汽車輪速傳感器中智能芯片的應(yīng)用

王玉寶

（浙江正泰汽車科技有限公司，浙江 溫州 325025）

轉(zhuǎn)速傳感器 （WSS）的主要功能是檢測車輪的速度，并將速度信號輸入ABS／ESP的控制單元，ABS／ESP控制單元通過對輪速傳感器信號的處理得到車輛的速度及各車輪轉(zhuǎn)動速度、狀態(tài)的信息。

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及總線通信技術(shù)在車輛上的不斷普及，輪速傳感器經(jīng)歷了被動傳感器、主動傳感器、智能傳感器的發(fā)展階段。

1 輪速傳感器的分類及發(fā)展

1.1 電磁式輪速傳感器 （被動式輪速傳感器）

輪速傳感器最早的產(chǎn)品為利用電磁感應(yīng)原理的磁電式輪速傳感器，主要結(jié)構(gòu)見圖1。

雖然電磁式輪速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)，但由于其較差的低速檢出性、頻率特性和抗干擾性，以及較大的產(chǎn)品體積與鐵磁體目標(biāo)齒輪一起的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，增大了車輛輪轂單元體積，并增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。隨著裝配霍爾元件／磁阻元件的主動式輪速傳感器大量應(yīng)用而帶來的成本上的降低，電磁式輪速傳感器已經(jīng)淡出乘用車應(yīng)用領(lǐng)域，目前基本上只在商用車ABS系統(tǒng)中保持應(yīng)用。

1.2 霍爾／磁阻式輪速傳感器 （主動式輪速傳感器）

主動式輪速傳感器主要通過芯片內(nèi)的霍爾元件／磁阻元件，利用車輪帶動鐵磁體目標(biāo)齒輪 （或磁輪）在輪速傳感器頭部附近轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生磁通量的交變，通過元件芯片內(nèi)部的信號處理電路將磁場的變化轉(zhuǎn)換成調(diào)制數(shù)字脈動電流輸出。ABS／ESP系統(tǒng)通過采樣電阻將調(diào)制數(shù)字脈動電流 （輪速傳感器領(lǐng)域目前標(biāo)準(zhǔn)值為：IH=14 mA／IL=7 mA）轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓脈沖信號，從而得到輪速數(shù)值?；魻栐抛柙墓ぷ髟?（鐵氧體目標(biāo)輪）、調(diào)制電流輸出分別如圖2、圖3所示。

圖1 電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)示意

圖2 霍爾／磁阻元件工作圖示

圖3 主動式輪速傳感器電流調(diào)制輸出圖示

主動式輪速傳感器以其優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性、低至0 km的低速檢出特性、強(qiáng)大的抗干擾能力，同時可以提供緊湊的輪轂單元結(jié)構(gòu) （磁環(huán)與輪轂軸承整合）以有效降低輪轂單元的質(zhì)量，已經(jīng)全面在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用。同時隨著乘用車電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及系統(tǒng)功能的不斷擴(kuò)展，主動式輪速傳感器也在不斷發(fā)展進(jìn)步，智能型輪速傳感器就是這個發(fā)展的一個成果。

2 Smart輪速傳感器介紹

普通主動式輪速傳感器的輸出信號只是一個隨著速度變化而產(chǎn)生頻率變化的數(shù)字脈動調(diào)制電流信號 （高電流14 mA、低電流7 mA），它只能給車輛控制系統(tǒng)提供一個基本輪速信號。

隨著車輛穩(wěn)定控制ESP、坡道起步輔助HSA、牽引力控制TCS、電子差速鎖、自動泊車系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等一系列高技術(shù)性附加系統(tǒng)功能的逐步推廣及發(fā)展，車輪轉(zhuǎn)動相關(guān)的其他信號需求也被生產(chǎn)廠家提了出來，例如車輪轉(zhuǎn)動方向信號的需求。隨之，大型主機(jī)廠及其傳感器供應(yīng)商與芯片廠商合作開發(fā)推出了智能輪速傳感器芯片。

