汽車ESP傳感器的接口設計

1、汽車ESP傳感器的接口設計作者姓名： 專業(yè)名稱：電子信息科學與技術指導老師： 摘要分析了汽車電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)中常用傳感器的特性設計了常用傳感器的硬件接口和軟件接口并實現(xiàn)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(shù)據(jù)具有抗干擾性能好可靠性高的特點。ESP（Electronic Stability Program，電子穩(wěn)定程序）是汽車電控的一個標志性發(fā)明。不同的研發(fā)機構對這一系統(tǒng)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(xiàn)在博世、梅賽德奔馳公司稱為ESP；豐田公司稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）、汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（VSA）或者汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（

2、ESC）；寶馬公司稱為動力學穩(wěn)定控制系統(tǒng)（DSC）。盡管名稱不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車動力學控制系統(tǒng)，如ABS和TCS的基礎上增加一個橫向穩(wěn)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(jīng)批量生產，在國內尚處于研究階段，要達到產業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。關鍵詞：電子穩(wěn)定程序，傳感器，CAN 總線 AbstractAnalysed the characteristics of common sensors in electrol stability car system, d

3、evised their hardware interface and software interface, and realized the proposal of compositive sensor, which transmits data with electronic control unit through CAN bus. It is characterized by good ability of anti-interference and high reliability.ESP (Electronic Stability Program, Electronic Stab

4、ility Program) is an electronically controlled automotive landmark invention. Different R & D institutions of the different naming systems, such as Bosch (BOSCH) earlier known as Vehicle Dynamics Control (VDC), now Bosch- known as the Mercedes-Benz ESP; Toyota called Vehicle Stability control system

5、 (VSC), Vehicle Stability Assist System (VSA) or automotive electronic stability control system (ESC); BMW as dynamic stability control system (DSC). Although the names vary, but are in the traditional vehicle dynamics control systems such as ABS and TCS based on increase in lateral stability of a c

6、ontroller, by controlling the horizontal and vertical distribution and magnitude of force to control the vehicle under any traffic Kinetics of movement patterns, which can improve the car in various conditions of dynamic performance, such as braking, sliding, driving and so on. ESP has been in produ

7、ction abroad, at home at a research stage, it is necessary to achieve the degree of industrialization, there are a lot of work to do.key word: electrical stability system, sensor, can bus目錄摘要IAbstractII目錄III前言11 ESP概述21.1 ESP的發(fā)展21.2 ESP結構及控制原理32 傳感器的接口技術52.1 傳感器概述52.1.1傳感器的定義52.1.2 傳感器的組成52.1.3 傳感器的

8、特性62.1.4 傳感器的分類72.2 傳感器接口技術82.2.1 數(shù)字量、開關量的接口82.2.2模擬量的接口82.2.3 傳感器的非線性補償處理92.2.4 傳感器輸出信號的數(shù)字濾波112.2.5智能傳感器133 ESP傳感器的接口設計163.1 ESP傳感器的介紹163.2 ESP 常用傳感器接口設計18總結25致謝26參考文獻27 前言ESP(Electronic Stability Program 電子穩(wěn)定程序)是汽車電控的一個標志性發(fā)明。不同的研發(fā)機構對這一系統(tǒng)的命名不盡相同，如博世( B O S C H ) 公司早期稱為汽車動力學控制(VDC)，現(xiàn)在博世,梅賽德奔馳公司稱為E S

9、 P；豐田公司稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(VSC) 汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)(VSA)或者汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC) 寶馬公司稱為動力學穩(wěn)定控制系統(tǒng)(DSC)。盡管名稱不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車動力學控制系統(tǒng)，如ABS 和TCS 的基礎上增加一個橫向穩(wěn)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(jīng)批量生產，在國內尚處于研究階段，要達到產業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。1 ESP概述1.1 ESP的發(fā)展汽車電子穩(wěn)定性控制程序（ESP）是近幾年剛剛發(fā)展起來的一種電子裝置，是對ABS和TC

