專利名稱：一種esp慣性傳感器組合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于汽車電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，具體地說涉及一種ESP慣性傳感器 組合。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)車輛安全性能要求的不斷提高，主動(dòng)安全裝置起著越來越重要 的位置。吸能車身、安全氣囊、安全帶只能解決意外事故后的問題，因此這些 系統(tǒng)都只是被動(dòng)安全系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代轎車技術(shù)的發(fā)展，車輛的主動(dòng)安全性也大 有提高，同時(shí)也開辟了汽車電子的新市場(chǎng)。主動(dòng)安全的作用，就是要最大限度 地防止事故。
ESP (Electronic Stability Program)系統(tǒng)是德國博世公司(Bosch) 1995年推 出的意為"車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)"，它包含了ABS和TCS，因此它能防止車輪在制 動(dòng)時(shí)抱死(ABS)，在啟動(dòng)時(shí)打滑(TCS)。 ESP系統(tǒng)按照每秒25次的頻率檢測(cè) 駕駛員的行駛意圖和車輛的實(shí)際行駛情況。如果發(fā)現(xiàn)有緊急情況，它迅速反應(yīng)， 通過液壓調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)每個(gè)車輪的制動(dòng)壓力，如有可能，還會(huì)干預(yù)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳 動(dòng)系統(tǒng)。ESP能降低車輛側(cè)滑的危險(xiǎn)，從而降低事故的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有25。％ 導(dǎo)致嚴(yán)重人員傷亡的交通事故是由側(cè)滑引起的，而更有60%的致命交通事故是 因側(cè)面撞擊而引起的，其主要原因就是車輛發(fā)生了側(cè)滑，因此，能有效降低車 輛側(cè)滑危險(xiǎn)的ESP系統(tǒng)能顯著降低交通事故的數(shù)量從而拯救生命。
到2001年底，博世公司已為全球提供了 500萬套ESP系統(tǒng)，全球共有800 多萬輛車輛上安裝了 ESP系統(tǒng)。目前國外，特別是歐洲，越來越多的車型已將 ESP系統(tǒng)作為其標(biāo)準(zhǔn)配置，歐盟地區(qū)的新車ESP裝備率已達(dá)35M，在美國，汽車上ESP配置率達(dá)到11%;在日本，ESP配置率也達(dá)到了 7%。國內(nèi)一些中高檔 車型也逐漸將其作為標(biāo)準(zhǔn)配置，2004年，中國新車的ESP系統(tǒng)裝備率達(dá)到3M。 隨著人們對(duì)車輛安全性的要求日益提高，相信ESP將如同今日的ABS系統(tǒng)一樣， 成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)裝備。
在ESP系統(tǒng)中使用的傳感器有車輛橫擺角速度傳感器、橫向加速度傳感器、 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、輪速傳感器等，它們都是ESP中不可缺少的重要部件。提 高他們的可靠性并降低成本一直是這方面的開發(fā)人員追求的目標(biāo)。
傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)多采用機(jī)電式傳感器，機(jī)電式傳感器體積較大，并且成本高。 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，價(jià)格低廉的MEMS加速度和角速度傳 感器的出現(xiàn)，為ESP的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了一定的條件。但目前MEMS傳感器(如 MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器)的性能，特別是精度及批量一致 性還比不上傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器，限制了其在高性能場(chǎng)合的應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種ESP慣性傳感器組合，以達(dá)到降 低ESP慣性傳感器組合的成本，提高產(chǎn)品一致性，促進(jìn)ESP系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用的
