雨量光线传感器接口芯片MLX75308及其应用.docx

雨量光线传感器接口芯片 及其应用韩芝侠，马鸣（宝鸡文理学院 电子电气工程系 ，陕 西 宝鸡 ）摘 要：随着光电技术、集成电路技术和检测控制技术的飞速发展 ，将雨量光线传感器 应用在汽 车上从而实现雨刷自动刮水和车前灯自动控制等是近年来汽车传感器应用中的研究热点。 重点介绍了 德国 公司研发的雨量光线传感器专用接口芯片 ，以其为主控元件设计 了 模块实 现方案，并对其工作原理加以陈述 。该方案可满足雨量光线检测在汽车应用方面的智能化 、集 成化、可 靠 性高和成低本的国产化研发和生产的需要 ，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景 。关键词：雨量传感器；光照传感器；微控制器；接口芯片；中图分类号：文献标志码： ， （，）：， ， ， ， ， ， ：，汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一 ，现 代汽车正由一个单纯交通工具朝着安全 、舒适、方便 及无污染的方向发展。当前，汽车电子己 成为汽 车工业发展的核心技术 ，据预测，未来汽车电子产品的费用将占整车费用的 以上，汽车行业的 革新将来源于汽车电子 ，而传感器是其关键的基础 配套产品。 世 纪 年 代，汽车上仅有机油压 力、油量和水温等 传感器 ，现 在，一 辆普通家用轿车 上安装的传感器也有几十到近百只 ，而 豪华轿车上 的传感器数量可多达二百多只。随着对安全 与智 能型车辆系统需求的增加 ，车用传 感器的需求将大 幅度提升。汽车雨量 传 感 器 （）也 被 称 为 车 用感雨传感器，是汽车智能雨刮功能的核心部件 ；光 照传感器 （）也称环境光传感器 ，是汽 车自动灯光功能的核心部件 ；将雨 量传感器与光照 传感器集成于 一 体 称 为 雨 量 光 线 传 感 器 （ ），它是汽车 电子工业中的新型传感器。随着光电技术、集 成电路技术和检测控制技术的飞 速发展，将 应用在汽 车 上 实 现 雨 刷 自 动 刮 水、 车前灯自动控制、车内仪表盘等背 景光亮度自动调 节和车内空调自动调节等是近年来汽车传感器应用中的研究热点，更是降低驾驶人员驾车干扰 ，显著提 高汽车驾驶的安全性 、便捷性和舒适性的有力保障 ， 符合汽车电子行业发展的趋势。 雨量光线传感器接口芯片德国 公司研发设计的 是一 款专门针对 系统的传感器接口芯 片 ，有 个独 立的线性雨量传感器通道和 个对数环境光通道， 用来做雨 量 和 光 测 量。 芯 片 对 光 敏 电 流 做 模 数 转换，然后 把 雨 量 和 日 光 信 号 通 过 四 线 传 输 到，四线 也允许两线通信 。 芯片 内部 集 成 了 个雨量通道补偿电 路，免去了复杂的软件算法 ，有效地避免了雨刷误刮 的产生；集成了个环境光检测模块，对光学系统具 有高度适应性；集 成了 驱动芯片；集 成了稳压 芯片和温度传感器 ，从而具有自诊断功能；具有数字 通信接口 。中个独立的线性雨量测量通道能 够同 时 或 单 独 操 作，典 型 的 雨 量 电 流 值 为 ，电流大小 依 赖 于 所 用 的 光 学 元 件 、挡 风 玻 璃 类 型、红外发光二 极 管 （）和 光 电 二 极 管 （），通新技术新工艺试验与研究常个通道连接个 ，但是当个通道上连接多 个 时就可 以 扩 大 挡 风 玻 璃 上 的 感 光 面 积 ，从 而 基于的雨量光线传感器系统 提高雨水检测的质量。低成本的光电二极管没有较 完美的输出 特 性，而当然昂贵的 光 电 二极管 （） 比其执行得要好，但成本高出很多，可以 弥补这个缺陷，用 便宜的光电二极管实现良好的性 能。传感器上有 个对数外界通道，其 对数输出曲 线被用来覆盖个大的动态范围 （从明亮的太阳下 到黑夜）。其中 个通道具有准确的相同的输出特 性，而另一个具有较低的灵敏度 。通过这种方式，用户可以在光电二极管的大范围内做选择。大多数应 用中，个外界通道被用于 汽车头灯控制，其 中一个 用于定向天空，另一个被直接聚焦于前方 ，比如去探 测即将到来的隧道 ，第 个通道被用于控制仪表盘 或前面灯的显示亮度。 