浅述智能传感器与现代汽车电子.docx

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浅述智能传感器与现代汽车电子

毕业设计（论文）开题报告

课题名称

浅述智能传感器与现代汽车电子

学生姓名

张冉

指导导师

张小艳

课题来源

查找资料

专业名称

汽车制造与装配技术

一、课题研究现状及发展趋向：

（一）发展背景：

电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车动力性能，操控性能，安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品，信息技术间的完美结合，电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。

目前除了一些车内音响。

视频装备。

车用通信。

导航系统以及车载办公系统。

网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入一个有本质性提高的新阶段，其中最有代表性的核心器件就是智能传感器。

（二）基本概念：

1，智能传感器2，汽车电子3，汽车ESP（电子稳定程序）

（三）发展趋势：

从汽车传感器的发展趋势来看，它将不仅仅局限在发动机管理系统，而是越来越多地与环境保护，安全和智能化联系在一起。

未来几年，汽车引擎和驱动部分的应用仍然是智能传感器的最大应用领域，尾气排放控制传感器的需求的增长前景仍然被看好，世界各国有关汽车尾气排放限制的法规逐渐严格，这将大力推动排放控制传感器市场的增长。

此外，随着汽车安全技术的重心正由被动安全转向主动安全，安全应用将是一个有着巨大增长潜力。

二、主要研究的目的及内容：

（一）研究目的：

智能传感器将成为现代汽车先进系统的“神经末梢”，我想通过此课题的研究来提高自己的认识和能力，特别是智能传感器在汽车ESP（电子稳定程序）上的应有，为自己的工作发展打下基础

（二）研究内容：

1．首先介绍汽车电子操控和安全系统

2．汽车发展对汽车电子的一些基本要求

3．智能传感器：

微传感器与集成电路融合的新一代电子器件

4．新型智能传感器系统介绍

5．智能传感器技术要求

6．汽车ESP用传感器技术

三、课题研究进度计划：

1、3月前两周搜集资料；

2、后两周初步定稿；

3、4月前两周修改论文格式；

4、第三周打印出稿，准备论文答辩。

指导教师签名：

2009年月日

目录

摘要………………………………………………………………………………1

引言………………………………………………………………………………2

1．汽车电子操控和安全系统………………………………………………………3

2．汽车发展对汽车电子的一些基求………………………………………………4

3．智能传感器概述…………………………………………………………………4

3.1智能传感器定义……………………………………………………………4

3.2智能传感器结构……………………………………………………………5

4．新型智能传感器系统介绍………………………………………………………10

4.1酒精检测MEMS系统………………………………………………………10

4.2自动雨刷系统……………………………………………………………10

4.3电子式自动照明系统……………………………………………………10

4.4胎压监测系统……………………………………………………………10

4.5安全气囊触发系统………………………………………………………10

5.智能传感器技术要求……………………………………………………………11

6.汽车ESP用传感器技术…………………………………………………………12

6.1汽车ESP介绍……………………………………………………………12

6.2汽车ESP常用的传感器…………………………………………………12

结论…………………………………………………………………………………13

致谢…………………………………………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………………………14

附录一英汉对照……………………………………………………………………15

浅述智能传感器与现代汽车电子

摘要：

电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车动力性能，操控性能，安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品。

信息技术间的完美结合，电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。

目前除了一些车内音响，视频装备，车用通信，导航系统以及车载办公系统，网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入一个有本质性提高的新阶段，其中最有代表性的核心器件就是智能传感器。

现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。

其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器。

智能传感器也必然成为当代汽车先进系统的“神经末梢”，为中央处理器提供必需感知信息，如外部环境各种物理信号和参数等。

可以说，没有各式各样传感器就实现不了机械设备智能化。

有新汽车应用系统出现，都将催生新汽车传感器与之配套。

关键词：

汽车电子，智能传感器

Abstract：

HyundaiElectronicsfromtheapplicationofelectroniccomponentstothevehicleelectronicsystemarchitecturehasbeentheessenceintoanewphaseofenhance.Oneofthemostrepresentativeoneofthecoreofintelligentsensordevices.Smartsensorsareboundtobecomeanadvancedautomotivesystems,"nerveendings",inordertoprovidethenecessaryCPU-awareinformation,suchastheexternalenvironmentforavarietyofphysicalsignalsandparameters.Itcanbesaidthatnotallkindsofsensorsonthemachineryandequipmentcannotachieveintelligent.Thereisanewsysteminautomotiveapplications,birthofanewcarwillbecompatiblewiththesensor.