智能輪速傳感器的芯片目前主要由3家IC廠家在提供，分別是美國的Allegro公司、德國的NXP（恩智浦）、Infineon（英飛凌），而其中以NXP和Infineon的智能芯片在輪速傳感器領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

3 Smart輪速傳感器芯片的分類

3.1 根據(jù)芯片工作機(jī)理來劃分

1）以NXP公司KMI系列為代表的各向異性磁阻效應(yīng)（AMR）感應(yīng)芯片。

2）Infineon公司、Allegro公司應(yīng)用的霍爾效應(yīng)感應(yīng)芯片。

3.2 根據(jù)芯片輸出信號協(xié)議不同來劃分

3.2.1 根據(jù)調(diào)制電流脈沖寬度

利用調(diào)制電流脈沖寬度表示旋轉(zhuǎn)方向信息，包括Allegro公司的A1698芯片和Infineon公司的TLE-4942芯片。其典型應(yīng)用電路與普通主動輪速傳感器的應(yīng)用電路一致，只是推薦的負(fù)載電阻阻值不同，這一點(diǎn)在芯片應(yīng)用時要特別注意。而這2個芯片的信息數(shù)據(jù)定義又分別不同。下面對這2款芯片分別進(jìn)行介紹。

3.2.1.1 Allegro公司的A1698芯片

Allegro公司的A1698芯片，芯片采用了乘用車輪速傳感器領(lǐng)域通用的標(biāo)準(zhǔn)雙線數(shù)字電流調(diào)制輸出接口電路 （高電流14 mA／低電流7 mA），芯片可以提供速度和方向信息、安裝氣隙警告信息 （P尾綴型號）。2引腳SIP無鉛封裝。芯片外形見圖4。特點(diǎn)：真正的零速檢測能力；方向脈寬輸出協(xié)議；集成 EMC電容器；微型封裝；寬引線便于裝配；欠壓鎖定。

圖4 A1698封裝圖示

Allegro公司的A1698芯片，以調(diào)制的輸出電流脈沖及脈沖寬度提供轉(zhuǎn)動速度及轉(zhuǎn)動方向的信號。芯片內(nèi)部集成了包含3個霍爾感應(yīng)元件的信號處理電路和高溫陶瓷電容器 （2 200 pF），集成電容器提供了增強(qiáng)的電磁兼容性能。

A1698芯片的調(diào)制電流輸出規(guī)格與目前乘用車領(lǐng)域主動式輪速傳感器的輸出規(guī)格一致，均為低電流7 mA，高電流14 mA，輪速信號的信息以調(diào)制電流的脈沖數(shù)計(jì)算；而轉(zhuǎn)向信號則以電流脈沖的寬度來表示，A1698（-W尾綴型號）在正轉(zhuǎn)時輸出調(diào)制電流脈沖寬度為90 μs（標(biāo)準(zhǔn)值），反轉(zhuǎn)時脈沖寬度則為180 μs（標(biāo)準(zhǔn)值）；A1698的推薦使用負(fù)載電阻為100 Ω。

A1698利用芯片內(nèi)部的3個霍爾感應(yīng)元件在速度測量的同時實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動方向的檢測。其旋轉(zhuǎn)方向定義、工作原理及輸出脈沖時序圖示見圖5、圖6、圖7。

圖5 A1698的旋轉(zhuǎn)方向定義

Allegro A1698在使用中的注意事項(xiàng)如下。

1）在以A1698為元件的輪速傳感器上電啟動階段，依據(jù)目標(biāo)磁輪 （或鐵磁體齒輪）的設(shè)計(jì)、制造誤差，以及傳感器的安裝氣隙和目標(biāo)磁輪 （齒輪）的相位誤差，傳感器輸出的方向信號會存在暫時不正確的現(xiàn)象。

2）在以A1698為元件的輪速傳感器正常工作階段，同樣會由于目標(biāo)磁輪 （或鐵磁體齒輪）的設(shè)計(jì)以及目標(biāo)磁輪（齒輪）的相位誤差影響，會導(dǎo)致傳感器輸出的方向信號出現(xiàn)短暫不正確的現(xiàn)象。

