新型车用雨量光照传感器系统设计方案

目前，随着汽车智能化程度的日益提高，越来越多的传感器被安装在汽车上以增加驾驶的安全性、便捷性和舒适性。汽车雨量传感器(Rain Sensor，RS)是汽车智能雨刮系统的核心部件；光照传感器(Light Sensor，LS)是汽车自动头灯功能的核心部件，将雨量传感器与光照传感器集成于一体称为雨量光照传感器(Rain Light Sensor，RLS)，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RLS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以及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。

通常汽车配备雨刮器用于消除挡风玻璃上的雨水、雾气等以保证玻璃透明清晰，给司机一个有效的视野。传统的雨刮器均由驾驶者来控制，在行驶过程中进行操作容易分散其注意力，造成安全隐患。现在，某些中高档轿车上虽然己经配备了红外自动感雨装置，但由于价格昂贵，难以向中低档轿车普及。在中国市场，由于材料、电子芯片的供货及试验经费和试验环境等技术原因制约，车用红外雨量传感器还没有被一些专业厂商真正进入专注研发和大批量生产阶段，基本上全是依赖国外进口，导致价格相对偏高；即使有了一些较成功的设计方案和产品，但因电路和结构设计复杂、生产制造成品率低，从而制约了其发展；更主要的是一些配备了自动雨刮的车主反映该功能并不好用，摸不清规律，经常出现有水不及时刮，很少雨点却刮得很快的情况，甚至在汽车穿越树阴时也会进行刮刷动作。所以自主研发将雨量光照合二为一的新型传感器系统，以消除雨刮误动作，保证其准确、快速、可靠工作及优化方案设计，提高成品率，降低设计和制造成本是本文研究意义所在。

1 基于MLX75308的新型雨量光照传感器系统设计方案

1.1 传统的车用雨量传感器设计方案

国内用于自动雨刮的车用雨量传感器传统设计方案存在以下问题：发射电路主要由红外发射管、555定时器和电阻、电容等元件组成，由555组成的多谐振荡器发出一定频率脉冲波去驱动LED发射管发光；接收电路通常由光接收管、放大电路、带通滤波器和检波电路等组成。突出特点是电路结构较为复杂，用到的分立元件多，导致电路工作可靠性变差。虽然接收电路随后又改为红外专用集成接收芯片，如TK1838，使接收部分的体积小了一些，可靠性提高了一点，但是由于对雨量信号的监测没有考虑到外部光线的影响，所以不可避免的存在当汽车穿越树荫等光线变化比较明显的情况下导致的误刮动作，造成抗干扰能力不足，更谈不上在傍晚和进入隧道及车库等光线弱的地方时，汽车能自动开启仪表灯和近光灯等，缺少驾驶的安全性和便捷性。

1.2 MLX75308雨量光照传感器接口芯片介绍

德国Melexis公司研发设计的MLX75308是一款专门针对高要求的RLS模块接口芯片，有两个独立的线性雨量传感器通道和3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A/D转换，然后把雨量和日光信号通过数字通信接口SPI传输到MCU。由于其内部集成了两个雨量通道补偿电路，免去了复杂的软件算法，有效的避免了雨刮误动作；由于集成了3个环境光检测模块，对光学系统具有高度适应性；集成了LED驱动芯片，免去了复杂的外围电路；集成了稳压芯片和温度传感器以具有自诊断功能。MLX75308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LED电流高达1 A，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要的一统多用的解决方案。

1.3 RLS系统设计方案

基于MLX75308设计的RLS系统组成框图如图1所示。RLS模块由3个主要元件组成：LIN收发器/电压调节器、微控制器以及雨量光照专用接口芯片MLX75308。LIN系统基础芯片连接RLS模块到汽车LIN网络，并调节电池电压以提供给微控制器、MLX75308以及模块上的其它元件。

图1：RLS系统组成框图

 
微控制器是系统的控制核心，通过UART串口与LIN总线收发器交换数据或指令，由LIN总线收发器与上级或其它相关单元通信，提供雨量光照系统的数据与指令，也接收相关单元发送来的数据或指令。同时微控制器通过SPI接口与MLX75308雨量光照传感器通信，将MLX75308的数据与指令采集到微控制器，再传送到LIN总线上。微控制器在MLX75308和LIN收发器之间通信，根据从MLX75308接口芯片接收的数据去决定是否有必要打开雨刮或头灯。

MLX75308是该模块的核心，它与所有的光学元件相连接，控制LED驱动管发射红外光和光电二极管(Photodiode，即PD)接收红外光，并提供雨量和环境光数据给微控制器。

2 核心模块单元电路设计

2.1 微控制器核心模块

文中设计采用的是飞思卡尔公司低成本、高性能8位微控制器MC9S08RD16，它的作用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，通过LIN通信，自动设定雨刮器工作的时间间隔，控制雨刮器动作的速度。雨量传感器为相对量测量，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的光强度，在这种情况下，光的强度通常比较高。当有雨滴落在挡风玻璃上时，部分红外线会因为雨滴的散射而丢失，导致红外光源接收器收到的红外线总量小于红外光源发射器发出的红外线总量。红外光源接收器将接收到的红外光线信号转化为模拟电压信号，通过数字信号控制器片上10位精度模拟数字转换单元，得到对应数字信号，结合由LIN总线上获得的挡风玻璃清晰度设定值等信息，共同送给MCU。微控制器与RLS接口芯片MLX75308、LIN处理器芯片MLX80030的连接关系如图2所示。

