一種新型的雨量光照傳感器的設(shè)計(jì)

韓芝俠

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程系，陜西 寶雞 721016）

目前，隨著汽車智能化程度的日益提高，越來越多的傳感器被安裝在汽車上以增加駕駛的安全性、便捷性和舒適性[1]。汽車雨量傳感器 （Rain Sensor，RS）是汽車智能雨刮系統(tǒng)的核心部件；光照傳感器 （Light Sensor，LS）是汽車自動(dòng)頭燈功能的核心部件，將雨量傳感器與光照傳感器集成于一體稱為雨量光照傳感器（Rain Light Sensor，RLS），它是汽車電子工業(yè)中的新型傳感器。隨著光電技術(shù)、集成電路技術(shù)和檢測(cè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，將RLS應(yīng)用在汽車上實(shí)現(xiàn)雨刷自動(dòng)刮水、車前燈自動(dòng)控制、車內(nèi)儀表盤等背景光亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)以及車內(nèi)空調(diào)自動(dòng)調(diào)節(jié)等是近年來汽車傳感器應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)，更是降低駕駛?cè)藛T駕車干擾，顯著提高汽車駕駛的安全性、便捷性和舒適性的有力保障，符合汽車電子行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。

通常汽車配備雨刮器用于消除擋風(fēng)玻璃上的雨水、霧氣等以保證玻璃透明清晰，給司機(jī)一個(gè)有效的視野。傳統(tǒng)的雨刮器均由駕駛者來控制，在行駛過程中進(jìn)行操作容易分散其注意力，造成安全隱患?，F(xiàn)在，某些中高檔轎車上雖然己經(jīng)配備了紅外自動(dòng)感雨裝置，但由于價(jià)格昂貴，難以向中低檔轎車普及[3]。在中國市場(chǎng)，由于材料、電子芯片的供貨及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)環(huán)境等技術(shù)原因制約，車用紅外雨量傳感器還沒有被一些專業(yè)廠商真正進(jìn)入專注研發(fā)和大批量生產(chǎn)階段，基本上全是依賴國外進(jìn)口，導(dǎo)致價(jià)格相對(duì)偏高；即使有了一些較成功的設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品，但因電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、生產(chǎn)制造成品率低，從而制約了其發(fā)展；更主要的是一些配備了自動(dòng)雨刮的車主反映該功能并不好用，摸不清規(guī)律，經(jīng)常出現(xiàn)有水不及時(shí)刮，很少雨點(diǎn)卻刮得很快的情況，甚至在汽車穿越樹陰時(shí)也會(huì)進(jìn)行刮刷動(dòng)作。所以自主研發(fā)將雨量光照合二為一的新型傳感器系統(tǒng)，以消除雨刮誤動(dòng)作，保證其準(zhǔn)確、快速、可靠工作及優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，提高成品率，降低設(shè)計(jì)和制造成本是本文研究意義所在。

1 基于M LX75308的新型雨量光照傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 傳統(tǒng)的車用雨量傳感器設(shè)計(jì)方案

國內(nèi)用于自動(dòng)雨刮的車用雨量傳感器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在以下問題：發(fā)射電路主要由紅外發(fā)射管、555定時(shí)器和電阻、電容等元件組成，由555組成的多諧振蕩器發(fā)出一定頻率脈沖波去驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射管發(fā)光；接收電路通常由光接收管、放大電路、帶通濾波器和檢波電路等組成[4]。突出特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用到的分立元件多，導(dǎo)致電路工作可靠性變差。雖然接收電路隨后又改為紅外專用集成接收芯片，如TKl838[4]，使接收部分的體積小了一些，可靠性提高了一點(diǎn)，但是由于對(duì)雨量信號(hào)的監(jiān)測(cè)沒有考慮到外部光線的影響，所以不可避免的存在當(dāng)汽車穿越樹蔭等光線變化比較明顯的情況下導(dǎo)致的誤刮動(dòng)作，造成抗干擾能力不足，更談不上在傍晚和進(jìn)入隧道及車庫等光線弱的地方時(shí)，汽車能自動(dòng)開啟儀表燈和近光燈等，缺少駕駛的安全性和便捷性。