3）A1698芯片的-P尾綴型號以停止脈沖寬度的形式來提供安裝氣隙報(bào)警信號，45 μs（標(biāo)準(zhǔn)值）。

圖6 A1698基本工作原理

圖7 A1698輸出脈沖電流時序圖示說明

3.2.1.2 Infineon公司的TLE-4942芯片

Infineon公司的TLE-4942芯片，芯片也采用了乘用車輪速傳感器領(lǐng)域通用的標(biāo)準(zhǔn)雙線數(shù)字電流調(diào)制輸出接口電路 （高電流14 mA／低電流7 mA）。芯片可以提供速度和方向信息，具有正常工作狀態(tài)下的安裝氣隙診斷功能，相對于Allegro公司的A1698芯片來講，增加了安裝位置診斷功能。2引腳無鉛鍍錫封裝，包裝規(guī)格為：PGSSO-2-2（TLE4942-1C芯片），其中TLE4942-1C芯片集成了一片1.8 nF貼片電容。包裝規(guī)格及外觀見圖8。

圖8 TLE4942C芯片封裝

芯片特點(diǎn)：雙線式電流脈寬調(diào)制接口；旋轉(zhuǎn)方向檢測功能；氣息診斷功能；安裝位置診斷功能；動態(tài)自校準(zhǔn)原理；單芯片方案；無需外接元件；高靈敏度；南北磁極預(yù)感應(yīng)可能；高阻抗壓電效應(yīng)；寬工作氣隙范圍；寬工作溫度范圍。

TLE4942芯片與Allegro公司的A1698芯片工作原理一致，均以調(diào)制電流脈沖寬度的形式來表示希望輸出的信號內(nèi)容，但它們的數(shù)據(jù)定義不同 （EL信號疊加時的脈沖寬度變化），所以應(yīng)用時無法互相替換，這一點(diǎn)在應(yīng)用時要特別注意。其推薦負(fù)載電阻為75 Ω。TLE4942的輸出信號說明如下。

1）氣隙范圍報(bào)警信號 （Warning） 當(dāng)磁場強(qiáng)度小于臨界值 （如霍爾元件與目標(biāo)輪之間的距離達(dá)到臨界值時），報(bào)警信息通過輸出脈沖寬度變化表示，此時傳感器將工作在簡單功能狀態(tài)。報(bào)警信息只在校準(zhǔn)模式時輸出。磁場強(qiáng)度范圍定義見圖9。

圖9 TLE4942磁場強(qiáng)度范圍定義

2）安裝范圍報(bào)警信號 （EL） 當(dāng)磁場強(qiáng)度小于預(yù)先設(shè)定值 （如霍爾元件與目標(biāo)輪之間的距離超過預(yù)先設(shè)定值時），EL信息通過輸出脈沖寬度變化表示，此時傳感器工作于全功能狀態(tài)。

3）右轉(zhuǎn)信號 （DR-R） 當(dāng)目標(biāo)輪在霍爾元件的前部從信號引腳轉(zhuǎn)向電源引腳時，DR-R信息通過輸出脈沖寬度變化表示。

4）左轉(zhuǎn)信號 （DR-L） 當(dāng)目標(biāo)輪在霍爾元件的前部從電源引腳轉(zhuǎn)向信號引腳時，DR-L信息通過輸出脈沖寬度變化表示。在外部磁場強(qiáng)度充足的條件下，轉(zhuǎn)向信號在未校準(zhǔn)模式后的2個脈沖期間得到校正。TLE4942旋轉(zhuǎn)方向定義說明見圖10。

圖10 TLE4942轉(zhuǎn)動方向定義

TLE4942芯片速度信號通過所包含的一對相距2.5 mm的霍爾感應(yīng)元件、一個包含噪聲抑制低通濾波器的差動放大器、一個進(jìn)行輸出電流切換的比較觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。同時還有一個由信號跟蹤模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個數(shù)字信號處理器（DSP）及一個偏差補(bǔ)償數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的偏差補(bǔ)償反饋環(huán)路。在芯片上電期間信號輸出被置于無效狀態(tài) （低電流）。TLE4942芯片的調(diào)制電流脈沖PWM輸出說明，見圖11。