10、S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(wěn)定性控制方面的不足，并通過對車上傳感器的監(jiān)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(tài)進行干預控制使從而維持車輛的穩(wěn)定性，避免事故的發(fā)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(tǒng)不斷增加，功能也在不斷發(fā)展完善，包括主動安全系統(tǒng)和被動安全系統(tǒng)。主動安全系統(tǒng)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(tǒng)可以在危急的情況下使車輛保持穩(wěn)定及可操控性，避免事故的發(fā)生；被動安全系統(tǒng)是在事故發(fā)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

11、內人員免受傷害，降低事故后果的嚴重性。ABS在20世紀80年代開始得到廣泛應用，目前在國外已經(jīng)發(fā)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已經(jīng)在部分貨車和客車上配備，TCS是90年代發(fā)展起來的技術，而電子穩(wěn)定程序（ESP）是90年代初由德國奔馳公司開發(fā)的車輛穩(wěn)定系統(tǒng)。從1995年至今，伴隨著理論研究的不斷深入和電子技術的發(fā)展，汽車穩(wěn)定性控制得到了很大的發(fā)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(tǒng)，技術上都一直處于領先地

12、位，為國際大多數(shù)汽車廠商供應ABS/ASR/ESP系統(tǒng)。國內汽車穩(wěn)定性控制的研究還處在起步階段，只有少數(shù)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(xiàn)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(yè)也在開展相關的研究工作。1.2 ESP結構及控制原理ESP系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。ESP的ECU通過高度靈敏的傳感器時刻監(jiān)測車輛的行駛狀態(tài)，并通過計算分析判定車輛行使方向是否偏離駕駛員

13、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(wěn)定行駛狀態(tài)，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(fā)動機管理系統(tǒng)減小發(fā)動機扭矩。德國BOSCH公司是汽車電子穩(wěn)定性控制方的典范，下面以BOSCH公司的ESP系統(tǒng)為例介紹ESP的結構及控制原理。圖1.1是ESP系統(tǒng)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(jīng)在實際中得到了成功應用，其ESP在控制系統(tǒng)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(jīng)過一定的算

14、法和汽車模型運算后，可以知道期望值，M、M與實際值、經(jīng)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(jù)大小確定要產生的修正橫擺力矩。然后ESP根據(jù)修正橫擺力矩大小值確定各個車輪最優(yōu)的滑移率（每個車輪的最優(yōu)滑移率值是經(jīng)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(jù)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(jié)氣門開度），制動電磁閥工作后（或節(jié)氣門開度改變）便實現(xiàn)對汽車的穩(wěn)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(tài)，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

15、，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(wěn)定性并施加行駛意圖在汽車的行駛中，回避前方突然出現(xiàn)的障礙物或者在轉彎時容易出現(xiàn)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(tǒng)其各個傳感器

16、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。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(tǒng)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(huán)密切相關。在機電一體化系統(tǒng)中有各種不同的物理量(如位移、壓力、速度等)需要控制和監(jiān)測，如果沒有傳感器對原始的各種參數(shù)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(xiàn)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(tǒng)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

17、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(fā)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

18、等)轉換成電路基數(shù)(如電阻、電感、電容等)等。3 基本轉換電路：將電路參數(shù)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(tài)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(shù)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，其輸出值的一致性，其意義與精度類似。

19、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(wěn)定性(溫度漂移，時間零漂)：時間零漂,在規(guī)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(fā)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(tài)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(tài)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(tài)誤差若不注意加以控制，

20、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(tài)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(shù)字型，如下圖所示：1 開關型開關型傳感器的二值就是“1”和“0”或開(ON)和關(OFF)。這種“l(fā)”和“0”數(shù)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(tài)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 INoffI