Keywords:

Automotiveelectronics,intelligentsensors

引言

电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车动力性能，操控性能，安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品。

信息技术间的完美结合，电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。

目前除了一些车内音响，视频装备，车用通信，导航系统以及车载办公系统，网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入一个有本质性提高的新阶段，其中最有代表性的核心器件就是智能传感器。

安全应用带动智能传感器市场飙升汽车应用相关的传感器除光照度，图像传感器和主动探测的超声波，微波，毫米波雷达外，还包括压力，液位，流量，位置，高度，距离，速度，转速，转矩，加速度，温度，湿度，气体浓度等传感器，以及适合汽车总线的CAN总线式智能传感器。

各种各样的产品已经深刻地融入到汽车的各个功能系统，包括汽车ESP，发动机管理系统，底盘与传动系统，安全系统，车身电子系统。

空调环境系统等等。

从汽车传感器的发展趋势来看，它将不仅仅局限在发动机管理系统，而是越来越多地与环境保护，安全和智能化联系在一起。

未来几年，汽车引擎和驱动部分的应用仍然是智能传感器的最大应用领域，虽然其增长趋势将没有其它应用那么明显；尾气排放控制传感器的需求的增长前景仍然被看好，世界各国有关汽车尾气排放限制的法规逐渐严格，这将大力推动排放控制传感器市场的增长。

智能传感器的技术要求汽车应用通常被视为最困难的领域之一，因为它具有极端的工作温度范围和强烈的机械振动。

汽车电子操控系统的动作必须快速，正确，可靠，传统通过分立电子元器件搭建的电路监测控制系统已经不能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成。

直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性，可靠性和适时性。

而且现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。

理想的情况是，电子感应。

控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体，这就要求新一代传感器件和控制电路尽可能地微型化，集成化，汽车的各种功能部件都有各自的运动，操控特性，对汽车传感器而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。

因此，传感器和电路必须要有高稳定，抗环境干扰和自适应，自补偿调整的能力。

1汽车电子操控和安全系统简介

近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。

因此评论界出现了一些专家的预测：

汽车工业有可能超过IT产业，成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。

其实，汽车工业的增长必将包含与汽车产业相关的IT产业的增长。

例如，虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%—15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%，中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在、不断地快速增长，预期很快将达到50%。

电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车（机动车）的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合。

汽车工程界专家指出：

电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。

这也是最近电子信息产业界对汽车电子空前关注的原因之一。

但是，必须指出的是，除了一些车内音响、视频装备，车用通信、导航系统，以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件（包括传感器、执行器、微电路等）到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。

其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器（智能执行器、智能变送器）。

实际上，汽车电子已经经历了几个发展阶段：

从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。

新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。

例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。

这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。

还可以举一个安全驾驶方面的例子，出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置（ABS）外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。

现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统（EBA），该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。

EBA的自控动作必须在极短时间（例如百万分之一秒级）内完成。

这个系统能使200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的20多米。

针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”（ETC）系统等。

2汽车发展对汽车电子的一些基本要求

1．电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠。

传感器（+调理电路）+微处理器，然后再通过微处理器（+功率放大电路）+执行器的技术途径已经不再能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。

2．现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。

理想的情况当然是，电子控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体。

因此器件和电路的微型化、集成化是不可回避的道路。

3．电子控制单元必须具有足够的智能化程度。

以安全气囊为例，它在关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此安全气囊的ECU必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保动作的“万无一失”。

4．汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，并且，对电子产品而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。

诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。

因此，电子元器件和电路必须要有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。

5．与上述要求同样重要，甚至有时是关键性的条件是，汽车电子控制单元用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。

一些微传感器和智能传感器就是这方面的典范。

例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而且因为可以在集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低（几美元至十几或几十美元），所以在汽车工业中找到了自己最大的应用市场，反过来也有力地促进了汽车工业的电子信息化。

3微传感器与集成电路融合的新一代电子器件

3.1智能传感器定义

微传感器、智能传感器是近几年才开始迅速发展起来的新兴技术。

在我国的报刊杂志上目前所使用的技术名称还比较含混，仍然笼统地称之为传感器，或者含糊地归纳为汽车半导体器件，也有将智能传感器（或智能执行器、智能变送器）与微系统、MEMS等都归入了MEMS（微机电系统）名称下的。