1.2 M LX75308雨量光照傳感器接口芯片介紹

德國Melexis公司研發(fā)設(shè)計(jì)的MLX75308是一款專門針對(duì)高要求的RLS模塊接口芯片，有兩個(gè)獨(dú)立的線性雨量傳感器通道和3個(gè)對(duì)數(shù)環(huán)境光通道，用來做雨量和光測(cè)量，芯片對(duì)光敏電流做A/D轉(zhuǎn)換，然后把雨量和日光信號(hào)通過數(shù)字通信接口SPI傳輸?shù)組CU[5]。由于其內(nèi)部集成了兩個(gè)雨量通道補(bǔ)償電路，免去了復(fù)雜的軟件算法，有效的避免了雨刮誤動(dòng)作；由于集成了3個(gè)環(huán)境光檢測(cè)模塊，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)具有高度適應(yīng)性；集成了LED驅(qū)動(dòng)芯片，免去了復(fù)雜的外圍電路；集成了穩(wěn)壓芯片和溫度傳感器以具有自診斷功能。MLX75308能提供比同類產(chǎn)品更好的性能和尺寸，是一款多功能系統(tǒng)元件，擁有非常寬的輸入輸出范圍。輸出范圍可以支持LED電流高達(dá)1 A，寬動(dòng)態(tài)范圍可以適用不同的光敏二極管和擋風(fēng)玻璃系統(tǒng)，從而符合汽車客戶需要的一統(tǒng)多用的解決方案。

1.3 RLS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于MLX75308設(shè)計(jì)的RLS系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。RLS模塊由3個(gè)主要元件組成：LIN收發(fā)器/電壓調(diào)節(jié)器、微控制器以及雨量光照專用接口芯片MLX75308。LIN系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片連接RLS模塊到汽車LIN網(wǎng)絡(luò)，并調(diào)節(jié)電池電壓以提供給微控制器、MLX75308以及模塊上的其它元件。

微控制器是系統(tǒng)的控制核心，通過UART串口與LIN總線收發(fā)器交換數(shù)據(jù)或指令，由LIN總線收發(fā)器與上級(jí)或其它相關(guān)單元通信，提供雨量光照系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與指令，也接收相關(guān)單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)或指令。同時(shí)微控制器通過SPI接口與MLX75308雨量光照傳感器通信，將MLX75308的數(shù)據(jù)與指令采集到微控制器，再傳送到LIN總線上。微控制器在MLX75308和LIN收發(fā)器之間通信，根據(jù)從MLX75308接口芯片接收的數(shù)據(jù)去決定是否有必要打開雨刮或頭燈。

MLX75308是該模塊的核心，它與所有的光學(xué)元件相連接，控制LED驅(qū)動(dòng)管發(fā)射紅外光和光電二極管（Photodiode，即PD）接收紅外光，并提供雨量和環(huán)境光數(shù)據(jù)給微控制器。

圖1 RLS系統(tǒng)組成框圖Fig.1 RLSsystem composition block diagram

2 核心模塊單元電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器核心模塊

文中設(shè)計(jì)采用的是飛思卡爾公司低成本、高性能8位微控制器MC9S08RD16，它的作用是把代表雨量大小的光強(qiáng)信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量值變成電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)的大小，通過LIN通信，自動(dòng)設(shè)定雨刮器工作的時(shí)間間隔，控制雨刮器動(dòng)作的速度[6]。雨量傳感器為相對(duì)量測(cè)量，在前擋風(fēng)玻璃外表面干燥的情況下，首先對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，由此可以得出在固定發(fā)射電流情況下接收的光強(qiáng)度，在這種情況下，光的強(qiáng)度通常比較高。當(dāng)有雨滴落在擋風(fēng)玻璃上時(shí)，部分紅外線會(huì)因?yàn)橛甑蔚纳⑸涠鴣G失，導(dǎo)致紅外光源接收器收到的紅外線總量小于紅外光源發(fā)射器發(fā)出的紅外線總量。紅外光源接收器將接收到的紅外光線信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，通過數(shù)字信號(hào)控制器片上10位精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，得到對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)，結(jié)合由LIN總線上獲得的擋風(fēng)玻璃清晰度設(shè)定值等信息，共同送給MCU。微控制器與RLS接口芯片MLX75308、LIN處理器芯片MLX80030的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 微控制器核心模塊電路Fig.2 Microcontroller coremodule circuit