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為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種ESP慣性傳感器組合， 包括與各電路相連接的電源，其特征在于所述的傳感器組合由MEMS角速度 傳感器、MEMS加速度傳感器、過壓/反壓保護(hù)電路、單片機(jī)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電 路構(gòu)成；MEMS角速度傳感器的信號(hào)輸出端、MEMS加速度傳感器的橫向信號(hào) 輸出端和縱向信號(hào)輸出端分別與單片機(jī)的輸入端相連接，單片機(jī)的一輸出端通 過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、過壓/反壓保護(hù)電路輸出橫擺角速度信號(hào)和橫向加速度信號(hào)，單片機(jī)另一輸出端選擇性通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、過壓/反壓保護(hù)電路輸出 縱向加速度信號(hào)；所述的單片機(jī)，用于預(yù)燒寫主程序，串口寫調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo) 定測(cè)試后的參數(shù)裝訂，通過MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器內(nèi)置的 溫度傳感器采集溫度信息，在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)-45 °C +85°C全溫度范圍內(nèi)精度補(bǔ) 償。慣性傳感器組合為ESP系統(tǒng)提供車輛實(shí)時(shí)的角速度和加速度信息，幫助汽 車穩(wěn)定控制。
一種ESP慣性傳感器組合，所述的電源通過過壓/反壓保護(hù)電路與MEMS角 速度傳感器和MEMS加速度傳感器的電源端相連接。在+5V電源下工作，過壓 保護(hù)電路可以在電源出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)保護(hù)慣性傳感器組合損壞，過壓/反壓保護(hù) 電路采用美國Tyco Electronics公司的PolyZen微型集成保護(hù)模塊——聚合物保 護(hù)的齊納二極管，具有價(jià)格低、自動(dòng)復(fù)位等特點(diǎn)，使得傳感器組合能承受5V電 源反接和16V過壓而不損壞。
一種ESP慣性傳感器組合，其特征在于所述的角速度傳感器為MEMS陀 螺儀，加速度傳感器為MEMS加速度計(jì)。
一種ESP慣性傳感器組合，所述的單片機(jī)采用Microchip公司的PIC16系列。
一種ESP慣性傳感器組合，由于釆用上述結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以 下優(yōu)點(diǎn)；(1)選擇采用MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器，為ESP 系統(tǒng)提供角速度和加速度信息，與傳統(tǒng)的機(jī)電式傳感器和壓電式傳感器相比， 具有成本低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。(2)采用單片機(jī)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換 輸出方案，方便進(jìn)行批量補(bǔ)償， 一致性好。單片機(jī)預(yù)燒寫主程序，串口寫調(diào)整 參數(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定測(cè)試后的參數(shù)裝訂，標(biāo)定后性能一致性優(yōu)于1%。 (3)對(duì)傳感器組 合的電氣接口采用PolyZen微型集成保護(hù)模塊——聚合物保護(hù)的齊納二極管實(shí) 現(xiàn)過壓/反壓保護(hù)，具有價(jià)格低、可自動(dòng)復(fù)位等特點(diǎn)，使得傳感器組合能承受5V電源反接和16V過壓而不損壞。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；

圖1為ESP慣性傳感器組合提供的角速度和加速度信息； 圖2為ESP慣性傳感器組合結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為MEMS加速度傳感器工作原理； 圖4為MEMS角速度傳感器工作原理； 圖5為圖2所示的過壓/反壓保護(hù)電路連接示意圖， 圖6為ESP慣性傳感器組合補(bǔ)償調(diào)整方法框在圖2、圖5中，1、單片機(jī)；2、 MEMS角速度傳感器；3、 MEMS加速度 傳感器；4、 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；5、過壓/反壓保護(hù)電路。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)施例ESP慣性傳感器組合采用MEMS角速度傳感器和 MEMS加速度傳感器，慣性傳感器組合提供汽車電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)所需要的所 有加速度和角速度信息，與傳統(tǒng)分立的橫向加速度傳感器與角速度傳感器相比, 具有集成度高、可靠性高、成本低、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，采用單軸 MEMS角速度傳感器提供汽車的橫擺角速度信息，采用雙軸MEMS加速度傳感 器提供汽車的橫向(x向)和縱向(y向)加速度信息。
