专利名称：一种esp惯性传感器组合的制作方法
技术领域：
本实用新型属于汽车电子产品应用领域，具体地说涉及一种ESP惯性传感器 组合。
背景技术：
随着人们对车辆安全性能要求的不断提高，主动安全装置起着越来越重要 的位置。吸能车身、安全气囊、安全带只能解决意外事故后的问题，因此这些 系统都只是被动安全系统。随着现代轿车技术的发展，车辆的主动安全性也大 有提高，同时也开辟了汽车电子的新市场。主动安全的作用，就是要最大限度 地防止事故。
ESP (Electronic Stability Program)系统是德国博世公司(Bosch) 1995年推 出的意为"车辆电子稳定系统"，它包含了ABS和TCS，因此它能防止车轮在制 动时抱死(ABS)，在启动时打滑(TCS)。 ESP系统按照每秒25次的频率检测 驾驶员的行驶意图和车辆的实际行驶情况。如果发现有紧急情况，它迅速反应， 通过液压调节器，调节每个车轮的制动压力，如有可能，还会干预发动机和传 动系统。ESP能降低车辆侧滑的危险，从而降低事故的发生。据统计，有25。％ 导致严重人员伤亡的交通事故是由侧滑引起的，而更有60%的致命交通事故是 因侧面撞击而引起的，其主要原因就是车辆发生了侧滑，因此，能有效降低车 辆侧滑危险的ESP系统能显著降低交通事故的数量从而拯救生命。
到2001年底，博世公司已为全球提供了 500万套ESP系统，全球共有800 多万辆车辆上安装了 ESP系统。目前国外，特别是欧洲，越来越多的车型已将 ESP系统作为其标准配置，欧盟地区的新车ESP装备率已达35M，在美国，汽车上ESP配置率达到11%;在日本，ESP配置率也达到了 7%。国内一些中高档 车型也逐渐将其作为标准配置，2004年，中国新车的ESP系统装备率达到3M。 随着人们对车辆安全性的要求日益提高，相信ESP将如同今日的ABS系统一样， 成为车辆的标准装备。
在ESP系统中使用的传感器有车辆横摆角速度传感器、横向加速度传感器、 方向盘转角传感器、轮速传感器等，它们都是ESP中不可缺少的重要部件。提 高他们的可靠性并降低成本一直是这方面的开发人员追求的目标。
传统ESP系统多采用机电式传感器，机电式传感器体积较大，并且成本高。 随着微机电系统(MEMS)技术的发展，价格低廉的MEMS加速度和角速度传 感器的出现，为ESP的广泛应用创造了一定的条件。但目前MEMS传感器(如 MEMS角速度传感器和MEMS加速度传感器)的性能，特别是精度及批量一致 性还比不上传统的机械传感器，限制了其在高性能场合的应用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种ESP惯性传感器组合，以达到降 低ESP惯性传感器组合的成本，提高产品一致性，促进ESP系统的广泛应用的
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为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是一种ESP惯性传感器组合， 包括与各电路相连接的电源，其特征在于所述的传感器组合由MEMS角速度 传感器、MEMS加速度传感器、过压/反压保护电路、单片机和D/A数模转换电 路构成；MEMS角速度传感器的信号输出端、MEMS加速度传感器的横向信号 输出端和纵向信号输出端分别与单片机的输入端相连接，单片机的一输出端通 过D/A数模转换电路、过压/反压保护电路输出横摆角速度信号和横向加速度信号，单片机另一输出端选择性通过D/A数模转换电路、过压/反压保护电路输出 纵向加速度信号；所述的单片机，用于预烧写主程序，串口写调整参数实现标 定测试后的参数装订，通过MEMS角速度传感器和MEMS加速度传感器内置的 温度传感器采集温度信息，在单片机内实现-45 °C +85°C全温度范围内精度补 偿。惯性传感器组合为ESP系统提供车辆实时的角速度和加速度信息，帮助汽 车稳定控制。
