汽车电子设计概论--接口篇(2)

汽车电子设计概论—接口篇（2）
开篇讲了汽车电器数字电路的接口，由于写到凌晨3点，已是困顿不堪，文章写得有点虎头蛇尾，对不住广大读者，特此致歉，今天在开讲另一章之前，先对上篇数字电路的接口做个补充介绍。

图6 通用开关信号输入接口
上篇说了，图6为通用化的数字输入接口。

现在分析一下，为什么这一接口具备通用性。

图中D5为输入信号，经过输入网络后，信号变换成SW27,然后将SW27当作模拟量处理，经模数变换后，通过和不同的门槛比较，解析出输出信号的有效状态。

而门槛可以以参数的形式存在flash中。

通过改变参数使之适应不同的输出电路。

拿24V供电的车辆为例，来分析图6电路。

先做一些假设，内部电源为+5V，AD模数转换位数为10，与SW27相接的后续电路阻抗为10M以上，这些都是很容易做到的。

首先看看电路的安全特性，该接口电路能承受的最高电压，这里假定内部电源为+5V，所以SW27电压不能高于+5V，因为与SW27相连的电路的输入阻抗为10M以上，因而ER13上的电流和压降近似为0，也就是说V和SW27处电压近似相等。

V=5V时，根据基尔霍夫定律有：
++=0
Vin-5=50
Vin=55
可见Vin能承受的最大电压为55V，对于24V供电的车辆来说，国家电器规范规定能承受32V即可。

我们可以看出，本接口电路的输入阻抗比较高。

输入阻抗高，意味着输入电路对输
出电路的输出信号电压影响比较小。

当输入电压大于5V时，该输入接口的输入阻抗更大，大于200K。

这么大的输入阻抗，配以103的电容组成的阻容滤波电路，对于TS7637的
P5脉冲吸收完全没有问题，因而电路安全性非常好。

现在进入分析通用性的真正环节。

考究接口电路的通用性，实际上就是分析输入接
口解析各种输出信号有效性的能力。

由于本接口的高输入阻抗特性，所以基本不考虑输
入电路对输出信号电压的影响。

当输入悬空时，V=2.5V。

如果选用电阻精度为1%，那么悬空时电压区间应当在（2.475V，2.525V）,考虑信号干扰因素，把这个区间修正为（2.4V,2.6V）。

所以只要V≥2.6V,
认为解出的输入信号均可作为“高有效”；V≤2.4V，认为解出的输入信号均可作为“低有效”。

对应V=2.6V时，应用基尔霍夫定律：
++=0
Vin-2.6+2.4*10-10*2.6=0
Vin=4.6
只要信号大于4.6V，均能解出正确的“高有效”状态，而在实际使用中，“高有效”的信号远远大于5V。

这就意味着对任意的“高有效”信号均能解析出正确的状态。

对应V=2.4V时，应用基尔霍夫定律：
++=0
Vin-2.4+2.6*10-10*2.4=0
Vin=0.4
这对“低有效”的信号是相当苛刻的。

但是，以上计算忽视了二极管M12的存在，事实上，对“低有效”的信号来说，由于M12的存在，只要Vin低于2.4V-0.7V（二极管压降）=1.7V，就能解析出正确状态来。

而对于绝大多数“低有效”的信号来说，电压值一般在1.0V以下。

所以，相对于1.7V的门槛来说，任意的“低有效”信号的状态都能被解析出来。

综上分析可见，对于任意的“低有效”、“悬空有效”、“高有效”信号，本接口都能解析出其正确状态，所以说本接口电路的通用性是非常好的。

设置好合适的门槛，本电路“抵御”盐水路面“误通”也非常有效。

比如在冬天的北京，下了雪，撒了盐。

融化的盐水溅到裸露的开关上（比如气压报警开关）就会导致误报警，活用好本接口电路就可以排除这种误报警。

设计出这一通用数字信号接口，再将数字信号模拟化处理，几乎可以应对各种类型的开关信号也是我的得意之作之一。

2.脉冲信号接口
脉冲信号靠信号的高低交变的周期来表征实际参数。

所以对于脉冲型的信号接口，输入接口往往要既能解析出“高有效”又能解析出“低有效”。

由于时效要求，这种解析完全靠硬件完成。

典型的脉冲信号有车速信号和转速信号。

图7 一种车速输出接口
（1）车速信号接口
车速信号处理起来比较容易，因为车速信号都来自里程传感器。

里程传感器输出的信号都是经过了整形，因而输出的信号质量比较好，如果按图7设计里程传感器的车速输出接口电路，将会是安全可靠的。

因为无论是将该信号接地、接火、火地反接均不
会损坏接口。

Rp是个可选的电阻，很多里程传感器里没有它。

事实上，对于很多厂生产的里程传感器里就没有该电阻。

没了Rp的输出电路就成了一般所说的集电极开路输出电路了。

Rs为限流保护电阻，D为反向保护二级管。

一般不用操心脉冲信号的高电平门槛，对于一部分为集电极开路输出的车速信号来说（就是图7中少了Rp的情形），高电平完全取决于输入接口电路，设计者可根据自身需要将其上拉到合适电平。

