外溫傳感器檢測原理及濾波策略介紹

外溫傳感器一般為負(fù)系數(shù)熱敏電阻，溫度越低電阻越大，傳感器部件的濾波策略需要硬件濾波、軟件平滑濾波及虛接時(shí)異常降溫濾波；車外溫度傳感器檢測范圍：（-40℃~86.5℃），采集精度：±1℃，車外溫度傳感器采集周期是10ms。

NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻工作原理

NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10Ω～1000000Ω，溫度系數(shù)-2%～-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場合。。

電路原理圖

依據(jù)外溫傳感器在整車接線方式可分為兩種：外溫傳感器硬線接在空調(diào)控制器或空調(diào)面板和外溫傳感器接在FPBOX或其它設(shè)備，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳遞至空調(diào)控制器或者空調(diào)面板。

空調(diào)控制器硬線連接外溫傳感器，空調(diào)控制器負(fù)責(zé)外溫傳感器的信號(hào)采集，濾波，診斷，將濾波后的值通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡渌考?/p>

外溫傳感器硬線輸入，經(jīng)過一個(gè) ESD 保護(hù)電容 C1，經(jīng)過上拉電阻 R1 形成分壓電路， AMB 點(diǎn)得到的電壓值，經(jīng)過 RC 低通濾波電路(由 R2 和 C2 構(gòu)成)，過濾掉 5mV 的電壓抖動(dòng)后進(jìn)入主芯片，由主芯片經(jīng)過 AD 采樣得到電壓值，進(jìn)而公式轉(zhuǎn)換得到外溫傳感器組織Ramb，經(jīng)過特性表（R/T）轉(zhuǎn)化為溫度值T。

濾波策略

傳感器部件的濾波策略需要硬件濾波、軟件濾波（限幅濾波、中位值濾波、算數(shù)平均濾波、遞推平均濾波、中位值平均濾波、限幅平均濾波、一階滯后濾波、加權(quán)遞推平均濾波、消抖濾波、限幅消抖濾波）及虛接時(shí)異常降溫濾波。

算數(shù)平均濾波

1、方法：

? 連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算
? N值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低
? N值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高
? N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4

2、優(yōu)點(diǎn)：

? 適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波
? 這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)

3、缺點(diǎn)：

? 對(duì)于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用
? 比較浪費(fèi)RAM

#define N 12
char filter()
{
    int sum = 0;
    for(count = 0; count < N; count++)
    {
        sum += get_ad();
    } 
    return (char)(sum/N);
}

遞推平均濾波

1、方法：

? 把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列
? 隊(duì)列的長度固定為N
? 每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).(先進(jìn)先出原則)
? 把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果
? N值的選取：流量，N=12；壓力：N=4；液面，N=4 ~ 12；溫度，N=1 ~ 4

2、優(yōu)點(diǎn)：

? 對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高
? 適用于高頻振蕩的系統(tǒng)

3、缺點(diǎn)：

? 靈敏度低
? 對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差
? 不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差
? 不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場合
? 比較浪費(fèi)RAM

/* A值根據(jù)實(shí)際調(diào)，Value有效值，new_Value當(dāng)前采樣值，程序返回有效的實(shí)際值 */
#define A 10
char Value;
char filter()
{
    char new_Value;
    new_Value = get_ad(); // 獲取采樣值
    if( abs(new_Value - Value) > A)   
        return Value;     // abs()取絕對(duì)值函數(shù)
    return new_Value;
}

1、硬件濾波：硬件濾波是通過硬件電路，濾掉 5mV 的電壓抖動(dòng)，使采樣電壓平滑。（R2和C2組成的RC電路實(shí)現(xiàn)）

2、軟件平滑濾波：軟件采集到外溫信號(hào)后，為確保外溫值平滑，采用均值濾波策略，一般為 4 次（TBD）有效信號(hào)求平均的方式進(jìn)行平滑濾波。

初始化賦值策略

空調(diào)控制器在首次上電、熱插拔、休眠之后喚醒、 Reset 時(shí)進(jìn)行初始化賦值，在賦值基礎(chǔ)上進(jìn)行升溫或降溫邏輯策略。初始化賦值考慮因素：停車時(shí)間和室外溫度有效值。

a) 環(huán)境溫度值在下電時(shí)保存在EEPROM中(記憶值)

b) 若車外環(huán)境溫度傳感器讀數(shù)比記憶值低，車外環(huán)境溫度初始值更新為讀數(shù)值；

c) 若車外環(huán)境溫度傳感器讀數(shù)比記憶值高，如下電時(shí)間＜1min，車外環(huán)境溫度初始值保持為記憶值，如下電時(shí)間≥1min，車外環(huán)境溫度初始值更新為讀數(shù)值；