如圖2所示， 一種ESP慣性傳感器組合，包括與各電路相連接的電源，其特 征在于所述的傳感器組合由角速度傳感器2、加速度傳感器3、過壓/反壓保護(hù) 電路4、單片機(jī)1和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路5構(gòu)成；角速度傳感器2的信號(hào)輸出端、加速 度傳感器3的X向信號(hào)輸出端和Y向信號(hào)輸出端分別與單片機(jī)1的輸入端相連接，單片機(jī)1的一輸出端通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路5、過壓/反壓保護(hù)電路4輸出橫擺角速 度信號(hào)和X向加速度信號(hào)，單片機(jī)1另一輸出端選擇性通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路5、 過壓/反壓保護(hù)電路4輸出Y向加速度信號(hào)；所述的電源通過過壓/反壓保護(hù)電路4 與角速度傳感器2和加速度傳感器3的電源端相連接。
如圖5所示，對(duì)ESP慣性傳感器組合的電氣接口采用PolyZen微型集成保護(hù)模 塊——聚合物保護(hù)的齊納二極管實(shí)現(xiàn)過壓/反壓保護(hù)電路4，具有價(jià)格低、可自動(dòng) 復(fù)位等特點(diǎn)，使得傳感器組合能承受5V電源反接和16V過壓而不損壞，特別適 合汽車電源使用，汽車電源提供的+5V電源標(biāo)稱電壓為4.75V 5.25V，但會(huì)由于 繼電器等其他電子系統(tǒng)的工作，產(chǎn)生感應(yīng)尖峰電壓。同時(shí)在使用過程中，汽車 供電裝置易受到蓄電池鏈接錯(cuò)誤和蓄電池雙倍電壓跳躍啟動(dòng)操作的影響，要求 汽車電子設(shè)備具有過壓/反壓保護(hù)功能，并具有較強(qiáng)的瞬態(tài)抑制能力。Polyzen器 件是專門設(shè)計(jì)用來幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)式尖峰電壓的鉗位和平滑處理，將過余的功 率分流至接地點(diǎn)，排除了發(fā)生供電錯(cuò)誤導(dǎo)致電路損壞的可能性。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是近年來發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，其加工采用先 進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，在體積、質(zhì)量、價(jià)格、功耗及可靠性等方面具有十分明 顯的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、汽車等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。
本專利實(shí)用新型的ESP慣性傳感器組合附圖2中的虛框內(nèi)為根據(jù)系統(tǒng)需求可 選配部分。ESP慣性傳感器組合主要由MEMS角速度傳感器2、 MEMS加速度 傳感器3、過壓/反壓保護(hù)電路4、單片機(jī)1和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路5等五部分組 成，原理簡單可靠。采用單片機(jī)補(bǔ)償方案，提高了精度和批量一致性，使得低 成本MEMS加速度傳感器和角速度傳感器能夠應(yīng)用到ESP系統(tǒng)中，MEMS角速 度傳感器2和MEMS加速度傳感器3可選用常見的商業(yè)化產(chǎn)品。MEMS角速度 傳感器2為MEMS陀螺儀，MEMS加速度傳感器3為MEMS加速度計(jì)。采用MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)為ESP系統(tǒng)提出供角速度和加速度信息，成本 較低。
MEMS加速度傳感器的工作原理見附圖3，檢測(cè)質(zhì)量在受到加速度時(shí)會(huì)產(chǎn) 生形變，可通過測(cè)量形變得到檢測(cè)質(zhì)量受到的加速度大小。
MEMS角速度傳感器的工作原理框圖見附圖4， MEMS角速度傳感器一般 有兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)模態(tài)， 一個(gè)是驅(qū)動(dòng)模態(tài)方向，另一個(gè)是由科里奧利力引 起的檢測(cè)模態(tài)方向。工作時(shí)，首先驅(qū)動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量沿X方向做正弦振動(dòng)
x(t)=Ax sin( " t) ................................. (1)
其中A,和w分別為驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的振幅和圓頻率，當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量M受到Z方向 角速度Q時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量將受到Y(jié)方向的科里奧利力的作用?？评飱W利力Fc(t)的 大小為-
