电子产品世界

摘要：本文介绍了ISO 26262的功能安全标准规定的与安全相关的汽车系统开发准则，以及这一准则对道路中行驶的车辆与安全相关的电子系统开发过程和设计中提出的要求，并就Allegro公司用于关键安全应用的角度传感器IC做了相应的介绍。

　　在过去几十年里，随着众多高科技企业和OEM厂商争相投入开发完全自动驾驶汽车的竞赛，汽车中电子产品的含量稳步增长，并且这种趋势没有减慢的信号。虽然自动驾驶的范围不同，从无控制至全面控制，目前可用的绝大多数汽车都包含具有某种程度的自动驾驶系统，比如电子稳定性控制(ESC)或车道居中(lane centering)。这些电子系统旨在协助驾驶者，并可为驾驶者做出越来越多的决定，甚至还将驾驶者从决策的过程中完全去除。这些系统通常增强了驾驶者和乘客的安全性。但是，如果它们出现故障或者具有设计缺陷，则可能引发事故。因此，这些功能为整个汽车供应链带来了全新的开发挑战。

ISO 26262的功能安全标准规定了安全相关的汽车系统开发准则

　　在2011年，国际标准化组织(ISO)发布了称作ISO 26262的功能安全标准，其中规定了行业最佳的与安全相关的汽车系统开发准则。虽然标准的采纳是自愿的，但世界各地大多数OEM厂商要求其供应商符合这一标准。延迟采纳这项标准的供应商有可能会在未来损失一些商业机会。

　　ISO 26262标准涵盖了道路中行驶的车辆与安全相关的电子系统开发过程和设计两方面的要求，这些要求是基于系统本身的危险性和风险评估。标准范围限于出现故障的电气或电子系统。因此，符合要求的系统必需能够识别其故障并减缓其影响，从而确保乘客的安全。鉴于这个原因，目前的安全体系很大程度上依赖于诊断和冗余，以便能够检测到出现故障的系统组件，并将系统过渡到安全状态。通常，这种要求需要IC元器件供应商把更多的内容集成到现有解决方案中，包括能够运行诊断和对其所处状态的通信能力。

　　现在以一个传感器IC系统为例来简单说明。由于该系统是一项与安全相关的功能，这个系统必须能够诊断传感器输出是否在正确的状态。根据系统的要求和风险，可以采用多种方式来完成这项任务。例如，可以把复杂的诊断电路和通信协议组合至传感器IC本身。作为替代方式，也可以在系统层面增加一个冗余传感器，无需在每个单一IC中提升其功能性或者通信诊断能力。冗余传感器输出以及彼此的比较可用作一种诊断标准。在安全工作条件下，两个传感器的输出应当始终在预定义的误差范围内。诊断和冗余这两种大不相同的方法都可满足系统要求，但是，在成本和选用完成任务的合适硬件(传感器组件)方面，却有着截然不同的影响。面向汽车市场的元器件供应商正在试图了解这些安全相关系统不断演进的要求以及折衷权衡，并且跟上发展的步伐，为客户提供易于集成的解决方案。

　　自从ISO 26262标准推出之后，以前被认为是“安全”的概念也在演进变化。例如，在较早的架构中，助力转向系统等的损失被认为是一个安全的事件。将系统功能的缺失定义为“安全”对于系统架构具有直接影响，该架构要求识别任何被认为是不安全的故障，并且减缓它们的影响。但是，带来助力转向系统损失的故障并不需要缓减，因而这就需要仅仅识别某些故障，而其它故障则无需识别，因而限制了安全性需要增加的功能，包括IC元器件的片上诊断功能。

　　随着业界认识到助力转向系统的缺失有可能带来体型较小成年人、无经验的驾驶者或者年长者的事故，之前被认为是安全的看法也发生了变化。汽车制造商现在要求，在安全相关系统失效时，它们还应该在某种程度上继续工作。这种“故障工作”或“故障容忍”要求对其所需的架构有着直接影响，系统必需包括各种水平的冗余，这取决于故障过后的性能是否会从标称性能减退。“故障容忍”系统代表着下一代安全相关系统。

　　工作系统故障的最直接结果是使用架构中的冗余系统功能，如果初始系统中出现故障，可以过渡到备份系统。为了满足这种需求，IC元器件供应商开始提供单一封装的双芯片和三芯片产品来支持冗余需求，但不会占据过多的物理空间。多芯片解决方案是一些IC供应商开发新技术来满足安全相关系统特定需求的一个示例。

　　虽然系统集成商和元器件供应商之间都在定制地进行研发工作，许多系统集成商也在使用根据特定系统而开发的商用(CTOS)元器件。元器件供应商对于这些不断演进的系统需求了解得越多，就能够更好地通过定义灵活产品线来满足系统需求，并使这些产品线具有合适的功能，可轻松实现系统集成，并为系统增值。使一款产品具有合适的灵活性很具有挑战性。太多的灵活性意味着可能具有用不到的功能，并会增大成本;不充足的灵活性则意味着一些所需的功能必须通过附加的元器件来实现，这也需要成本。一般情况下，功能性安全已经消除了元器件和系统之间定义的界限，所有系统组件必须共同工作，以满足整体系统需求。了解如何最好地在系统组件之间分配所需的功能是一种艺术，供应商正在努力了解和适应。一种发展趋势是以更小的占位面积实现更多的功能，这种发展趋势正在引领一些IC供应商在单一组件中集成两种完全不同的功能，从而为客户提供更为全面的解决方案。