2.2 雨量光照接口電路

圖3 所示是雨量光照接口芯片及其外圍電路。MLX75308中兩個(gè)獨(dú)立的線性雨量測(cè)量通道 （Channel A和Channel B）能夠同時(shí)或單獨(dú)操作，典型的雨量電流值在1～100μA之間，電流大小依賴于所用的光學(xué)元件、擋風(fēng)玻璃類型、LED發(fā)射管和光電二極管（PD），通常一個(gè)通道連接一個(gè)PD，但是當(dāng)一個(gè)通道上連接多個(gè)PD時(shí)就可以擴(kuò)大擋風(fēng)玻璃上的感光面積，從而提高雨水檢測(cè)的質(zhì)量。低成本的光電二極管沒有較完美的輸出特性，昂貴的光電二極管（PDs）比便宜的執(zhí)行得更好，但MLX75308可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，用較為普通的光電二極管完成良好的性能。

圖3 雨量光線接口芯片外圍電路Fig.3 Rain light interface chip peripheral circuit

傳感器上有3個(gè)環(huán)境光對(duì)數(shù)外界通道 （PDC、PDD和PDE），其對(duì)數(shù)輸出曲線被用來覆蓋一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍，從明亮的太陽下到黑夜。其中兩個(gè)通道具有準(zhǔn)確的相同的輸出特性，而另一個(gè)具有較低的靈敏度，通過這種方式，用戶可以在光電二極管的大范圍內(nèi)做選擇。大多數(shù)應(yīng)用中兩個(gè)外界通道被用于汽車頭燈控制，其中一個(gè)用于定向天空，另一個(gè)被直接聚焦于前方，比如去探測(cè)即將到來的隧道，從而自動(dòng)打開汽車頭燈，由于有上方和前方的兩個(gè)參照，所以不會(huì)在汽車從烈日下進(jìn)入樹蔭下時(shí)錯(cuò)誤打開車燈或雨刮；第三個(gè)通道被用于控制儀表盤或前面的顯示亮度。

MLX75308的另一個(gè)作用就是控制LED驅(qū)動(dòng)（LEDA、LEDB），同時(shí)轉(zhuǎn)換接收紅外線的光電二極管電流為數(shù)字形式，這個(gè)數(shù)據(jù)被發(fā)送到微控制器，以判斷是否下雨，雨刮速度應(yīng)設(shè)定為多快。

2.3 紅外發(fā)射和接收電路

發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的紅外光輻射通量，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出一定頻率的紅外光信號(hào)，缺點(diǎn)不言而喻：電路復(fù)雜，可靠性低。由于MLX75308內(nèi)部集成了LED驅(qū)動(dòng)芯片，免去了復(fù)雜的外圍電路，設(shè)計(jì)時(shí)只需將其驅(qū)動(dòng)輸出端LEDA和LEDB接到開關(guān)管（Q1和Q2）的控制端，保證其飽和導(dǎo)通時(shí)，LED發(fā)射管（D2和D3）由于正向?qū)ǘl(fā)光。電路設(shè)計(jì)如圖4左半部分所示，發(fā)射管采用歐司朗公司（OSRAM）的SFH4257作為光源，峰值波長λ為 850 nm，帶寬 Δλ<80 nm，具有高線性度、高可靠性、高脈沖處理能力等特點(diǎn)。