Fc(t)=2MAxQw cos("t) ........................... (2)
受此周期性科里奧利力的作用，檢測(cè)質(zhì)量將沿Y方向作簡諧振動(dòng)，檢測(cè)出振 動(dòng)的大小即可檢測(cè)出角速度Q的大小。
汽車電源提供的+5V電源標(biāo)稱電壓為4.75V 5.25V，但會(huì)由于繼電器等其他 電子系統(tǒng)的工作，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)尖峰電壓。同時(shí)在使用過程中，汽車供電裝置易 受到蓄電池連接錯(cuò)誤和蓄電池雙倍電壓跳躍啟動(dòng)操作的影響，要求汽車電子設(shè) 備具有過壓/反壓保護(hù)功能，并具有較強(qiáng)的瞬態(tài)抑制能力。因此本專利實(shí)用新型 的ESP慣性傳感器組合電路中采用tyco公司的PolyZen微型集成保護(hù)模塊——聚 合物保護(hù)的齊納二極管實(shí)現(xiàn)過壓/反壓保護(hù)，其工作見附圖5。 PolyZen器件具有 價(jià)格低、可自動(dòng)復(fù)位等優(yōu)點(diǎn)，使得傳感器組合能承受5V電源反接和16V過壓而 不損壞，特別適合汽車電源使用，Polyzen器件是專門設(shè)計(jì)用來幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng) 式尖峰電壓的鉗位和平滑處理，將過余的功率分流至接地點(diǎn)，排除了發(fā)生供電錯(cuò)誤導(dǎo)致電路損壞的可能性。
ESP慣性傳感器組合對(duì)外采用接插件連接，由ESP系統(tǒng)控制電路提供+5V電 源和電源地，同時(shí)傳感器組合提供角速度和加速度信息給ESP系統(tǒng)控制電路，信 息提供方式為三路模擬電壓信號(hào)。針對(duì)低成本MEMS傳感器一致性較差的特點(diǎn)， ESP慣性傳感器組合調(diào)整電路采用單片機(jī)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出方案，方便進(jìn)行批 量補(bǔ)償， 一致性好。采用單片機(jī)l預(yù)燒寫主程序，串口寫調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定測(cè)試 后的參數(shù)裝訂，未經(jīng)標(biāo)定的傳感器性能不一致超過10%，標(biāo)定后性能一致性優(yōu)于 1%，完全滿足系統(tǒng)的精度要求。
如圖6所示，為提高ESP慣性傳感器組合的一致性和溫度環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)ESP 慣性傳感器組合進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試和溫度模型測(cè)試后，進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償， ESP慣性傳感器組合中角速度傳感器功能測(cè)試由室溫下(25°C)的從-75° /s +75° /s(角速度增量為157s)的轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)完成。加速度傳感器試驗(yàn)由室溫下(25 °C)的從-1.7g +1.7g (加速度增量為0.34g)的離心試驗(yàn)完成。角速度傳感器的 溫度測(cè)試由-4(TC、 25。C和85。C三種溫度環(huán)境下的從-75。/s +757s (角速度增量 為15。/s)的轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)完成。加速度傳感器的溫度測(cè)試由-4(TC、 25'C和85。C三種 溫度環(huán)境下的從-1.7g +1.7g (加速度增量為0.34g)的離心試驗(yàn)完成。對(duì)測(cè)試結(jié) 果進(jìn)行線性擬合得到加速度傳感器和角速度傳感器的零位輸出KO、靈敏度K1 、 零位的溫度系數(shù)KOt和靈敏度的溫度系數(shù)Klt。溫度補(bǔ)償利用MEMS角速度傳感 器內(nèi)置的溫度傳感器采集溫度信息，在單片機(jī)1內(nèi)實(shí)現(xiàn)-45。C +85'C全溫度范圍 內(nèi)精度補(bǔ)償。以角速度傳感器為例，角速度傳感器的溫度補(bǔ)償公式見公式3， MEMS加速度傳感器的溫度補(bǔ)償方法與MEMS角速度傳感器的溫度補(bǔ)償完全一 致。
Vou尸Ko (l+Kot*t) +K! (1+Klt*t) * Q.................. (3)其中V。ut~—溫度補(bǔ)償后輸出；
Ko "~~角速度傳感器零位輸出；
K,——角速度傳感器靈敏度；
K0t——角速度傳感器零位的溫度系數(shù)；
Kit——角速度傳感器靈敏度的溫度系數(shù)；
T——溫度傳感器輸出；
Q——輸入角速度。 ESP慣性傳感器組合中使用的單片機(jī)l采用MicrocWp公司的PIC16系列單片 機(jī)，PIC16系列單片機(jī)具有出貨量大、成本低的特點(diǎn)，單片機(jī)自帶高精度內(nèi)部振 蕩器，數(shù)據(jù)保持時(shí)間可超過40年，支持SPI和fC接口。 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用 Microchip公司的MCP4921/4922，采用SPI接口，具有12位精度。