21、NonINoff與INon的差稱為磁滯寬度或瞬動(snap)寬度。2 數(shù)字型數(shù)字型傳感器有計數(shù)型和代碼型兩大類。其中計數(shù)型又稱脈沖數(shù)字型，所示。它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計數(shù)器就可對輸入量進行計數(shù)，如可用來檢測通過輸送帶上的產品個數(shù)，也可用來檢測執(zhí)行機構的位移量，這時執(zhí)行機構每移動一定距離或轉動一定角度就會發(fā)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(xù)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

22、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(shù)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(shù)字量信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關量。2.2.1 數(shù)字量、開關量的接口 可以通過緩沖器直接輸入到計算機數(shù)據(jù)總線上。2.2.2模擬量的接口1、模擬量的數(shù)字化過程(1) 時間斷續(xù)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

23、的恢復為原來的模擬信號。(2) 數(shù)值斷續(xù)：數(shù)值斷續(xù)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(shù)量單位的一系列整數(shù)倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位的倍數(shù)來代替該幅值。最小單位叫量化單位，q=FSR/2n，完成量化的器件叫量化器，即A/D轉換器。2、模數(shù)（A/D）轉換器模數(shù)轉換器把輸入的模擬信號經(jīng)過量化和編碼后，轉換成數(shù)字信號的器件?？煞譃橹苯颖容^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進行模數(shù)變換時，從啟動變換到變換結束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即AD轉換器的孔徑時間。當輸入信號頻率提高時，出于孔徑時間

24、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AD轉換期間將信號電平保持住，而在AD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(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣保持器，從上面分析也可知，采佯保持器在保持階段相當于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(jīng)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、AD等環(huán)節(jié)，不僅成本比單路成倍增加，還會導致系統(tǒng)體積龐大，且由與模擬器件，阻容元件參數(shù)和特性不一致，對系統(tǒng)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AD轉換電路。要實現(xiàn)這種設計，往往采用多

25、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

26、、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(tǒng)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(shù)及對系統(tǒng)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(tài)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(shù)放大器、反對數(shù)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

27、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(shù)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(shù)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(例如電阻溫度持性曲線)。可以看出，當巳知某輸入值xi以后，要想求出值yi并非易事，因為其函數(shù)關系數(shù)關系式y(tǒng)=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,x

28、i+1)之間，則其對應的逼近值為分段現(xiàn)行插值原理.第一步，用實驗法測出傳感器的變化曲線yf(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(yōu)點是使xi+1-xi常數(shù)，因而使計算變得簡單。但是函數(shù)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(shù)基點的分段不是等距離的，通常

29、將曲線曲率大的線段插值距離劃分小一點，而使曲率小區(qū)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(qū)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(shù)之間有確定的數(shù)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(shù)字表達式計算的程序，被測參數(shù)經(jīng)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(shù)值即為經(jīng)過線性化處理的輸出參數(shù)。 在實際工程上，被測參數(shù)和輸出電壓常常是一組測定的數(shù)據(jù)。這時如仍想采用計算法進行線

30、性化處理，則可應用數(shù)學上曲線擬合的方法對被測參數(shù)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(shù)字濾波在機電一體化測控系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)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

31、下優(yōu)點： (1) 數(shù)字濾波是用軟件程序實現(xiàn)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(jié)約投資，還可提高可靠性、穩(wěn)定性。 (2) 可以對頻率很低的信號實現(xiàn)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(xiàn)不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。 正因為用軟件實現(xiàn)數(shù)字濾波具有上述特點，所以在機電一體化測控系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用。 數(shù)字濾波的方法有很多種，可以根據(jù)不同的測量參數(shù)進行選擇。下面介紹幾種常用的數(shù)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

32、算術平均值法的算式式中: xi第i次采樣值； Y數(shù)字濾波的輸出； N采樣次數(shù)。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N12；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(xù)采樣n次(一般取奇數(shù))，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(wěn)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(shù)。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