圖11 TLE4942PWM電流接口定義

脈沖寬度調(diào)制電流接口：每次磁場變換與相對應(yīng)的輸出電流上升沿之間的時間差被稱為tpre-low，它被用來確保信號內(nèi)部傳輸?shù)目煽啃?。隨后的信號脈沖 （高電流）為輸出。tpre-low典型值定義為45 μs。

如果磁場變化差值超出ΔBEL范圍，輸出脈沖寬度則根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向分別以90 μs或180 μs響應(yīng)。如果大量磁場變化差值低于ΔBEL范圍，輸出脈沖寬度則根據(jù)左右旋轉(zhuǎn)方向分別以360 μs或720 μs響應(yīng)。由于高頻運(yùn)轉(zhuǎn)下信號周期時間逐漸減少，這些寬幅輸出脈沖只在117 Hz內(nèi)有效。在比這個頻率高的場合，如果大量磁場變化差值低于ΔBEL范圍，輸出脈沖寬度則只根據(jù)左右旋轉(zhuǎn)方向分別以90 μs或180 μs響應(yīng)。如果大量磁場變化差值低于ΔBWarning范圍，輸出脈沖寬度則以45 μs響應(yīng)。警告輸出信號具有統(tǒng)治權(quán)，這意味著在接近極限氣隙的安裝條件下，轉(zhuǎn)向信號和安裝位置信號將被置于無效狀態(tài)。

當(dāng)大量磁場變化差值低于ΔBLimit范圍則信號丟失，在信號無法被檢出且時間超過靜止周期TStop時，傳感器將輸出停止脈沖。在第1個停止脈沖輸出的同時，傳感器內(nèi)部電路將回歸至非標(biāo)定狀態(tài)。圖12為停止信號輸出脈沖定義。

使用注意如下。

1）在極個別條件下，在標(biāo)定過程中可編程增益放大器有可能發(fā)生進(jìn)一步切換，這種情況發(fā)生在信號值非常接近PGA切換閥值的條件下，該切換會導(dǎo)致標(biāo)定模式的進(jìn)入延遲2個以上脈沖。這種狀況的發(fā)生主要取決于實(shí)際裝車狀況下的磁場曲線幅值變化。

2）方向檢測同樣在非標(biāo)定模式下有效，但必須基于充分的環(huán)境磁場信號強(qiáng)度。正確的方向信息最遲在標(biāo)定模式下的最初2個輸出脈沖后有效。在上述最惡劣條件下并結(jié)合其它初始條件，可能導(dǎo)致正確的方向信息在9個輸出脈沖后有效。

3）應(yīng)用系統(tǒng)在使用這些附加信息信號時，必須注意轉(zhuǎn)動頻率對信號的影響，必須在規(guī)定的頻率范圍之內(nèi)正確使用，否則會導(dǎo)致錯誤的產(chǎn)生。

Infineon公司的產(chǎn)品中與TLE4942類似功能的產(chǎn)品還有TLE4955C芯片，其輸出定義與TLE4942基本類似，只是正反轉(zhuǎn)的脈沖寬度定義不一致。TLE4955C中，正轉(zhuǎn)脈沖寬度典型值為45 μs；反轉(zhuǎn)脈沖寬度典型值為90 μs。它們之間是不能直接替換的。