的特点和优点） 是一 款专 门 设计用于高要 求 的模块接口芯片。）提供了一 个很大的可编程动态范围 ，允 许元 件接受较大范围的输入信号。）提供灵活和多功能的数字 接 口，拥 有强 大的编程能力和简单易用的 位 输出。）对大的日光影响和低成本光敏二极管的寄生 二级效应有内部补偿作用 ，雨量和日光都在 位的 基础上测量和补偿。）内部 预驱可以适用大的动 态 范围，外 部 的 管允许大 峰 值 电 流 使 最 大 化，从 而 允 许 使用低成本的光敏二极管。）内诊断和内部看门狗确保系统工程师可以设 计自动防故障雨刮系统。）有 个 雨 量 通 道 和 个 环 境 光 通 道，允 许 系统连接任何的 光敏二极管 ，可 以实现较好的 系统性能和较低的成本。） 电 源 电 压，睡 眠 和 待 机 模 式， 提 供给不同车型的 系统最大 的 灵 活性和低功耗模式。）为 无铅封装，实 现了 应用的最 小引脚、最少的外部元件和控制单元成本 。能提供比同类产品更好的性能和尺 寸，是一款多功能系统元件 ，拥有非常宽的输入输出 范围。输出范围可以支持 高达 的电流，宽 动态范围可以适用不同的光敏二极管和挡风玻璃系 统，从而符合汽车客户需求一统多用的解决方案 。设计方案 硬件电路设计方案基于 设计 的 系统组成框图如 图所示。 模块由 个主要元件组成： 收 发器电压调节器、微控制器以及雨量光照专用接口 芯片 。 系 统 基 础 芯 片 连 接 模 块到汽车 网 络。 调 节 电 池 电 压 以 提 供 给 微 控制器、以 及模块上的 其 他 元 件。 微 控 制 器（）是 决 策 者，它 需 要 在 和 收发器之间通信，根 据从 接口芯片接收 的数据 去 决 定 是 否 有 必 要 打 开 雨 刮 或 头 灯 ，它 与 的通信 通过 实 现，对 微控 制 器 没 有特殊要求，一般采 用常见的 位 即可满足汽 车级设备应用。 是该 模 块 的 核 心 ，它 与 所有的 光 学 元 件 相 连 接 ，提 供 雨 量 和 光 线 数 据 给 ；控制 驱 动 管 和 光 电 二 极 管（，简称 ）； 和 的 选 择 依 赖 于 许多因素； 有一个技术指标叫 光 学 传 输率（）， ， 支持的光 学传输率范围比较大 （从 到 ）大 小取决于挡风玻璃的透明度、用 于聚焦 光的光学元件、 的灵敏度和 的辐射强度等。图 系 统组成框图 模块工作原理模块 工 作 的 基 本 原 理 是 把 代 表 雨 量 大 小 的光强信号实时测量值变成电信号 ，根 据电信号的 大小，自动设定雨刮器工作的时间间隔 ，从而控制雨 刮器动作 的 速 度。 其 工 作 原 理 和 过 程 如 图 所 示。雨量传感器为相对量测量 ，在玻璃外表面干燥 的情况下，认为红外 管发射的高强度光脉冲平 行入射到挡风玻璃上后被 反射回来，通 过光 学元件 汇 聚 后 由 接 收 管 接 收 ，并 在 其 内 部 产 生 电新技术新工艺试验与研究流。在前挡风 玻璃外表面干燥的情况下 ，首 先 对 传感器进行初始化，由此可以得出 在固定发射电流 情况下接收光的强度，在这种情况下，光的强度通常 比较高。图 挡风玻璃光学元件工作原理和过程 当挡风玻璃外表面有雨滴时 ，入 射到挡风玻璃 上的光线被部分散射掉 ，反射后接收管的光线变少 ， 雨量越大则反射回来的光线越少。通过与挡风玻璃 干燥情况下接收光强的比较 ，就可 以得出目前挡风 玻璃上雨滴的大小和多少 ，进而判 断出不同的下雨 模式，从而发出刮水请求至车身控制器 ，控制雨刮器 完成间歇刮水、低速连续刮水以及高速连续刮水 。的一 个作用就是控 制 驱 动，转 换光电二极管电流为数字形式，该数据被发送到微控 制器，以判断是否下雨，雨刮速度应设定多少。 解决 模块系统遇到的挑战模块 系 统 最 大 的 一 个 挑 战是光电二极管 接收到的不仅有 光，还 有日光，定 时也会感应 出电流，日光的变化被理解为挡风玻璃上突发降雨 ， 导致雨刮误动作。用离散解去区分这种类型的激 励是相当困难的，采用特殊的光学 器件或机械解决 方案可以将日光变量去除掉。