一种ESP惯性传感器组合，所述的电源通过过压/反压保护电路与MEMS角 速度传感器和MEMS加速度传感器的电源端相连接。在+5V电源下工作，过压 保护电路可以在电源出现较大波动时保护惯性传感器组合损坏，过压/反压保护 电路采用美国Tyco Electronics公司的PolyZen微型集成保护模块——聚合物保 护的齐纳二极管，具有价格低、自动复位等特点，使得传感器组合能承受5V电 源反接和16V过压而不损坏。
一种ESP惯性传感器组合，其特征在于所述的角速度传感器为MEMS陀 螺仪，加速度传感器为MEMS加速度计。
一种ESP惯性传感器组合，所述的单片机采用Microchip公司的PIC16系列。
一种ESP惯性传感器组合，由于釆用上述结构，与现有技术相比，具有以 下优点；(1)选择采用MEMS角速度传感器和MEMS加速度传感器，为ESP 系统提供角速度和加速度信息，与传统的机电式传感器和压电式传感器相比， 具有成本低、体积小、环境适应性好等特点。(2)采用单片机和D/A数模转换 输出方案，方便进行批量补偿， 一致性好。单片机预烧写主程序，串口写调整 参数实现标定测试后的参数装订，标定后性能一致性优于1%。 (3)对传感器组 合的电气接口采用PolyZen微型集成保护模块——聚合物保护的齐纳二极管实 现过压/反压保护，具有价格低、可自动复位等特点，使得传感器组合能承受5V电源反接和16V过压而不损坏。以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明；
图1为ESP惯性传感器组合提供的角速度和加速度信息； 图2为ESP惯性传感器组合结构示意图； 图3为MEMS加速度传感器工作原理； 图4为MEMS角速度传感器工作原理； 图5为图2所示的过压/反压保护电路连接示意图， 图6为ESP惯性传感器组合补偿调整方法框在图2、图5中，1、单片机；2、 MEMS角速度传感器；3、 MEMS加速度 传感器；4、 D/A数模转换电路；5、过压/反压保护电路。
具体实施方式
本实用新型的实施例ESP惯性传感器组合采用MEMS角速度传感器和 MEMS加速度传感器，惯性传感器组合提供汽车电子稳定程序系统所需要的所 有加速度和角速度信息，与传统分立的横向加速度传感器与角速度传感器相比, 具有集成度高、可靠性高、成本低、安装简单等优点。如图1所示，采用单轴 MEMS角速度传感器提供汽车的横摆角速度信息，采用双轴MEMS加速度传感 器提供汽车的横向(x向)和纵向(y向)加速度信息。
如图2所示， 一种ESP惯性传感器组合，包括与各电路相连接的电源，其特 征在于所述的传感器组合由角速度传感器2、加速度传感器3、过压/反压保护 电路4、单片机1和D/A数模转换电路5构成；角速度传感器2的信号输出端、加速 度传感器3的X向信号输出端和Y向信号输出端分别与单片机1的输入端相连接，单片机1的一输出端通过D/A数模转换电路5、过压/反压保护电路4输出横摆角速 度信号和X向加速度信号，单片机1另一输出端选择性通过D/A数模转换电路5、 过压/反压保护电路4输出Y向加速度信号；所述的电源通过过压/反压保护电路4 与角速度传感器2和加速度传感器3的电源端相连接。
如图5所示，对ESP惯性传感器组合的电气接口采用PolyZen微型集成保护模 块——聚合物保护的齐纳二极管实现过压/反压保护电路4，具有价格低、可自动 复位等特点，使得传感器组合能承受5V电源反接和16V过压而不损坏，特别适 合汽车电源使用，汽车电源提供的+5V电源标称电压为4.75V 5.25V，但会由于 继电器等其他电子系统的工作，产生感应尖峰电压。同时在使用过程中，汽车 供电装置易受到蓄电池链接错误和蓄电池双倍电压跳跃启动操作的影响，要求 汽车电子设备具有过压/反压保护功能，并具有较强的瞬态抑制能力。Polyzen器 件是专门设计用来帮助实现对感应式尖峰电压的钳位和平滑处理，将过余的功 率分流至接地点，排除了发生供电错误导致电路损坏的可能性。
微机电系统(MEMS)技术是近年来发展的一项高新技术，其加工采用先 进的半导体工艺技术，在体积、质量、价格、功耗及可靠性等方面具有十分明 显的优势，在航空航天、军事、生物医学、汽车等行业得到了广泛应用。