外溫傳感器賦值完成后，先將外溫信號(hào)存儲(chǔ)在軟件內(nèi)部，在網(wǎng)絡(luò)管理滿足后周期性外發(fā)。針對(duì)AUTOSAR 網(wǎng)絡(luò)管理在 Normal Operation State 或 Ready Sleep State 狀態(tài)下；針對(duì) OSEK 網(wǎng)絡(luò)管理在 normal 狀態(tài)下；針對(duì)間接網(wǎng)絡(luò)管理在 KL15 有效狀態(tài)下：a、外溫賦值完成后，將響應(yīng)的外溫值及外溫狀態(tài)發(fā)出；b、外溫賦值未完成，將外溫值信號(hào)發(fā) FE 及外溫狀態(tài)發(fā)出 normal。其他網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)外溫信號(hào)周期性發(fā)送時(shí)，外溫信號(hào)發(fā)送 FE，外溫狀態(tài)信號(hào)發(fā) normal。

外溫值更新策略（僅供參考）：

若車外環(huán)境溫度傳感器本次讀數(shù)比舊值下降，則降溫校準(zhǔn)速度為0.5℃/1S ；若本次環(huán)境溫度讀數(shù)大于5℃時(shí)，則升溫校準(zhǔn)速度為0.3℃/1000s，當(dāng)車速＞15km/h，且持續(xù)5s以上時(shí)，升溫加速，速度為1℃/15s；車外環(huán)境溫度本次讀數(shù)小于5℃時(shí)，升溫校準(zhǔn)速度為0.5℃/1S。

升溫策略：

低速更新策略當(dāng)空調(diào)控制器檢測到外溫值升高時(shí)，如果此時(shí)車速小于 15km/h（TBD），則外溫值不會(huì)更新；

中速更新策略當(dāng)車速大于 15km/h（TBD），空調(diào)控制器內(nèi)部啟動(dòng)中速外溫升溫計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器到達(dá)一定時(shí)間（TBD）后以定速率（TBD）執(zhí)行升溫策略，當(dāng)車速低于 15km/h（TBD），時(shí)計(jì)數(shù)器清零；

高速更新策略當(dāng)車速大于 40km/h（TBD），空調(diào)控制器內(nèi)部啟動(dòng)高速外溫升溫計(jì)算器，計(jì)時(shí)器到達(dá)一定時(shí)間（TBD）后以定速率（TBD）執(zhí)行升溫策略，當(dāng)車速低于 40km/h（TBD），時(shí)計(jì)數(shù)器清零；

降溫策略不需關(guān)聯(lián)車速，當(dāng)空調(diào)控制器檢測到外溫值降低時(shí)，若檢測到的值比當(dāng)前值低，但在 5℃范圍內(nèi)，執(zhí)行降溫策略，若檢測到是值比當(dāng)前值低，且超多 5℃時(shí)，執(zhí)行異常降溫濾波策略。【若 0＜當(dāng)前值（假定 16℃） -檢測值（假定 14℃）＜5 時(shí)，執(zhí)行降溫策略，若當(dāng)前值（假定 16℃） -檢測值（假定10℃）≥5℃時(shí)執(zhí)行異常降溫濾波策略。】在向 CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送有效的外溫信號(hào)狀態(tài)下，可以恒速或變速進(jìn)行降溫更新，但不能檢測到溫度低后進(jìn)行突變更新。在向 CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無效外溫信號(hào)的狀態(tài)下，外溫濾波后的值不應(yīng)更新。

異常降溫濾波策略 ：采集到的當(dāng)前值與之前的值比較，如果當(dāng)前值比之前的值小，且差值大于 5℃，啟動(dòng)異常降溫計(jì)時(shí)器。當(dāng)持續(xù)時(shí)間大于 2 秒時(shí)，確認(rèn)此溫度降低值有效，當(dāng)持續(xù)時(shí)間小于 2 秒時(shí)，認(rèn)為此值無效。計(jì)時(shí)器啟用過程中，異常值不能參與外溫平滑濾波的計(jì)算。當(dāng)差值小于 5℃或判定外溫值有效后計(jì)時(shí)器停止，有效信號(hào)參與平滑濾波策略中。

除了選擇合適的濾波算法外，還可以采取多種措施來提高空調(diào)外溫傳感器的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，包括以下幾點(diǎn)：

1. 定期校準(zhǔn)傳感器：定期校準(zhǔn)傳感器可以減少測量誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。
1. 優(yōu)化傳感器的布置位置：傳感器的布置位置應(yīng)避免直接受到太陽光照射或其他外界干擾的影響，可以通過合理的位置布置來減少測量誤差。
1. 采用多個(gè)傳感器進(jìn)行測量：通過在空調(diào)系統(tǒng)中布置多個(gè)外溫傳感器，可以有效減少單個(gè)傳感器的誤差影響，提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
1. 采用溫度補(bǔ)償算法：在空調(diào)系統(tǒng)中，除外溫傳感器外，還有室內(nèi)溫度傳感器等其它溫度傳感器。利用多個(gè)溫度傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償算法，可以進(jìn)一步提高傳感器的測量準(zhǔn)確性。

總之，選用合適的濾波算法和采取多種措施來提高傳感器的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以在空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)一步優(yōu)化溫度控制，從而提升系統(tǒng)的性能和能效。

補(bǔ)充說明：

（1）無反饋值限幅濾波的方法