当日光信号比雨量信 号强很多时，微量 的日光信号足以完全淹没雨量模 拟信号，可以采用复杂软件去 调整 ；然 而，一 旦雨量 信号中混有日光成分 ，要把它们分割开来几乎是不 可能的。可以把日光信号从雨量信号中 滤除掉，有下述种非 常有效的途径：） 抑制雨量信号中的日光信号 ，产生 非常精确的雨量 信号；）芯片可以 测量雨量和日光信号并作为 个 独立值发送信息到微控制器 ，收 到的这 个独立信 号使得软件开发的复杂度大大减少。对汽车开发者 而言，日光信号数 据有可能是除了雨量传感之外其 他原因的一个有用值 ，比 如微控制器根据日光信号 大小决定是否要打开车前灯或者调解仪表盘背景光 等。 模块安装安装 模块时，将光学元件通过 硅胶垫粘贴 在前挡风玻璃的内侧 ，通常在内视镜支架座的下方 。 发射管和接收管在雨量光线传感器的 板上，传 感器通 过 机 械 锁 止 机 构 固 定 在 光 学 元 件 上。 通 常，光学元件、传感器和内视镜支架会由一装饰盖整 个包住，从乘客舱内看不出任何区别 ，在视觉上不会 对驾驶员造成任何影响。 结语利用 精 密 的 光 学 传 感 器 和 先 进 的 电 子 器 件将雨量大小转换为电子信号 ，同时采用模拟信号 处理技术、模式识别技术和预测控制算法 ，能够实时 检测、分析、判断和给车身控制单元发出控制雨刮器 刮水频率或工作模式的信号 ，使得汽车前挡风玻璃 时刻处于干燥清洁状态 ，增加驾驶员的可见度，保证其集中精力专心开车 ，减少了事故隐患，增强了驾车 的舒适 感；同 时， 检测车外整体环境光线 强 度 和车辆行驶正前方的光线情况 ，避免了雨刮误动作。 提供的 降水状态和光照度 状 态信息还可用于 实现其他拓展功能，例如车外整体环境光线强度降 低到一定程度后或车辆行驶进入隧道或地下停车场 前，能够自动发出开起行车大灯的信号 ；外部光线昏 暗或过分刺眼时，自动调节车内仪表背光灯亮度 ；下雨时，自动关闭车辆天窗或门窗等 ，这方面研究技术 得到了越来越多的市场关注。国外汽车 推广应用时间长 ，产 品技术成熟 度高，而国内研 发投入 少，开 发 出 的 市 场 份 额 小，产品应用推广面窄 ，使得配备有自动雨刮器及自 动车前灯等控制的汽车或零部件生产和销售价格偏 高，限制了市场保有量 ，所以本研究项目具有一定的 实际意义，旨在从设计的源头减少其组成费用 ，降低 装车费用，满足国 内自主车型装车对于低成本和可 靠性的要求。参考文献赵 岩 ，王 哈 力 ，蒋 贵 龙 ，等 汽车智能雨刷系统的设计 电 子科技 ，（）：新技术新工艺试验与研究时延估计在被动声定位中的应用李卫东，寇子明（太 原理工大学 机械工程学院 ，山 西 太原 ；山西潞安煤基清洁能源有限责任公司 ，山 西 长治 ）摘 要：时间延迟的估计算法在声 音定位中非常重要 ，其 精度直接决定了定位的精度。 讨论和比较 了广义互相关算法、互功率谱相位法 和自适应算法在被动声定位中的应用 ，得 出广义互相关算法相较于 其他种算法有更好的定位精度 ，在研究声源定位中有更广泛的应用前景 。关键词：定位；广义互相关算法 ；互功率谱相位法 ；自适应算法中图分类号：文献标志码：， ， （，；，）：， ， ：，时延估计的数字信号处理技术是课题研究中一 个非常活跃的领域，研究成果被广泛应用于声纳 、雷 达、地震和生物 医学等领域。 时延估计常用的方法 有广义互相关算法、互功率谱相位法和自适应算法 。 算法 广义互相关算法 （） （）（）（ ）（） （）（ ） （）从式可以看出，（）、 （）互相关函数取最 大值时，（）也 取最大值，又 因为 （ ） （），所 以取得最大值时的 即为时延 。 由于观察时间受限，所以求得的互相关只是一个估 互相关是通过求路信号的互相关来估计时延计值，记为 （），在各态历经的过程中，定义为：。 互相关函数为：（）、（）（） （）（）（） （） （）（）（） 将式展开可得：式中， 是观察时间。檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵斐 京礼 汽车传感器的发展历程 、应 用 现 状 及 未 来 农业装备与车辆工程 ，（）：