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2024年3月2日发(作者：世界500强企业排名中国有多少)
雨量光线传感器接口芯片MLX75308及其应用∗
韩芝侠;马鸣
【摘 要】随着光电技术、集成电路技术和检测控制技术的飞速发展,将雨量光线传感器RLS应用在汽车上从而实现雨刷自动刮水和车前灯自动控制等是近年来汽车传感器应用中的研究热点。重点介绍了德国Melexis公司研发的雨量光线传感器专用接口芯片MLX75308,以其为主控元件设计了 RLS模块实现方案,并对其工作原理加以陈述。该方案可满足雨量光线检测在汽车应用方面的智能化、集成化、可靠性高和成低本的国产化研发和生产的需要,具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。%With the rapid development of photoelectric technology,integrated
circuit technology and test control tech-nology,it is a hot spot in the way
of automobile sensor application in recent years that rain light sensor is
applied to realize the automatic control of windscreen wiper and
paper focused on the rain light sensor interface chip
MLX75308,which was researched and developed by German Melexis
it as the main control component, RLS module
implementation scheme was designed,and its working principle was
scheme can realize the in-telligence,integration,reliability
and lower cost of local research and development and production of the
rain light detection in the automobile has a huge market potential
and broad application prospects.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】4页(P77-79,80)
【关键词】雨量传感器;光照传感器;微控制器;接口芯片;MLX75308
【作 者】韩芝侠;马鸣
【作者单位】宝鸡文理学院 电子电气工程系，陕西 宝鸡 721016;宝鸡文理学院 电子电气工程系，陕西 宝鸡 721016
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212.9
汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，现代汽车正由一个单纯交通工具朝着安全、舒适、方便及无污染的方向发展[1-2]。当前，汽车电子己成为汽车工业发展的核心技术，据预测，未来汽车电子产品的费用将占整车费用的30%以上，汽车行业70%的革新将来源于汽车电子，而传感器是其关键的基础配套产品[3]。20世纪60年代，汽车上仅有机油压力、油量和水温等传感器，现在，一辆普通家用轿车上安装的传感器也有几十到近百只，而豪华轿车上的传感器数量可多达二百多只[4]。随着对安全与智能型车辆系统需求的增加，车用传感器的需求将大幅度提升。
汽车雨量传感器RS(rain sensor)也被称为车用感雨传感器，是汽车智能雨刮功能的核心部件；光照传感器LS(light sensor)也称环境光传感器，是汽车自动灯光功能的核心部件；将雨量传感器与光照传感器集成于一体称为雨量光线传感器RLS(rain light sensor)，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和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。
德国Melexis公司研发设计的MLX75308是一款专门针对RLS系统的传感器接口芯片，有2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。芯片对光敏电流做模数转换，然后把雨量和日光信号通过四线SPI传输到MCU，四线SPI也允许两线通信。
1.1 MLX75308芯片
MLX75308 内部集成了2个雨量通道补偿电路，免去了复杂的软件算法，有效地避免了雨刷误刮的产生；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；集成了稳压芯片和温度传感器,从而具有自诊断功能；具有数字通信接口SPI。
MLX75308中2个独立的线性雨量测量通道能够同时或单独操作，典型的雨量电流值为1～100 uA，电流大小依赖于所用的光学元件、挡风玻璃类型、红外发光二极管(LED)和光电二极管(PD)，通常1个通道连接1个PD，但是当1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，而当然昂贵的光电二极管(PDs)比其执行得要好，但成本高出很多,MLX75308可以弥补这个缺陷，用便宜的光电二极管实现良好的性能。
传感器上有3个对数外界通道，其对数输出曲线被用来覆盖1个大的动态范围(从明亮的太阳下到黑夜)。其中2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,2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，第3个通道被用于控制仪表盘或前面灯的显示亮度。
1.2 MLX75308的特点和优点
1)MLX75308是一款专门设计用于高要求的RLS模块接口芯片。
2)提供了一个很大的可编程动态范围，允许元件接受较大范围的输入信号。
3)提供灵活和多功能的数字SPI接口，拥有强大的编程能力和简单易用的16位ADC输出。
4)对大的日光影响和低成本光敏二极管的寄生二级效应有内部补偿作用，雨量和日光都在16位的基础上测量和补偿。
5)内部预驱可以适用大的动态范围，外部的FET管允许大峰值电流使SNR最大化，从而允许使用低成本的光敏二极管。
