浅析HiL中智能传感器PSI5整体简介

随着汽车内智能传感器使用的增加，传统的传感器信号不能满足传输丰富的编码信息以及EMC要求。PSI5（外围传感器接口）作为汽车传感器的开放标准接口，可以更好地满足动力/安全/底盘/舒适域控制器的应用安全。PSI5诞生于已成熟使用的ECU外围传感器接口，如Bosch等厂商将PSI5应用于ESP、安全气囊、主动悬架、自动驾驶等ECU与加速度、角速度、压力、位置等传感器的通讯当中。

PSI5整体简介

PSI5协会成员由多家一级供应商及芯片厂商组成，包括Veoneer、Bosch和Continental等。PSI5 V1.3版本在目前量产车型中有着广泛的应用。从V2.0版本开始，PSI5在Base规范之外，提供针对安全气囊、车辆动力学控制、动力系统三个部分的子规范。最新的V2.3规范在物理层、数据链路层和应用层方面提供新的内容和结构，并且兼容V1.3版本定义的参数。

物理层

传感器与ECU使用1对双绞线进行连接，ECU对传感器的供电和双向数据传输均通过双绞线完成，通讯速率有125kbps和189kbps两种可选。传感器和ECU连接拓扑主要包括：异步连接模式（PSI5-A）、同步并行总线模式（PSI5-P）、同步通用总线模式（PSI5-U）、同步菊花链总线模式（PSI5-D）。

当传感器向ECU传输数据时，低电流为传感器静态消耗电流，高电流由传感器内部调制产生，采用曼彻斯特编码。每个传感器在1个ECU同步周期内，传输数据的帧间隔需要至少保持TGap，其值需要大于位长度TBit。

数据链路层 - 传感器至ECU的通信

传感器周期性发送数据帧至ECU，每个数据帧由p个位组成，包含：

2个起始位，始终编码为0；

1个奇偶校验位或3个CRC校验位；

k （10-28）个有效数据位；

》 数据域A（10-24个位，强制）；

》 数据域B（0-12个位，可选）；

》 传感器状态位（也称为错误标志位，0-2个位，可选）；

》 帧控制位（表明当前帧/数据的类型或传感器ID，0-4个位，可选）；

》 串行报文通道（0或2个位，可选）。

在同步模式中，ECU在向传感器供电的基础上，周期性发送一个高电平电压信号作为同步脉冲。各传感器在检测到同步脉冲后，按照预先配置的时隙（Time Slot）发送各自的电流信号以传输数据。

当串行报文（Serial Message）通道位设置为2个位长度时，串行报文将通过18个连续的帧进行传输，一般用于更新周期要求不高的数据。

数据链路层 - ECU至传感器的通信

ECU至传感器的通讯帧由以下部分组成：

特定的发送起始条件，保证即使失去同步也可以安全地检测到帧起始；

数据域；

Checksum校验段。

利用在同步模式下ECU周期性向传感器发送同步脉冲的特性，根据帧的发送编码方式不同，提供相应的2类帧格式：

第一种Tooth Gap方式是通过调整ECU周期发送的同步脉冲“有/无”来分别表示“1/0”信号。该发送起始条件包含至少5个连续的逻辑0或至少31个连续的逻辑1。数据长度由传感器地址（SAdr）和功能代码（FC）定义。提供3种可选帧格式。