本专利实用新型的ESP惯性传感器组合附图2中的虚框内为根据系统需求可 选配部分。ESP惯性传感器组合主要由MEMS角速度传感器2、 MEMS加速度 传感器3、过压/反压保护电路4、单片机1和D/A数模转换电路5等五部分组 成，原理简单可靠。采用单片机补偿方案，提高了精度和批量一致性，使得低 成本MEMS加速度传感器和角速度传感器能够应用到ESP系统中，MEMS角速 度传感器2和MEMS加速度传感器3可选用常见的商业化产品。MEMS角速度 传感器2为MEMS陀螺仪，MEMS加速度传感器3为MEMS加速度计。采用MEMS陀螺仪和MEMS加速度计为ESP系统提出供角速度和加速度信息，成本 较低。
MEMS加速度传感器的工作原理见附图3，检测质量在受到加速度时会产 生形变，可通过测量形变得到检测质量受到的加速度大小。
MEMS角速度传感器的工作原理框图见附图4， MEMS角速度传感器一般 有两个相互垂直的振动模态， 一个是驱动模态方向，另一个是由科里奥利力引 起的检测模态方向。工作时，首先驱动检测质量沿X方向做正弦振动
x(t)=Ax sin( " t) ................................. (1)
其中A,和w分别为驱动振动的振幅和圆频率，当检测质量M受到Z方向 角速度Q时，检测质量将受到Y方向的科里奥利力的作用。科里奥利力Fc(t)的 大小为-
Fc(t)=2MAxQw cos("t) ........................... (2)
受此周期性科里奥利力的作用，检测质量将沿Y方向作简谐振动，检测出振 动的大小即可检测出角速度Q的大小。
汽车电源提供的+5V电源标称电压为4.75V 5.25V，但会由于继电器等其他 电子系统的工作，会产生感应尖峰电压。同时在使用过程中，汽车供电装置易 受到蓄电池连接错误和蓄电池双倍电压跳跃启动操作的影响，要求汽车电子设 备具有过压/反压保护功能，并具有较强的瞬态抑制能力。因此本专利实用新型 的ESP惯性传感器组合电路中采用tyco公司的PolyZen微型集成保护模块——聚 合物保护的齐纳二极管实现过压/反压保护，其工作见附图5。 PolyZen器件具有 价格低、可自动复位等优点，使得传感器组合能承受5V电源反接和16V过压而 不损坏，特别适合汽车电源使用，Polyzen器件是专门设计用来帮助实现对感应 式尖峰电压的钳位和平滑处理，将过余的功率分流至接地点，排除了发生供电错误导致电路损坏的可能性。
ESP惯性传感器组合对外采用接插件连接，由ESP系统控制电路提供+5V电 源和电源地，同时传感器组合提供角速度和加速度信息给ESP系统控制电路，信 息提供方式为三路模拟电压信号。针对低成本MEMS传感器一致性较差的特点， ESP惯性传感器组合调整电路采用单片机和D/A数模转换输出方案，方便进行批 量补偿， 一致性好。采用单片机l预烧写主程序，串口写调整参数实现标定测试 后的参数装订，未经标定的传感器性能不一致超过10%，标定后性能一致性优于 1%，完全满足系统的精度要求。
如图6所示，为提高ESP惯性传感器组合的一致性和温度环境适应性，对ESP 惯性传感器组合进行静态测试、动态测试和温度模型测试后，进行参数补偿， ESP惯性传感器组合中角速度传感器功能测试由室温下(25°C)的从-75° /s +75° /s(角速度增量为157s)的转台试验完成。加速度传感器试验由室温下(25 °C)的从-1.7g +1.7g (加速度增量为0.34g)的离心试验完成。角速度传感器的 温度测试由-4(TC、 25。C和85。C三种温度环境下的从-75。/s +757s (角速度增量 为15。/s)的转台试验完成。加速度传感器的温度测试由-4(TC、 25'C和85。C三种 温度环境下的从-1.7g +1.7g (加速度增量为0.34g)的离心试验完成。对测试结 果进行线性拟合得到加速度传感器和角速度传感器的零位输出KO、灵敏度K1 、 零位的温度系数KOt和灵敏度的温度系数Klt。温度补偿利用MEMS角速度传感 器内置的温度传感器采集温度信息，在单片机1内实现-45。C +85'C全温度范围 内精度补偿。以角速度传感器为例，角速度传感器的温度补偿公式见公式3， MEMS加速度传感器的温度补偿方法与MEMS角速度传感器的温度补偿完全一 致。