6)内诊断和内部看门狗确保系统工程师可以设计自动防故障雨刮系统。
7)有2个雨量通道和3个环境光通道，允许RLS系统连接任何的光敏二极管，可以实现较好的系统性能和较低的成本。
8)3.3 V电源电压，睡眠和待机模式，MLX75308提供给不同车型的RLS系统最大的灵活性和低功耗模式。
9)QFN4x4为无铅封装，实现了RSL应用的最小引脚、最少的外部元件和控制单元成本。
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高达1 A的电流，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求一统多用的解决方案。
2.1 硬件电路设计方案
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。调节电池电压以提供给微控制器、MLX75308以及模块上的其他元件。微控制器(ECU)是决策者，它需要在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，它与MLX75308的通信通过SPI实现，对微控制器没有特殊要求，一般采用常见的16位ECU即可满足汽车级设备应用。MLX75308是该模块的核心，它与所有的光学元件相连接，提供雨量和光线数据给ECU； MLX75308控制LED驱动管和光电二极管(Photodiode，简称PD)；LED和PD的选择依赖于许多因素；MLX75308有一个技术指标叫光学传输率(OTR)，OTR=ILED/IRainPD,MLX75308支持的光学传输率范围比较大(从30到80 000)大小取决于挡风玻璃的透明度、用于聚焦LED光的光学元件、PD的灵敏度和LED的辐射强度等。
2.2 RLS模块工作原理
RLS模块工作的基本原理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，自动设定雨刮器工作的时间间隔，从而控制雨刮器动作的速度[5]。其工作原理和过程如图2所示。雨量传感器为相对量测量，在玻璃外表面干燥的情况下，认为红外LED管发射的高强度光脉冲平行入射到挡风玻璃上后被
100%反射回来，通过光学元件汇聚后由接收管接收，并在其内部产生电流[6]。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光的强度，在这种情况下，光的强度通常比较高。
当挡风玻璃外表面有雨滴时，入射到挡风玻璃上的光线被部分散射掉，反射后接收管的光线变少，雨量越大则反射回来的光线越少。通过与挡风玻璃干燥情况下接收光强的比较，就可以得出目前挡风玻璃上雨滴的大小和多少，进而判断出不同的下雨模式，从而发出刮水请求至车身控制器，控制雨刮器完成间歇刮水、低速连续刮水以及高速连续刮水。
MLX75308的一个作用就是控制LED驱动，转换光电二极管电流为数字形式，该数据被发送到微控制器，以判断是否下雨，雨刮速度应设定多少。
2.3 MLX75308解决RLS模块系统遇到的挑战
RLS模块系统最大的一个挑战是光电二极管接收到的不仅有LED光，还有日光，定时也会感应出电流，日光的变化被理解为挡风玻璃上突发降雨，导致雨刮误动作。用离散解去区分这2种类型的激励是相当困难的，采用特殊的光学器件或机械解决方案可以将日光变量去除掉。当日光信号比雨量信号强很多时，微量的日光信号足以完全淹没雨量模拟信号，可以采用复杂软件去调整；然而，一旦雨量信号中混有日光成分，要把它们分割开来几乎是不可能的。MLX75308可以把日光信号从雨量信号中滤除掉，有下述2种非常有效的途径：1)MLX75308抑制雨量信号中的日光信号，产生非常精确的雨量信号；2)芯片可以测量雨量和日光信号并作为2个独立值发送信息到微控制器，收到的这2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他原因的一个有用值，比如微控制器根据日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。
2.4 RLS模块安装
安装RLS模块时，将光学元件通过硅胶垫粘贴在前挡风玻璃的内侧，通常在内视镜支架座的下方。发射管和接收管在雨量光线传感器的PCB板上，传感器通过机械锁止机构固定在光学元件上[7]。通常，光学元件、传感器和内视镜支架会由一装饰盖整个包住，从乘客舱内看不出任何区别，在视觉上不会对驾驶员造成任何影响。
RLS利用精密的光学传感器和先进的电子器件将雨量大小转换为电子信号，同时采用模拟信号处理技术、模式识别技术和预测控制算法，能够实时检测、分析、判断和给车身控制单元发出控制雨刮器刮水频率或工作模式的信号，使得汽车前挡风玻璃时刻处于干燥清洁状态，增加驾驶员的可见度，保证其集中精力专心开车，减少了事故隐患，增强了驾车的舒适感；同时，RLS检测车外整体环境光线强度和车辆行驶正前方的光线情况，避免了雨刮误动作。RLS提供的降水状态和光照度状态信
息还可用于实现其他拓展功能，例如车外整体环境光线强度降低到一定程度后或车辆行驶进入隧道或地下停车场前，能够自动发出开起行车大灯的信号；外部光线昏暗或过分刺眼时，自动调节车内仪表背光灯亮度；下雨时，自动关闭车辆天窗或门窗等，这方面研究技术得到了越来越多的市场关注。
国外汽车RLS推广应用时间长，产品技术成熟度高，而国内研发投入少，开发出的RLS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，所以本研究项目具有一定的实际意义，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。
* 宝鸡市科技局工业攻关资助项目(13KG3-6) 宝鸡文理学院重点学科资助项目(ZK12021)
【相关文献】
[1] 赵岩,王哈力,蒋贵龙,等. 汽车智能雨刷系统的设计[J].电子科技, 2007(2):70-72.
[2] 斐京礼.汽车传感器的发展历程、应用现状及未来[J]．农业装备与车辆工程, 2005(1)：12-14.
[3] 刘海陵.红外感雨器的设计与实现[D]. 南京：南京信息工程大学, 2005.
[4] 陈劲松,程文波.汽车雨量传感器相关问题探讨[J].硅谷, 2010(12):58.
[5] Dale M,陈亚男，韩建保．雨水感应式雨刷系统最新技术[J]. 汽车维修与保养, 2008(1):68-69.
[6] 郭剑鹰．车用雨量传感器应用[J]．汽车电器, 2008(11):27-28,31.
[7] 郭剑鹰．雨量传感器产品综述[J]．汽车电器, 2007(11):1-3.
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