这里介绍当前一些欧美专著中常用的技术名词的定义和技术内涵。

首先必须说明的是，在绝大多数情况下，本文大小标题及全文中所说的传感器其实是泛指了三大类器件：

将非电学输入参量转换成电磁学信号输出的传感器；将电学信号转换成非电学参量输出的执行器；以及既能用作传感器又能用作执行器，其中较多的是将一种电磁学参量形式转变成另一种电磁学参量形态输出的变送器。

就是说，关于微传感器、智能传感器的技术特性可以扩大类推到微执行器、微变送器——传感器（或执行器、或变送器）的物理尺度中至少有一个物理尺寸等于或小于亚毫米量级的。

微传感器不是传统传感器简单的物理缩小的产物，而是基于半导体工艺技术的新一代器件：

应用新的工作机制和物化效应，采用与标准半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备的。

因此有时也称为硅传感器。

可以用类似的定义和技术特征类推描述微执行器和微变送器。

图1微加速度计的结构示意图

3.2智能传感器构成

它由两块芯片组成，一是具有自检测能力的加速度计单元（微加速度传感器），另一块则是微传感器与微处理器（MCU）间的接口电路和MCU。

这是一种较早期（1996年前后）的，但已相当实用的器件，可用于汽车的自动制动和悬挂系统中，并且因微加速度计具有自检能力，还可用于安全气囊。

从此例中可以清楚看到，微传感器的优势不仅是体积的缩小，更在于能方便地与集成电路组合和规模生产。

应该指的是，采用这种两片的解决方案可以缩短设计周期、降低开发前期小批量试产的成本。

但对实际应用和市场来说，单芯片的解决方案显然更可取，生产成本更低，应用价值更高。

智能传感器（SmartSensor）、智能执行器和智能变送器——微传感器（或微执行器，或微变送器）和它的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上的器件（例如上述的微加速度计的单芯片解决方案）。

因此智能传感器具有一定的仿生能力，如模糊逻辑运算、主动鉴别环境，自动调整和补偿适应环境的能力，自诊断、自维护等。

显然，出于规模生产和降低生产成本的要求，智能传感器的设计思想、材料选择和生产工艺必须要尽可能地和集成电路的标准硅平面工艺一致。

可以在正常工艺流程的投片前，或流程中，或工艺完成后增加一些特殊需要的工序，但也不应太多。

图2一种智能硅压力传感器的布局示意图

在一个封装中，把一只微机械压力传感器与模拟用户接口、8位模-数转换器（SAR）、微处理器（摩托罗拉69HC08）、存储器和串行接口（SPI）等集成在一个芯片上。

其前端的硅压力传感器是采用体硅微细加工技术制作的。

制备硅压力传感器的工序既可安排在集成CMOS电路工艺流程之前，亦可在后。

这种智能压力传感器的技术和市场都已成熟，已广泛用于汽车（机动车）所需的各式各样的压力测量和控制单元中，诸如各种气压计、喷嘴前集流腔压力、废气排气管、燃油、轮胎、液压传动装置等。

智能压力传感器的应用很广，不局限于汽车工业。

目前，生产智能压力传感器的厂商已不少，市售商品的品种也很多，已经出现激烈的竞争。

结果是智能压力传感器体积越来越小，随之控制单元所需的外围接插件和分立元件越来越少，但功能和性能却越来越强，而且生产成本降低很快（现在约为几美元一只）。

4．新型智能传感器系统介绍

4.1酒精检测MEMS系统

如意法半导体新型信号处理电路集成酒精传感器，该酒精传感器采用二氧化锡MEMS元件可环境中氧气浓度吸附氧气并使电阻值改变特性。

正常状况下，元件吸附空气中氧气后会保持某个电阻值不发生变化，而一旦空气中含有酒精，元件表面氧元素便会与酒精发生反应，使电阻值下降。

测定电阻值，便可检测出呼气中含有酒精浓度。

酒精检测MEMS传感器将可以植入直径8mm密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内，一旦检测出驾驶员呼出气体含有酒精，便发出安全警报。

