECU 使用電壓調(diào)制同步脈沖啟動。

并行連接將每個傳感器分布于總線上。通過來自 ECU 的同步信號開始數(shù)據(jù)傳輸。然后，每個傳感器按其相應(yīng)的指定時隙發(fā)送其數(shù)據(jù)。

在菊花鏈配置中，傳感器沒有固定地址，可以連接到總線上的任意位置。在啟動期間，每個傳感器接收單獨的地址，然后將電源電壓傳遞給后續(xù)傳感器。從 ECU 到傳感器的雙向通信使用稱為尋址序列的特定同步信號模式來完成尋址。在分配了各個地址之后，傳感器響應(yīng) ECU 產(chǎn)生的同步脈沖，開始按其相應(yīng)時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。

總結(jié)

設(shè)計人員需要在車輛上增加更多傳感器以提高車輛的安全性。如本文所述，PSI5 總線為連接多個傳感器提供了一種高度可靠且可互操作的方法，此方法在物理配置和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)方面均具有靈活性。