3.2.2 AK數(shù)據(jù)通信協(xié)議編碼形式輸出

AK數(shù)據(jù)通信協(xié)議編碼是由VW、AUDI、PORSCHE、BMW、DAIMLERCHRYSLER、RENAULT等幾大汽車制造商共同商討制定的一個關(guān)于智能輪速傳感器輸出信號的數(shù)據(jù)格式定義，它將速度信息、方向信息、氣隙狀態(tài)等傳感器工作相關(guān)信息以脈沖編碼的形式定義為一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。目前這種輸出數(shù)據(jù)通信規(guī)格的輪速傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在這些制造商生產(chǎn)的車輛當(dāng)中。目前采用AK信號協(xié)議的智能輪速傳感器芯片主要有兩家，它們分別是Infineon公司的TLE4943C芯片和NXP公司的KMI25芯片。下面將對這兩款芯片分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.2.1 Infineon公司的TLE4943C芯片

Infineon公司的TLE4943C芯片是Infineon公司基于AK信號協(xié)議開發(fā)的一款智能輪速傳感器芯片，見圖13。

圖12 停止信號輸出脈沖定義

圖13 TLE4943C外觀圖

它具有以下特點(diǎn)：AK通信協(xié)議的雙線調(diào)制電流接口；霍爾原理測量；集成了磁場傳感器用于車輪轉(zhuǎn)速測量；旋轉(zhuǎn)方向的檢測；安裝氣隙狀態(tài)的檢測信息；單芯片方案；高靈敏度；寬范圍工作氣隙；磁場預(yù)感應(yīng)功能；車用級工作溫度范圍：TJ=-40℃to 150℃；1.8 nF成型包覆電容；寬電壓工作范圍；無鉛涂層的環(huán)保封裝。

TLE4943C芯片通過磁環(huán)或鐵氧體目標(biāo)輪產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度變化來測量它們的轉(zhuǎn)動，并以信號輸出的形式體現(xiàn)出來轉(zhuǎn)動參數(shù) （測量鐵氧體目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動時，需要在芯片背面施加一個背磁鐵）。TLE4943C芯片內(nèi)集成了3個霍爾元件，利用它們芯片可以測量目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動的速度、方向等轉(zhuǎn)動信息?；贏K信號協(xié)議，TLE4943C根據(jù)轉(zhuǎn)動輸出3個層次的電流 （28 mA、14 mA、7 mA）組成轉(zhuǎn)動相關(guān)的信息。TLE4943C的信號時序及旋轉(zhuǎn)方向定義分別見圖14、圖15。TLE4943C的推薦負(fù)載電阻為50 Ω。典型應(yīng)用電路見圖16。

圖14 TLE4943C脈沖時序圖

圖15 TLE4943C選裝正方向定義

圖16 TLE4943C典型應(yīng)用電路圖

TLE4943C的輸出信號在遵循AK信號協(xié)議的基礎(chǔ)上，具體定義和編碼脈沖圖如圖17所示。

AK編碼信息在不同工作頻率下的傳輸：正常旋轉(zhuǎn)速度下 （信號頻率低于1 800 Hz），速度脈沖及8位編碼脈沖均可以被正常傳輸給信號接收單元；其他頻率條件下的傳輸詳見圖18。

由圖18可見，在工作頻率2 800 Hz以內(nèi)，TLE4943C可以正常輸出方向信號信息，而超出這個頻率范圍后，芯片的輸出信號中就不含轉(zhuǎn)動方向信息了。這一點(diǎn)在應(yīng)用中要重視。

當(dāng)芯片在一個大于停止時間tstop（150 ms）的周期內(nèi)沒有檢測到目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動引起的外部磁場變化，芯片將開始以停止協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。停止協(xié)議信號的發(fā)送周期為150 ms±20%。停止協(xié)議的信號唯一的變化就是以14 mA的幅度發(fā)送一個虛擬速度脈沖信號，其他編碼信號均與正常工作狀態(tài)下一致。這也是遵循AK信號協(xié)議的指定實(shí)施的。

圖17 TLE4943C編碼定義及編碼脈沖圖示

圖18 TLE4943C編碼不同頻率下的傳輸

TLE4943C應(yīng)用上需注意以下幾點(diǎn)。

1）TLE4943C推薦的典型應(yīng)用電路與負(fù)載電阻阻值（50 Ω）和其他的Infineon輪速傳感器芯片有所不同，在芯片的應(yīng)用過程中，要引起注意。

