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汽車設計中最重要的是安全性，因此設計人員需要增加更多的傳感器和輔助駕駛系統。難點是盡管溫度和濕度波動很大并且存在振動和電磁兼容性問題，但這些系統需要一個通用接口，并且必須能夠可靠地通信，實現零錯誤。
對于設計人員來說，不妨了解符合外設傳感器接口 (PSI5) 要求的基于傳感器的解決方案。這是一種堅固的抗干擾接口，最初用于安全氣囊系統，但現在正越來越多地用于新的傳感器密集型汽車應用。
本文將先介紹 PSI5 總線，然后介紹和描述多種 PSI5 系統解決方案以及如何使用它們來配置基于傳感器的控制系統。
外設傳感器接口 (PSI5)
PSI5 接口用于將多個傳感器連接到電子控制單元 (ECU)，已廣泛用作安全氣囊和相關約束系統的主要傳感器通信總線。它是 PSI5 組織網站 PSI5.org 上提供的一個開放標準。最新的規范是 PSI5 版本 2.3，已作為所有子標準（包含用于安全氣囊、底盤和安全控制以及傳動系統的子標準）的一項通用基本標準發布。
PSI5 標準以兩線（雙絞線）總線實施，數據傳輸采用電流調制和曼徹斯特編碼，數據速率為 125 kbps（可選 189 kbps）。與其他常見汽車數據總線相比，它屬于中速接口（表 1）。
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表 1：常見汽車數據總線的比較。PSI5 屬于中速接口。（數據來源：Digi-Key Electronics）
PSI5 在中速范圍內的優勢在于成本比 CAN 或 FlexRay 更低，但具有與傳感器數據兼容的數據速率。SENT 數據總線也用于傳感器數據傳輸，但其限制在于僅能將數據從傳感器發送到電子控制單元 (ECU)。PSI5 為雙向，允許傳感器尋址和配置。
PSI5 在汽車 ECU 中的典型實施包括饋送多個接口的微控制器（圖 1）。
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圖 1：汽車微控制器 ECU 的框圖，包括用于常見汽車數據總線（含 PSI5）的 I/O 端口。（圖片來源：Digi-Key Electronics）。
圖 1 中微控制器右側方框顯示了支持的 I/O 端口。其中包括以太網、控制器區域網絡 (CAN)、本地互連網絡 (LIN)、FlexRay 汽車通信總線，以及單邊緣漸進傳輸 (SENT) 和 PSI5 傳感器接口。這些汽車 ECU 高度集成并可包括三角積分模數轉換器 (ADC)，實現快速準確的傳感器測量。
PSI5 物理層
ECU 使用兩根電線連接到傳感器。與使用三根或更多根電線的其他總線相比，使用兩線雙絞線降低了實施成本。相同的兩根電線用于電力和數據傳輸。ECU 可使用集成或單獨的 PSI5 收發器向傳感器提供穩壓，并讀取其傳輸的數據。傳感器數據通過使用曼徹斯特編碼的電流調制傳輸到 ECU（圖 2）。
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圖 2：PSI5 接口的曼徹斯特編碼在位時間間隔中間使用電流轉換。Teledyne LeCroy 型號為 HDO4104A 的數字示波器提供可選的曼徹斯特解碼器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
通過使電流從基準電平（傳感器標稱靜態電流）變為最高電平，實現從傳感器傳輸數據。此示例中的電流具有 10 毫安 (mA) 的基準電平和 40 mA 的最高電平，增量為 30mA。
曼徹斯特編碼在位時間間隔的中間利用電流轉換。在 PSI5 收發器內檢測電流調制，其中正斜率表示為邏輯“0”，負斜率表示為邏輯“1”。在圖中，位時間間隔由垂直光標標記。帶有可選曼徹斯特解碼器的 Teledyne LeCroy 型號 HDO4101A 示波器將 PSI5 數據包分成十三個位時間，由垂直藍線表示。位時間間隔中間的電流轉換表示數據值，由示波器在轉換時打印。
ECU 使用電壓調制與 PSI5 傳感器通信。該方法用于同步來自傳感器的數據傳輸。
當單個傳感器連接到 ECU 時，該傳感器控制數據傳輸的時序和重復率。如果連接了多個傳感器，則 ECU 控制同步和數據傳輸。多個傳感器可以并聯或通過總線配置連接，也可以通過一系列傳感器進行“菊花鏈連接”。本文稍后會更詳細地討論這些配置。
數據鏈路層
PSI5 數據幀提供了極大的靈活性（圖 3）。除了具有三個主要組件的基本結構外，還存在一個擴展功能結構。
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圖 3：PSI5 數據幀的結構顯示數據有效載荷區域中的基本區段和擴展區段。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