ESP慣性傳感器組合，實(shí)現(xiàn)了高集成度、低成本、易于調(diào)整和批量生產(chǎn)。 上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了示例性描述，顯然本實(shí)用新型具體實(shí)現(xiàn) 并不受上述方式的限制，只要采用了本實(shí)用新型的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的 各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本實(shí)用新型的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于 其它場(chǎng)合的，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種ESP慣性傳感器組合，包括與各電路相連接的電源，其特征在于所述的傳感器組合由MEMS角速度傳感器(2)、MEMS加速度傳感器(3)、過壓/反壓保護(hù)電路(4)、單片機(jī)(1)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(5)構(gòu)成；MEMS角速度傳感器(2)的信號(hào)輸出端、MEMS加速度傳感器(3)的橫向信號(hào)輸出端和縱向信號(hào)輸出端分別與單片機(jī)(1)的輸入端相連接，單片機(jī)(1)的一輸出端通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(5)、過壓/反壓保護(hù)電路(4)輸出橫擺角速度信號(hào)和橫向加速度信號(hào)，單片機(jī)(1)另一輸出端選擇性通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(5)、過壓/反壓保護(hù)電路(4)輸出縱向加速度信號(hào)；所述的單片機(jī)(1)，用于預(yù)燒寫主程序，串口寫調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定測(cè)試后的參數(shù)裝訂，通過MEMS角速度傳感器(2)和MEMS加速度傳感器(3)內(nèi)置的溫度傳感器采集溫度信息，在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)-45℃～+85℃全溫度范圍內(nèi)精度補(bǔ)償。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ESP慣性傳感器組合，其特征在于所述的 電源通過過壓/反壓保護(hù)電路(4)與MEMS角速度傳感器(2)和MEMS加速 度傳感器(3)的電源端相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種ESP慣性傳感器組合，其特征在于所 述的MEMS角速度傳感器(2)為MEMS陀螺儀，MEMS加速度傳感器(3) 為MEMS加速度計(jì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ESP慣性傳感器組合，其特征在于所述的 單片機(jī)(1)采用Microchip公司的PIC16系列。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種ESP慣性傳感器組合，包括與各電路相連接的電源，其特征在于所述的傳感器組合由MEMS角速度傳感器、MEMS加速度傳感器、過壓/反壓保護(hù)電路、單片機(jī)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成；MEMS角速度傳感器的信號(hào)輸出端、MEMS加速度傳感器的橫向信號(hào)輸出端和縱向信號(hào)輸出端與單片機(jī)的輸入端相連接，單片機(jī)的一輸出端通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、過壓/反壓保護(hù)電路輸出橫擺角速度信號(hào)和橫向加速度信號(hào)。由于采用上述結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)；(1)采用MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器，為ESP系統(tǒng)提供角速度和加速度信息，與傳統(tǒng)的機(jī)電式傳感器和壓電式傳感器相比，具有成本低、體積小、環(huán)境適應(yīng)性好。(2)采用單片機(jī)和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出方案，方便進(jìn)行批量補(bǔ)償，標(biāo)定后性能一致性優(yōu)于1％。
文檔編號(hào)G01P15/00GK201405839SQ20092017196
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
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