2）TLE4943C芯片在高頻率條件下工作時，會有部分編碼位的數(shù)據(jù)丟失，所以在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，必須考慮好高頻率條件下的信號處理問題，避免不必要的報(bào)錯。

3.2.2.2 NXP公司的KMI25芯片

NXP公司的KMI25芯片是NXP公司利用AK信號協(xié)議開發(fā)的一款基于各向異性磁阻效應(yīng)的AMR元件智能輪速傳感器芯片，KMI25依據(jù)尾綴數(shù)字的不同可分為微尺寸背磁磁鐵的KMI25／2和中尺寸背磁磁鐵的KMI25／4，芯片封裝說明見圖19。其中，KMI25／2應(yīng)用于磁輪；KMI25／4應(yīng)用鐵氧體材料目標(biāo)輪。

芯片特點(diǎn)：系統(tǒng)封裝；兩線電流調(diào)制接口；旋轉(zhuǎn)方向檢測；AK通信協(xié)議的數(shù)字編碼輸出格式；寬工作氣隙范圍；寬工作溫度范圍；高防靜電 （ESD）特性；極低的信號抖動；符合汽車領(lǐng)域的AEC-Q100 Rev-G標(biāo)準(zhǔn) （AEC組織所制訂的車用可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)）。

圖19 KMI25封裝說明

KMI25通過芯片內(nèi)部的磁阻元件利用各向異性磁阻效應(yīng)（AMR）對目標(biāo)輪運(yùn)動產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度變化進(jìn)行測量，其中KMI／2是利用作用在AMR電橋上的外部磁輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的磁場變化來進(jìn)行檢測；而KMI／4則是通過芯片所附的一塊中尺寸磁鐵利用外部鐵氧體齒輪的轉(zhuǎn)動引起的磁場變化來檢測的。

芯片內(nèi)部通過對變化磁場的檢測，利用芯片內(nèi)部電路對檢測信號的處理，將其轉(zhuǎn)換為一系列含有速度、方向等信息的7 mA、14 mA、28 mA的調(diào)制電流輸出。KMI25／2及KMI／4的旋轉(zhuǎn)方向定義見圖20。

圖20 KMI25／2， KMI／4正向旋轉(zhuǎn)定義

KMI25芯片的輸出信號在遵循AK信號協(xié)議的基礎(chǔ)上，具體定義和編碼位如圖21所示。

KMI25工作模式中有一個低速工作模式，它是在芯片檢測出外部磁場變化頻率低至1 Hz時，進(jìn)入低速工作模式。它作為芯片的待機(jī)模式，在此模式下，芯片內(nèi)部的一些普通功能和算法將被暫停，直至芯片檢測出超過1 Hz變化頻率的外部磁場動作。如果芯片在150 ms內(nèi)沒有檢測出過零切換信號，芯片會以最少150 ms的間隔輸出一個虛擬速度脈沖（14 mA幅度），這一點(diǎn)上是與TLE4943C相同的。KMI25的典型應(yīng)用電路與TLE4943C相同，推薦負(fù)載電阻也是50 Ω。

圖21 KMI25的AK信號協(xié)議編碼位定義

4 結(jié)束語

以上分別介紹了幾款智能輪速傳感器芯片，針對這些不同芯片的輸出，分別對應(yīng)不同的ABS、ESP控制系統(tǒng)，速度信號、轉(zhuǎn)向信號、工作氣隙信號等一系列的信號都要通過系統(tǒng)的解析，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作需要的信號格式，并通過總線技術(shù) （如CAN總線通信）發(fā)送給其他需要使用系統(tǒng)。

隨著車輛穩(wěn)定控制ESP、坡道起步輔助HSA、牽引力控制TCS、電子差速鎖、自動泊車系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等一系列高技術(shù)性附加功能系統(tǒng)的不斷普及應(yīng)用在普通轎車上，同時電子產(chǎn)品的成本也在不斷下降，智能輪速傳感器的價(jià)格會越來越低，隨之而來的是智能輪速傳感器應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和壯大。