33、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，然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(yōu)點，在快、慢速系統(tǒng)系統(tǒng)中都能削弱干擾。提高控制質量。當采樣點數(shù)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(shù)字形式實現(xiàn)低通濾波的動態(tài)濾波方法。與一階低通RC模擬濾波器相比，能很好實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)一的、確切

34、的定義。在英文中本文中有Intelligent sensor 或Smart sensor 兩個詞, 統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)進行處理,并能對它的內部行為進行調節(jié),使采集的數(shù)據(jù)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

35、: 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(fā)生故障的部件。(4) 數(shù)值處理功能: 可以根據(jù)智能傳感器內部的程序,自動處理數(shù)據(jù),如進行統(tǒng)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(huán),微處理機不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,對測量過程進行調節(jié)和控制。(6) 信息存儲和記憶功能。(7) 數(shù)字量輸出功能: 輸出數(shù)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(tǒng)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、/轉換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示

36、等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能?？梢娭悄軅鞲衅鞯墓δ芤蜒由斓絻x器的領域。隨著科學技術的發(fā)展,智能傳感器的功能將逐步增強,它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、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。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(shù)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(shù)據(jù)進行計算、存儲、數(shù)據(jù)處理,還可

37、以通過反饋回路對傳感器進行調節(jié)。由于計算機充分發(fā)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(xiàn)。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(Hybrid Smart Sensor)。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

38、、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(shù),有反映運行軌道的速度、加速度、姿態(tài)、方位等參數(shù),有反映宇航員生存環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、空氣成分等參數(shù),因此需要大量的傳感器。這些大量的原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)先經(jīng)過各自的處理系統(tǒng)進行預處理,然后再傳送至主機進行集中處理。這就是在美國宇航局開發(fā)宇宙飛船時所開發(fā)的智能傳感器。由于智能傳感器和多功能傳感器的功能強

39、,集成度高,體積小,因此可以大大減少傳感器的數(shù)量和連接電纜線的重量,這恰是導彈、衛(wèi)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(yè)生產中,隨著生產過程自動化的發(fā)展,采集的數(shù)據(jù)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(jù)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(xiàn)在一些國家在研究開發(fā)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(fā)展,它們將

40、在工業(yè)、科技、國防等各個部門得到更廣泛的應用。3 ESP傳感器的接口設計3.1 ESP傳感器的介紹如圖3.1所示ESP常用的傳感器如下： 圖3.1 ESP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(jù)光電編碼來確定的，安裝在轉向柱上的編碼盤上包含了經(jīng)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

41、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(wěn)定程度。如果偏轉角速度達到一個閾值，說明汽車發(fā)生測滑或者甩尾的危險工況，則觸發(fā)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(fā)生變化，通過輸出信號的變化計算橫擺角速度。縱向/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(tài)時為2.5V

42、 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(shù)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(jié)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。最初的ESP 系統(tǒng)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(xiàn)的

43、，現(xiàn)在基本都使用了傳感器總成(Sensor Cluster)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SIMENS VDO 公司和BEI 公司生產的。圖3.2 傳感器總成3.2 ESP 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(jīng)微控制器處理后，通過CAN 總線發(fā)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(jīng)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

44、進行處理并通過CAN 總線傳送數(shù)據(jù)，本文選用Infineon公司的SAK-C164CI。用Infineon公司的SAK-C164CI。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。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(jù)此對信號進行加/減計數(shù)，從而得到當前的計數(shù)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

45、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。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器為T3，則絕對轉角為。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。

46、微控制器把計算得到的參數(shù)通過CAN發(fā)送給ECU。輪速傳感器接口根據(jù)前面部分介紹的輪速傳感器信號特點，設計接口電路如圖3.6所示。圖3.6 輪速傳感器借口電路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0V-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(xiàn)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(xiàn)混疊現(xiàn)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(shù)，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，而在顛簸路面上行駛，則希望濾波效果要好。但是由于硬件濾波的頻率特性一經(jīng)設計完畢，無法實時