4.2自动雨刷系统

以发光二极管对前挡风玻璃发出光束，当雨滴打感应区玻璃上时，光束所反射光线强度，会因玻璃上雨量或湿气含量而有所变化，改变雨刷刷动频率；或透过红外线电子雨量传感器感应雨量多寡，并随车速变化自动调整雨刷速度，增进驾驶人驾驶方便性，让驾驶更有安全性。

4.3电子式自动照明系统

电子式感应头灯可透过车外光线明暗感应器自动监测外界光线，天色有变化或是进入山洞时，电子式感应器将头灯自动打开，减少驾驶人操作时间，增加行车安全性。

4.4胎压监测系统

每个轮胎上安装高灵敏度传感器，于行车状态下随时监测轮胎状况，并透过传感器以无线方式发射到接收器，让驾驶人能随时掌握漏气与温度升高等轮胎状况，以确保汽车行驶中安全，并延长轮胎使用寿命与降低燃油消耗。

最先进直接轮胎压力监测解决方案特点包括高级预警系统和压力、温度、电压和动作探测等。

4.5安全气囊触发系统

如飞思卡尔推出卫星加速度传感器，可扩展到整个汽车周围以探测碰撞。

加速度传感器与SmartMOs技术集成，专门用于探测碰撞和触发汽车正面和侧面安全气囊。

一个集成式器件提供加速度探测、电压调节、MCU功能和有线通讯协议。

飞思卡尔提供种类众多加速度传感器，从1.5g到250g，覆盖X、XY、XYZ和Z轴方向。

据杨飞介绍，目前还正出现一种趋势，预计它将未来几年扩散，有关机构将要求采用汽车动态控制（VDC）系统，也被称作“电子稳定控制（ESC）系统”。

他说，目前这种系统是高档汽车一个标准配置，但将继续向更多车款扩散。

“稳定控制系统尤其令SUV运动休闲车受益，这种车重心较高，更容易发生侧翻。

”此外，图像传感和处理技术发展，还有更多用于道路分离报警和引导、司机睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、盲点探测等基于传感器智能系统将逐渐进入新一代汽车应用中。

5.智能传感器技术要求

汽车应用通常被视为最困难领域之一，它具有极端工作温度范围和强烈机械振动。

汽车电子操控系统动作必须快速、正确、可靠，传统分立电子元器件搭建电路监测控制系统已经不能满足现代汽车要求，需要硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作正确性、可靠性和适时性。

现几乎所有汽车机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内空间有限，构件系统空间更是极其有限。

理想情况是，电子感应、控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体，这就要求新一代传感器件和控制电路尽可能微型化、集成化。

汽车各种功能部件都有各自运动、操控特性，对汽车传感器而言，大多处于非常恶劣运行环境中，各不相同。

诸如工作状态时高温，静止待命时低温，高浓度油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度冲击和振动等。

，传感器和电路必须要有高稳定、抗环境干扰和自适应、自补偿调整能力。

据霍尼韦尔陈阳介绍，汽车传感器出厂之前要高低温存放、恒定湿热、热冲击、泥浆喷溅、盐水喷溅、振动和电磁干扰等严格测试，确保产品性能不受周围环境影响。

与上述要求同样重要更关键一个条件是，汽车电子用电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受程度。

新一代智能传感器就是这方面典范。

例如智能加速度传感器，它能较好满足现代汽车各项需要，可以集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低，汽车工业中找到了自己最大应用市场，反过来也有力促进了汽车产品智能化。

6.汽车ESP用传感器技术

6.1汽车ESP介绍

ESP（ElectronicStabilityProgram，电子稳定程序）是汽车电控的一个标志性发明。

不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世（BOSCH）公司早期称为汽车动力学控制（VDC），现在博世、梅赛德—奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统（VSC）、汽车稳定性辅助系统（VSA）或者汽车电子稳定控制系统（ESC）；宝马公司称为动力学稳定控制系统（DSC）。

尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。

ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。

其电子部件主要包括电子控制单元（ECU）、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。

ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统，其各个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。

本文介绍了ESP常用传感器的特点，设计了传感器硬件接口和软件接口，并在实车测试中得到验证。

6.2汽车ESP常用的传感器

6.2.1．方向盘转角传感器

ESP通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。

方向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向盘转角一般是根据光电编码来确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向、转角等信息。

这一编码盘上的信息由接近式光电耦合器进行扫描。

接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。

方向盘转角传感器与ECU的通讯一般通过CAN总线完成。

6.2.2．横摆角速度传感器

横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。

如果偏转角速度达