汽車(chē)設(shè)計(jì)中最重要的是安全性，因此設(shè)計(jì)人員需要增加更多的傳感器和輔助駕駛系統(tǒng)。難點(diǎn)是盡管溫度和濕度波動(dòng)很大并且存在振動(dòng)和電磁兼容性問(wèn)題，但這些系統(tǒng)需要一個(gè)通用接口，并且必須能夠可靠地通信，實(shí)現(xiàn)零錯(cuò)誤。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(jiān)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(lái)越多地用于新的傳感器密集型汽車(chē)應(yīng)用。

本文將先介紹 PSI5 總線(xiàn)，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(lái)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(gè)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(xiàn)。它是 PSI5 組織網(wǎng)站 PSI5.org 上提供的一個(gè)開(kāi)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(pán)和安全控制以及傳動(dòng)系統(tǒng)的子標(biāo)準(zhǔn)）的一項(xiàng)通用基本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

PSI5 標(biāo)準(zhǔn)以?xún)删€(xiàn)（雙絞線(xiàn)）總線(xiàn)實(shí)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(jiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線(xiàn)相比，它屬于中速接口（表 1）。

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

表 1：常見(jiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的比較。PSI5 屬于中速接口。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Digi-Key Electronics）

PSI5 在中速范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)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(xiàn)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(chē) ECU 中的典型實(shí)施包括饋送多個(gè)接口的微控制器（圖 1）。

圖 1：汽車(chē)微控制器 ECU 的框圖，包括用于常見(jiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線(xiàn)（含 PSI5）的 I/O 端口。（圖片來(lái)源：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(chē)通信總線(xiàn)，以及單邊緣漸進(jìn)傳輸 (SENT) 和 PSI5 傳感器接口。這些汽車(chē) ECU 高度集成并可包括三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的傳感器測(cè)量。

PSI5 物理層

ECU 使用兩根電線(xiàn)連接到傳感器。與使用三根或更多根電線(xiàn)的其他總線(xiàn)相比，使用兩線(xiàn)雙絞線(xiàn)降低了實(shí)施成本。相同的兩根電線(xiàn)用于電力和數(shù)據(jù)傳輸。ECU 可使用集成或單獨(dú)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(guò)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(shí)間間隔中間使用電流轉(zhuǎn)換。Teledyne LeCroy 型號(hào)為 HDO4104A 的數(shù)字示波器提供可選的曼徹斯特解碼器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

通過(guò)使電流從基準(zhǔn)電平（傳感器標(biāo)稱(chēng)靜態(tài)電流）變?yōu)樽罡唠娖?，?shí)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(shí)間間隔的中間利用電流轉(zhuǎn)換。在 PSI5 收發(fā)器內(nèi)檢測(cè)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(shí)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(hào) HDO4101A 示波器將 PSI5 數(shù)據(jù)包分成十三個(gè)位時(shí)間，由垂直藍(lán)線(xiàn)表示。位時(shí)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(shí)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(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)單個(gè)傳感器連接到 ECU 時(shí)，該傳感器控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序和重復(fù)率。如果連接了多個(gè)傳感器，則 ECU 控制同步和數(shù)據(jù)傳輸。多個(gè)傳感器可以并聯(lián)或通過(guò)總線(xiàn)配置連接，也可以通過(guò)一系列傳感器進(jìn)行“菊花鏈連接”。本文稍后會(huì)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(gè)主要組件的基本結(jié)構(gòu)外，還存在一個(gè)擴(kuò)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(kuò)展區(qū)段。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

基本結(jié)構(gòu)包含以下必需元素：

一個(gè)起始位字段，包含總是編碼為“00”的兩個(gè)位。

一個(gè)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(gè)糾錯(cuò)段，支持一個(gè)奇偶校驗(yàn)位 P 和三位循環(huán)冗余檢查 (CDC)，C0 到 C2。

擴(kuò)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(jiàn)表 2。

區(qū)段 任務(wù) 位數(shù) 說(shuō)明 強(qiáng)制或可選 S1，S2 起始位 2 值 ='0' 強(qiáng)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(lèi)型，數(shù)據(jù)內(nèi)容或傳感器標(biāo)識(shí) 可選 E0 - E(r-1) 狀態(tài) 0，1，2 錯(cuò)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(qiáng)制 P 或 C0-C2 奇偶校驗(yàn)或 CRC 1，3 糾錯(cuò)碼 強(qiáng)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)來(lái)源：Digi-Key Electronics）

PSI5 系統(tǒng)

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

圖 4：NXP Semiconductors 安全氣囊參考平臺(tái)設(shè)計(jì)的框圖顯示了基于 PSI5 的傳感器接口的元素。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）

該參考設(shè)計(jì)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(gè)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(chē)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(jì)。ECU 附近通常有一個(gè)本地加速計(jì)。在車(chē)輛四周還有多個(gè)加速計(jì)，稱(chēng)為衛(wèi)星傳感器。安全氣囊 ECU 使用來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)確保故障保護(hù)性能。如果衛(wèi)星傳感器檢測(cè)到減速，ECU 還會(huì)輪詢(xún)本地加速計(jì)以驗(yàn)證是否存在“碰撞”事件，而并非加速計(jì)故障。

典型的安全氣囊加速計(jì)是單軸傳感器，適用于汽車(chē)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(jì)可用于前端或側(cè)面碰撞感應(yīng)、沖擊和振動(dòng)檢測(cè)或行人碰撞感應(yīng)。

PSI5 傳感器連接拓?fù)?/p>

使用加速計(jì)時(shí)，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(jì)的設(shè)計(jì)人員使用。在所有情況下，ECU 通過(guò) PSI5 收發(fā)器為傳感器供電并讀取傳感器數(shù)據(jù)。（圖片來(lái)源：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(guò) 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(shí)序圖有助于說(shuō)明各種操作模式之間的差異。

圖 6：四種 PSI5 連接拓?fù)涞臅r(shí)序有簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和較復(fù)雜的同步并行等。同步模式中的時(shí)序由 ECU 使用電壓調(diào)制同步脈沖啟動(dòng)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

連接加速計(jì)的最簡(jiǎn)單方法是使用直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)序和重復(fù)率由傳感器控制。

當(dāng)包含多個(gè)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(shí)，則為與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)序模式實(shí)現(xiàn)。來(lái)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(gè)不同數(shù)據(jù)段。

同步模式中的時(shí)序由 ECU 使用電壓調(diào)制同步脈沖啟動(dòng)。

并行連接將每個(gè)傳感器分布于總線(xiàn)上。通過(guò)來(lái)自 ECU 的同步信號(hào)開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。然后，每個(gè)傳感器按其相應(yīng)的指定時(shí)隙發(fā)送其數(shù)據(jù)。

在菊花鏈配置中，傳感器沒(méi)有固定地址，可以連接到總線(xiàn)上的任意位置。在啟動(dòng)期間，每個(gè)傳感器接收單獨(dú)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(chēng)為尋址序列的特定同步信號(hào)模式來(lái)完成尋址。在分配了各個(gè)地址之后，傳感器響應(yīng) ECU 產(chǎn)生的同步脈沖，開(kāi)始按其相應(yīng)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。

總結(jié)

設(shè)計(jì)人員需要在車(chē)輛上增加更多傳感器以提高車(chē)輛的安全性。如本文所述，PSI5 總線(xiàn)為連接多個(gè)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。