基本結構包含以下必需元素：
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- 一個起始位字段，包含總是編碼為“00”的兩個位。
- 一個具有效載荷的數據字段，包含指定為 D0 到 D27 的從 10 位到 28 位的任何值。
- 一個糾錯段，支持一個奇偶校驗位 P 和三位循環冗余檢查 (CDC)，C0 到 C2。
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擴展數據結構包括控制、消息傳送和狀態數據，總結見表 2。
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表 2：具有子字段的附加 PSI5 數據包可選字段提供更多靈活性。（數據來源：Digi-Key Electronics）
PSI5 系統
NXP Semiconductors RDAIRBAGPSI5-001 是汽車安全氣囊控制系統的一種參考設計，顯示了基于 PSI5 的傳感器設計中的元素（圖 4）。
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圖 4：NXP Semiconductors 安全氣囊參考平臺設計的框圖顯示了基于 PSI5 的傳感器接口的元素。（圖片來源：NXP Semiconductors）
該參考設計使用 NXP PSI5 收發器 ASSP 作為傳感器和微控制器之間的接口。ASSP 是一種混合模式（模擬/數字）設備，可處理多種約束系統相關功能。在傳感器方面，它最多支持四個傳感器通道，提供電源和控制。
PSI5 傳感器
加速、溫度和壓力傳感器在車輛中應用很普遍。與安全氣囊系統相關的傳感器主要是加速計。ECU 附近通常有一個本地加速計。在車輛四周還有多個加速計，稱為衛星傳感器。安全氣囊 ECU 使用來自多個傳感器的數據確保故障保護性能。如果衛星傳感器檢測到減速，ECU 還會輪詢本地加速計以驗證是否存在“碰撞”事件，而并非加速計故障。
典型的安全氣囊加速計是單軸傳感器，適用于汽車應用，可配置的傳感器范圍為 ±30 g 至 ±480 g，量程因素為 2。它支持 PSI5 直接連接，以及同步并行和菊花鏈雙向通信。這些加速計可用于前端或側面碰撞感應、沖擊和振動檢測或行人碰撞感應。
PSI5 傳感器連接拓撲
使用加速計時，PSI5 提供了幾種將其連接到 ECU 的方法（圖 5）。
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圖 5：PSI5 支持的四種不同傳感器連接拓撲的示例，可供需要連接加速計的設計人員使用。在所有情況下，ECU 通過 PSI5 收發器為傳感器供電并讀取傳感器數據。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該圖顯示了 PSI5 支持的四種 ECU 與傳感器可能的連接方式。在所有情況下，ECU 通過 PSI5 收發器為傳感器供電并讀取傳感器數據。在同步拓撲中，ECU 還控制傳感器。圖 6 中的時序圖有助于說明各種操作模式之間的差異。
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圖 6：四種 PSI5 連接拓撲的時序有簡單的點對點和較復雜的同步并行等。同步模式中的時序由 ECU 使用電壓調制同步脈沖啟動。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
連接加速計的最簡單方法是使用直接點對點連接。在該模式中，ECU 為周期性傳輸數據的傳感器供電。數據傳輸的時序和重復率由傳感器控制。
當包含多個傳感器（例如，同一封裝中的溫度、壓力或多軸加速傳感器）的傳感器集群直接連接時，則為與點對點連接相關的多通道集群模式。該連接能夠以同步或異步時序模式實現。來自不同傳感器的數據可以被多路復用，或者如此處所示，合并成同一數據包內的兩個不同數據段。
同步模式中的時序由 ECU 使用電壓調制同步脈沖啟動。
并行連接將每個傳感器分布于總線上。通過來自 ECU 的同步信號開始數據傳輸。然后，每個傳感器按其相應的指定時隙發送其數據。
在菊花鏈配置中，傳感器沒有固定地址，可以連接到總線上的任意位置。在啟動期間，每個傳感器接收單獨的地址，然后將電源電壓傳遞給后續傳感器。從 ECU 到傳感器的雙向通信使用稱為尋址序列的特定同步信號模式來完成尋址。在分配了各個地址之后，傳感器響應 ECU 產生的同步脈沖，開始按其相應時隙發送數據。
總結
設計人員需要在車輛上增加更多傳感器以提高車輛的安全性。如本文所述，PSI5 總線為連接多個傳感器提供了一種高度可靠且可互操作的方法，此方法在物理配置和數據包結構方面均具有靈活性。
工商網監
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