接收模塊通常由一個(gè)紅外接收管、帶通濾波器和單片機(jī)等組成。由于紅外接收管接收到的不僅有反射回來的LED光，還有日光，它也會(huì)感應(yīng)出電流來，日光的變化可以被理解為擋風(fēng)玻璃上突發(fā)降雨，結(jié)果導(dǎo)致雨刮誤動(dòng)作。這就是為什么有些裝有自動(dòng)雨刷的車主感覺其不太好用，摸不清規(guī)律，經(jīng)常出現(xiàn)有水不及時(shí)刮、很少雨點(diǎn)卻刮得很快的情況。MLX75308能很好的解決這個(gè)問題，它既有雨量通道，又有環(huán)境光通道，一方面抑制雨量信號(hào)中的日光信號(hào)，產(chǎn)生非常精確的雨量信號(hào)，另一方面測(cè)量雨量和日光信號(hào)并作為兩個(gè)獨(dú)立值發(fā)送信息到微控制器，收到的這兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)使得軟件開發(fā)的復(fù)雜度大大減少。對(duì)汽車開發(fā)者而言，日光信號(hào)數(shù)據(jù)有可能是除了雨量傳感之外其它原因的一個(gè)有用價(jià)值，比如微控制器根據(jù)日光信號(hào)大小決定是否要打開車前燈，或者調(diào)解儀表盤背景光等。如圖4右半部分所示為本設(shè)計(jì)的接收模塊，采用歐司朗公司的硅光電二極管SFH203作為雨量通道和環(huán)境光通道的紅外接收管，其峰值波長λ為 850 nm，具有高線性度、高可靠性等特點(diǎn)。

圖4 紅外發(fā)射和接收電路Fig.4 Infrared emission and receiving circuit

2.4 LIN通訊及電壓調(diào)整電路

為了滿足現(xiàn)代汽車采用 CAN、LIN總線來構(gòu)成總線式車身通訊系統(tǒng)的需要，文中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)使用LIN總線收發(fā)器MLX80030實(shí)現(xiàn)與汽車中控單元的通訊，從LIN總線上獲得用戶希望的擋風(fēng)玻璃清晰度等信息，送給MCU進(jìn)一步處理，同時(shí)，將雨刷系統(tǒng)的一些信息報(bào)告給汽車中控單元[7]。如圖5所示，MLX80030與MCU之間通過RXD、TXD、RESET和EN信號(hào)進(jìn)行通訊。傳感器系統(tǒng)一般都采用鋰電池供電以減小產(chǎn)品體積，而發(fā)射電路需要12 V直流電源，接口電路和MCU等卻需要3.3 V電源，所以如圖5將電池電壓通過整流濾波變成12 V直流電源，再通過MLX80030調(diào)整成3.3 V。

3 結(jié) 論

以控制器MC9S08RD16與LIN總線收發(fā)器MLX80030為控制與通信單元，設(shè)計(jì)完成的基于MLX75308接口芯片的新型雨量光照傳感器，與傳統(tǒng)的雨量傳感器不同，可完成如下功能：

降雨量檢測(cè)功能：感知車外降雨量大小，可區(qū)分毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等不同雨情。配有雨量光照傳感器的車輛可根據(jù)降雨強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)雨刮刮刷頻率，并通過靈敏度開關(guān)調(diào)整雨量光照傳感器的感雨靈敏度。

圖5 LIN通訊及電壓調(diào)整電路Fig.5 LIN communication and voltage regulation circuit

光照條件檢測(cè)功能：感知車外光照條件的明暗變化，可區(qū)分白天、黑夜、隧道、車庫、橋洞等不同路況。配有雨量光照傳感器的車輛可根據(jù)光線明暗和路況的變化，自動(dòng)開啟或關(guān)閉近光燈和位置燈。

可拓展功能：由雨量光照傳感器提供的降水狀態(tài)和光照度狀態(tài)信息可用于實(shí)現(xiàn)其他拓展功能，例如：下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉車輛天窗或門窗；下雨時(shí)自動(dòng)開啟近光燈和位置燈；自動(dòng)調(diào)節(jié)儀表背光燈亮度。

國外汽車RLS推廣應(yīng)用時(shí)間長，產(chǎn)品技術(shù)成熟度高，而國內(nèi)開發(fā)出的RLS，研發(fā)投入少，市場(chǎng)份額小，產(chǎn)品應(yīng)用推廣面窄，使得配備有自動(dòng)雨刮器及自動(dòng)車前燈等控制的汽車或零部件生產(chǎn)和銷售價(jià)格偏高，限制了市場(chǎng)保有量，所以本項(xiàng)目的研究具有較強(qiáng)的實(shí)際意義，旨在從設(shè)計(jì)的源頭減少其組成費(fèi)用，降低裝車費(fèi)用，滿足國內(nèi)自主車型裝車對(duì)于低成本和可靠性的要求。

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