第二种Pulse Width方式是通过改变ECU周期发送的同步脉宽宽度“长/短”来分别表示“1/0”。提供1种可选帧格式。

应用层 – 数据范围

对于在数据域A中传输的10位数据，PSI5规范将其分为3个部分：

-480至+480（0x1E0 – 0x220）为传感器实际输出信号值；

-512至-481（0x200 – 0x20F）为块（Block）ID及数据，用于传输初始化数据；

+481至+511（0x1E1 – 0x1FF）为状态及错误报文。

对于数据域A中大于10位数据的低位部分以及数据域B，不受该数据范围划分影响。

应用层 – 传感器初始化

在每次上电或重置后，需在发送任何有效的传感器数据之前发送其初始化辨识信息。

初始化一般分为3个阶段。

阶段1：传感器启动，无数据发送；

阶段2：发送ID + 初始化数据信息，同时传感器进行自检；

阶段3：发送传感器自检结果。初始化完成后即可传输正常数据以及传感器自检的状态信息。

阶段2时初始化数据一般包含传感器的类型、制造商代码、生产日期等信息。为保证不同传感器厂商的产品与ECU可以正常建立通讯，需要明确基本的互换性要求：传感器配置、连接模式和时间参数；供电及同步脉冲等电压参数；传感器电流驱动能力以及所需承受的回路负载；初始化数据信息，包括重复次数（k）。具体可参考PSI5协会提供的一致性测试规范及Check List。

HiL台架中PSI5解决方案：

CANoe Option Sensor

随着智能传感器PSI5信号在安全、底盘和动力域中的应用逐步增加，传统的HiL台架需要新购或升级扩展来满足PSI5协议的仿真、分析和测试功能。

PSI5传感器测试：6槽VT System，配置VT2710和CANoe Option Sensor；

PSI5控制器测试：通过CANoe、vTESTstudio、VT System、DYNA4提供开环和闭环的安全域及底盘域HiL系统；

》 特殊信号或系统采用ASAM XIL API集成第三方设备；

》 通过CANoe Option AMD/XCP采集ECU内部A2L变量，满足基本功能测试。

硬件

PSI5的仿真、分析、测试由VT System中的VT2710板卡及配套的PSI5SENTpiggy完成。VT System是Vector针对ECU功能、总线一致性、诊断通信、环境耐久等测试场景提供的模块化I/O及总线板卡。VT2710板卡提供4路PSI5通道，可通过配置实现传感器仿真、ECU仿真、监听通信工作模式，内置电气故障注入功能。

软件

CANoe Option Sensor提供PSI5所需各项电气、信号、初始化数据的直观配置图形界面，配置信息可单独导出复用于其他项目工程。配置完成后将自动生成PSI5的监控及激励接口——系统变量。系统变量在CANoe及vTESTstudio中的灵活使用，使其可无缝集成到已有的仿真、分析以及HiL测试环境当中。

通过模拟ECU或传感器，CANoe Option Sensor支持开发工程师及测试工程师建立从简单到苛刻的测试环境，可实现对协议相关数据的自由控制及修改。此外，CANoe Option Sensor的错误检测机制有助于对传感器及ECU组成的真实系统进行监测和调试。

实际使用

CANoe Option Sensor的配置窗口位于Hardware – Sensors – Protocol Configuration：

对于不同的串行总线，提供多种初始化配置模板供用户选择，方便快捷：

图8 | PSI5初始化配置模板

对于ECU及Sensor，可随时配置其为Real或Simulated模式。同时对于ECU和传感器各自的通信速率、供电电平、同步脉冲电压及时间参数、Slot时间、初始化协议版本、数据帧结构等提供丰富的配置选项，对每个信号可单独配置其时间参数、初始化参数及解析方式：

PSI5数据域信号配置界面

配置完成后，连接VT2710与ECU或传感器对应的线束，即可建立通讯：

运行及离线回放时，工程师熟悉的Trace、Graphic、Data等分析窗口依然适用，并且针对PSI5做特定解析；

根据配置情况，生成对应的系统变量接口，配合CAPL函数可完成协议各类信息的修改，用于仿真及HiL测试；

配合CANoe Option Scope及相关硬件，可完成PSI5的物理波形解析；

对于通信过程中的错误，各类故障均会给出故障码用于调试参考；

PSI5常应用于主动/被动安全域相关ECU，以及自动驾驶ECU等对功能安全要求较高的领域，同时PSI5有其独立的硬件、软件定义规范，因此对PSI5协议也应与CAN、LIN、Ethernet等常见总线协议一样，需考虑其一致性测试的重要性，以确保传感器可以为ECU的正常工作提供良好的外部输入信息。PSI5协会提供对ECU和传感器使用的一致性测试规范以及Check List，可作为一致性测试的实施参考。

编辑：jq