　　展望未来，ISO 26262标准第二版的应用范围将会扩展到卡车、公共汽车和摩托车等，而且，这些市场的供应商将不得不考虑功能性安全领域的问题。随着业界接近实现自动驾驶的汽车，与安全性相关的供应商需要开发至少能够像人一样驾驶的汽车系统。这些系统必需依赖解读周围环境的无数感测元件，它们的开发不仅要关注出现故障的电子装置，还需要设计拥有足够高的敏锐度，以便在所有驾驶情况下都可满足安全需求。ISO组织中成立了新的委员会以专门处理这个议题(预期功能安全性或SOTIF)，这些对于系统和元器件所需的精确度都会有影响。

Allegro用于关键安全应用的角度传感器IC

　　Allegro MicroSystems作为霍尔传感器IC市场的领导厂商，通过参与ISO 26262技术委员会，正在积极回应这些不断演进标准的挑战，并且将密切关注ISO 26262第二版引入的变化。Allegro认为，安全性增加了准确通信以及与客户密切合作的安全性，以了解和适应其不断变化的需求。Allegro与战略客户的合作推动了各种汽车系统中有关未来安全需求的信息分享，通过这种协作开发合适的元器件，以满足安全相关系统不断变化的需求。

　　角度传感器IC经专门设计可用于关键的安全应用。除了在这些器件中设计的先进诊断功能之外，还有许多附加功能使得这些部件在市场中脱颖而出。

　　Allegro角度传感器IC采用了垂直霍尔圆形阵列(CVH)技术，能够提供与被检测磁信号相位相关的单信道输出，并且不受磁信号幅度变化的影响。这些角度传感器IC具有下列优势：

　　1)磁铁和 IC之间距离的变化(由于机械变化导致)对于角度精度具有极小的影响。如Allegro的A1335等第二代IC还包括片上磁场调节功能，进一步减小了磁场强度变化的影响。

　　2)可以使用强磁场(高达 1500 G)降低较小的散乱磁场的影响，这些散乱磁场可能来源于附近的电机、螺线管或高电流导线。

　　3)采用的垂直霍尔圆形阵列技术能够实现低迟滞(低至 10 µs)和高刷新率(快至2 µs)，是高速电机位置检测的理想方案。

　　通过把垂直霍尔的圆形阵列与片上EEPROM以及在数字域中计算和输出角度的后端数字信号处理技术集成在一起，能够最大限度地降低系统对于ECU的需求(比如无需高精度ADC资源)，并且所有敏感的模拟信号都是通过片上处理，而不需要经PCB或布线传输，因而能够降低噪声的影响。

　　Allegro的第二代IC器件A1335还支持多种数字输出协议，能够满足不同系统设计人员的需求。对于需要极高数据速率的马达控制等应用，这些器件支持具有高达10 MHz时钟速率的高速串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)协议。对于较低速度应用，这些器件还支持单线PWM 和SENT接口，可以最大限度地降低线束成本和重量。

　　Allegro能够提供用于轴端(end-of-shaft)和轴侧(side-shaft)磁场配置的角度传感器IC。对于轴侧磁场配置的支持能力可以极大地简化系统的机械设计，这是由于轴端并不总是容易实现的。轴侧应用对于大多数角度传感器也是一种挑战，原因在于切向磁场幅度与径向磁场幅度的不匹配。Allegro的A1335器件同时支持片上谐波线性化和分段线性化，可以校准由于失配造成的误差，实现高精度(小于 1°)，具体取决于在线性化方案采用的谐波或分段数目。

　　除了能够提供逻辑内置自检(Logic Built-In Self-Test, L-BIST)等先进诊断功能外，Allegro的角度传感器IC通常都可提供单晶片和双晶片配置。双晶片配置提供的冗余可帮助设计人员满足严苛的功能安全要求，而无需牺牲系统可用性，原因在于使用不同技术的传感器可能造成潜在的失配角度测量数据。这些器件使用小外形(1 mm厚)表面安装TSSOP封装，能够简化装配并提高可靠性。

　　与汽车安全相关的系统要求将会继续演进和扩展，这些系统的供应商必需主动了解新的发展趋势，并且备有企业基础架构，以便使其产品线能够顺利地适应这些演进和扩展。他们还必须积极进行新技术或新产品的创新，以期更好地服务于汽车安全市场。这将是一项战略性活动，对于所有层面供应商的市场份额都有着广泛的影响。请系好安全带，这将是一个疯狂的旅程。

本文来源于中国科技期刊必威娱乐平台 2016年第9期第27页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词：ISO 26262汽车安全角度传感器IC201610