对于非集电极开路的输出电路，我们所见的高电平没有在5V之下的，所以只要保证输入接口的高门槛不要高于5V，信号的“高有效”就一定能够解析出来。

所以对车速信号来讲，能否解出信号的“低有效”是关键。

图8是常见的车速输入输出接口，由于保护电阻Rs的存在，信号输出阻抗较大，导致输出电压受输入电路影响较大。

如果输入输出配合不好，可能就测不出脉冲变化，结果车速总是为0。

在图8中，电阻Rn,Rpn选择不当时，Vn会保持在基极导通电压0.7V以上，S1总保持在低电平状态。

所以对图8所示的车速接口，解析信号的能力是比较差的，尤其当发生多个电器并接时，解析信号的能力更差。

这就是为什么缓速器、仪表单独接里程传感器时都没事，一旦两者并接时，往往缓速器工作失效，就是因为缓速器采用了这种过于简单的接口电路，同时胡乱选择接口电阻，因而解不出车速信号。

图8 车速输出输入接口
图8接口缺憾之处在于其低电平门槛太低，仅0.7V。

如果接口电路稍微不合理，低电平很容被拉到0.7V以上。

根据使用经验，车速输出信号的低电平几乎没有在2.5V
以上的，所以，如果将输入接口电路的高低电平门槛上移到2.5V以上问题就都解决了。

图9就是在实战中优化出的一种车速输入接口，其核心是引入了比较器。

电阻R36和R52组成分压电路，产生3.3V的比较器正端电压，该电压就是高低电平门槛。

MR49于本电路
实际无效，但由于有些电器和本电器共享车速信号，他们的电器车速输入接口依赖于图7中的Rpn，所以保留MR49的作用在此。

MD5作用强行削去负信号，以保护后面电路。

图9基本是通用的车速输入接口。

图9 车速输入接口
（2）转速信号接口
乍一听起来，转速信号不也是个脉冲信号吗？既然都是脉冲信号，那就采用图9所示的车速信号接口，应当没有问题了嘛。

在应用中，转速信号和里程信号有重大差别：
A．里程信号都是来自里程传感器，信号源好。

而转速信号来源就五花八门了，有的来自传感器，有的来自于发电机中心点。

信号质量差别很大。

B．车速信号输出接口就2种形态—集电极开路输出和带上拉电阻的三极管输出电路。

所以信号经过简单处理都能获得矩形脉冲信号，但转速信号就没那么幸运。

信号波形比较奇异，需要较复杂的微积分转换才能获得需要的矩形信号。

我们先看看都有哪些转速信号，只有搞清了信号的特征，才能有的放矢，设计出有效地接口电路。

图10是常见转速信号波形，我刚进入汽车电子领域时，接触到的转速信号都来自转速传感器，所以设计的转速接口和车速接口类似，参见图9，利用电压比较器，调节分压电阻MR36和MR52，可以调节信号低电压门槛，应对转速信号中的波形1和波形2是没有问题的。

问题出在对付波形3上，也就是信号来自发电机的中心点。

我们设计脉冲信号的输入接口，其重点是找到信号的低电平门槛。

发电机发出的波形是一馒头波，其低电平位置随转速变化非常大，由几伏到二十几伏变化，幅值变化也很大。

最要命的是低转速下
图10 常见转速信号波形
高电平有可能还低于高转速下的低电平。

所以给设定固定低电平门槛的思维方式判了死刑。

最后采用信号的积分方式来完成脉冲信号的整形。

这就是图11转速信号输入接口的最初来历。

图11 转速信号输入接口
图11中，转速信号进来后，分别通向C57/R114/R102和C55/R115/R104组成积分电路，由于RC常数不一样，双方的积分结果不等，利用差分比较器U22A整形出矩形波。

选择合适的正反馈电阻R111可以对付图10中小的畸变信号，提供电路的施密特特性。

这个转速信号的输入接口也是我汽车电子生涯的得意之作之一，至今没碰到它解不出的转速信号。

下篇介绍大家常常关注的C3信号。