图2：微控制器核心模块电路

2.2 雨量光照接口电路

图3所示是雨量光照接口芯片及其外围电路。MLX75308中两个独立的线性雨量测量通道(Channel A和Channel B)能够同时或单独操作，典型的雨量电流值在1～100μA之间，电流大小依赖于所用的光学元件、挡风玻璃类型、LED发射管和光电二极管(PD)，通常一个通道连接一个PD，但是当一个通道上连接多个PD时就可以扩大挡风玻璃上的感光面积，从而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，昂贵的光电二极管(PDs)比便宜的执行得更好，但MLX75308可以弥补这个缺陷，用较为普通的光电二极管完成良好的性能。
 

图3：雨量光线接口芯片外围电路

 
传感器上有3个环境光对数外界通道(PDC、PDD和PDE)，其对数输出曲线被用来覆盖一个大的动态范围，从明亮的太阳下到黑夜。其中两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。大多数应用中两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，从而自动打开汽车头灯，由于有上方和前方的两个参照，所以不会在汽车从烈日下进入树荫下时错误打开车灯或雨刮；第三个通道被用于控制仪表盘或前面的显示亮度。

MLX75308的另一个作用就是控制LED驱动(LEDA、LEDB)，同时转换接收红外线的光电二极管电流为数字形式，这个数据被发送到微控制器，以判断是否下雨，雨刮速度应设定为多快。

2.3 红外发射和接收电路

发射模块的主要功能是为接收模块提供足够的红外光辐射通量，传统的设计方案是由555定时器驱动光源发出一定频率的红外光信号，缺点不言而喻：电路复杂，可靠性低。由于MLX75308内部集成了LED驱动芯片，免去了复杂的外围电路，设计时只需将其驱动输出端LEDA和LEDB接到开关管(Q1和Q2)的控制端，保证其饱和导通时，LED发射管(D2和D3)由于正向导通而发光。电路设计如图4左半部分所示，发射管采用欧司朗公司(OSRAM)的SFH4257作为光源，峰值波长λ为850 nm，带宽△λ<80 nm，具有高线性度、高可靠性、高脉冲处理能力等特点。

接收模块通常由一个红外接收管、带通滤波器和单片机等组成。由于红外接收管接收到的不仅有反射回来的LED光，还有日光，它也会感应出电流来，日光的变化可以被理解为挡风玻璃上突发降雨，结果导致雨刮误动作。这就是为什么有些装有自动雨刷的车主感觉其不太好用，摸不清规律，经常出现有水不及时刮、很少雨点却刮得很快的情况。MLX 75308能很好的解决这个问题，它既有雨量通道，又有环境光通道，一方面抑制雨量信号中的日光信号，产生非常精确的雨量信号，另一方面测量雨量和日光信号并作为两个独立值发送信息到微控制器，收到的这两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它原因的一个有用价值，比如微控制器根据目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。如图4右半部分所示为本设计的接收模块，采用欧司朗公司的硅光电二极管SFH203作为雨量通道和环境光通道的红外接收管，其峰值波长λ为850 nm，具有高线性度、高可靠性等特点。

图4：红外发射和接收电路

 
2.4 LIN通讯及电压调整电路

为了满足现代汽车采用CAN、LIN总线来构成总线式车身通讯系统的需要，文中所设计的自动雨刷控制系统使用LIN总线收发器MLX80030实现与汽车中控单元的通讯，从LIN总线上获得用户希望的挡风玻璃清晰度等信息，送给MCU进一步处理，同时，将雨刷系统的一些信息报告给汽车中控单元。如图5所示，MLX80030与MCU之间通过RXD、TXD、RESET和EN信号进行通讯。传感器系统一般都采用锂电池供电以减小产品体积，而发射电路需要12 V直流电源，接口电路和MCU等却需要3.3 V电源，所以如图5将电池电压通过整流滤波变成12 V直流电源，再通过MLX80030调整成3.3 V。

图5：LIN通讯及电压调整电路

 
3 结论

以控制器MC9S08RD16与LIN总线收发器MLX80030为控制与通信单元，设计完成的基于MLX75308接口芯片的新型雨量光照传感器，与传统的雨量传感器不同，可完成如下功能：降雨量检测功能：感知车外降雨量大小，可区分毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等不同雨情。配有雨量光照传感器的车辆可根据降雨强度自动调节雨刮刮刷频率，并通过灵敏度开关调整雨量光照传感器的感雨灵敏度。

光照条件检测功能：感知车外光照条件的明暗变化，可区分白天、黑夜、隧道、车库、桥洞等不同路况。配有雨量光照传感器的车辆可根据光线明暗和路况的变化，自动开启或关闭近光灯和位置灯。

可拓展功能：由雨量光照传感器提供的降水状态和光照度状态信息可用于实现其他拓展功能，例如：下雨时自动关闭车辆天窗或门窗；下雨时自动开启近光灯和位置灯；自动调节仪表背光灯亮度。

国外汽车RLS推广应用时间长，产品技术成熟度高，而国内开发出的RLS，研发投入少，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，所以本项目的研究具有较强的实际意义，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。

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