Vou尸Ko (l+Kot*t) +K! (1+Klt*t) * Q.................. (3)其中V。ut~—温度补偿后输出；
Ko "~~角速度传感器零位输出；
K,——角速度传感器灵敏度；
K0t——角速度传感器零位的温度系数；
Kit——角速度传感器灵敏度的温度系数；
T——温度传感器输出；
Q——输入角速度。 ESP惯性传感器组合中使用的单片机l采用MicrocWp公司的PIC16系列单片 机，PIC16系列单片机具有出货量大、成本低的特点，单片机自带高精度内部振 荡器，数据保持时间可超过40年，支持SPI和fC接口。 D/A数模转换芯片选用 Microchip公司的MCP4921/4922，采用SPI接口，具有12位精度。
ESP惯性传感器组合，实现了高集成度、低成本、易于调整和批量生产。 上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现 并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的 各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于 其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种ESP惯性传感器组合，包括与各电路相连接的电源，其特征在于所述的传感器组合由MEMS角速度传感器(2)、MEMS加速度传感器(3)、过压/反压保护电路(4)、单片机(1)和D/A数模转换电路(5)构成；MEMS角速度传感器(2)的信号输出端、MEMS加速度传感器(3)的横向信号输出端和纵向信号输出端分别与单片机(1)的输入端相连接，单片机(1)的一输出端通过D/A数模转换电路(5)、过压/反压保护电路(4)输出横摆角速度信号和横向加速度信号，单片机(1)另一输出端选择性通过D/A数模转换电路(5)、过压/反压保护电路(4)输出纵向加速度信号；所述的单片机(1)，用于预烧写主程序，串口写调整参数实现标定测试后的参数装订，通过MEMS角速度传感器(2)和MEMS加速度传感器(3)内置的温度传感器采集温度信息，在单片机内实现-45℃～+85℃全温度范围内精度补偿。
2、 根据权利要求1所述的一种ESP惯性传感器组合，其特征在于所述的 电源通过过压/反压保护电路(4)与MEMS角速度传感器(2)和MEMS加速 度传感器(3)的电源端相连接。
3、 根据权利要求1或2所述的一种ESP惯性传感器组合，其特征在于所 述的MEMS角速度传感器(2)为MEMS陀螺仪，MEMS加速度传感器(3) 为MEMS加速度计。
4、 根据权利要求1所述的一种ESP惯性传感器组合，其特征在于所述的 单片机(1)采用Microchip公司的PIC16系列。
专利摘要本实用新型公开了一种ESP惯性传感器组合，包括与各电路相连接的电源，其特征在于所述的传感器组合由MEMS角速度传感器、MEMS加速度传感器、过压/反压保护电路、单片机和D/A数模转换电路构成；MEMS角速度传感器的信号输出端、MEMS加速度传感器的横向信号输出端和纵向信号输出端与单片机的输入端相连接，单片机的一输出端通过D/A数模转换电路、过压/反压保护电路输出横摆角速度信号和横向加速度信号。由于采用上述结构，具有以下优点；(1)采用MEMS角速度传感器和MEMS加速度传感器，为ESP系统提供角速度和加速度信息，与传统的机电式传感器和压电式传感器相比，具有成本低、体积小、环境适应性好。(2)采用单片机和D/A数模转换输出方案，方便进行批量补偿，标定后性能一致性优于1％。
文档编号G01P15/00GK201405839SQ20092017196
公开日2010年2月17日 申请日期2009年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者群 卫 申请人:群 卫