摘要：本文介紹了ISO 26262的功能安全標準規定的與安全相關的汽車系統開發準則，以及這一準則對道路中行駛的車輛與安全相關的電子系統開發過程和設計中提出的要求，并就Allegro公司用于關鍵安全應用的角度傳感器IC做了相應的介紹。

　　在過去幾十年里，隨著眾多高科技企業和OEM廠商爭相投入開發完全自動駕駛汽車的競賽，汽車中電子產品的含量穩步增長，并且這種趨勢沒有減慢的信號。雖然自動駕駛的范圍不同，從無控制至全面控制，目前可用的絕大多數汽車都包含具有某種程度的自動駕駛系統，比如電子穩定性控制(ESC)或車道居中(lane centering)。這些電子系統旨在協助駕駛者，并可為駕駛者做出越來越多的決定，甚至還將駕駛者從決策的過程中完全去除。這些系統通常增強了駕駛者和乘客的安全性。但是，如果它們出現故障或者具有設計缺陷，則可能引發事故。因此，這些功能為整個汽車供應鏈帶來了全新的開發挑戰。

ISO 26262的功能安全標準規定了安全相關的汽車系統開發準則

　　在2011年，國際標準化組織(ISO)發布了稱作ISO 26262的功能安全標準，其中規定了行業最佳的與安全相關的汽車系統開發準則。雖然標準的采納是自愿的，但世界各地大多數OEM廠商要求其供應商符合這一標準。延遲采納這項標準的供應商有可能會在未來損失一些商業機會。

　　ISO 26262標準涵蓋了道路中行駛的車輛與安全相關的電子系統開發過程和設計兩方面的要求，這些要求是基于系統本身的危險性和風險評估。標準范圍限于出現故障的電氣或電子系統。因此，符合要求的系統必需能夠識別其故障并減緩其影響，從而確保乘客的安全。鑒于這個原因，目前的安全體系很大程度上依賴于診斷和冗余，以便能夠檢測到出現故障的系統組件，并將系統過渡到安全狀態。通常，這種要求需要IC元器件供應商把更多的內容集成到現有解決方案中，包括能夠運行診斷和對其所處狀態的通信能力。

　　現在以一個傳感器IC系統為例來簡單說明。由于該系統是一項與安全相關的功能，這個系統必須能夠診斷傳感器輸出是否在正確的狀態。根據系統的要求和風險，可以采用多種方式來完成這項任務。例如，可以把復雜的診斷電路和通信協議組合至傳感器IC本身。作為替代方式，也可以在系統層面增加一個冗余傳感器，無需在每個單一IC中提升其功能性或者通信診斷能力。冗余傳感器輸出以及彼此的比較可用作一種診斷標準。在安全工作條件下，兩個傳感器的輸出應當始終在預定義的誤差范圍內。診斷和冗余這兩種大不相同的方法都可滿足系統要求，但是，在成本和選用完成任務的合適硬件(傳感器組件)方面，卻有著截然不同的影響。面向汽車市場的元器件供應商正在試圖了解這些安全相關系統不斷演進的要求以及折衷權衡，并且跟上發展的步伐，為客戶提供易于集成的解決方案。

　　自從ISO 26262標準推出之后，以前被認為是“安全”的概念也在演進變化。例如，在較早的架構中，助力轉向系統等的損失被認為是一個安全的事件。將系統功能的缺失定義為“安全”對于系統架構具有直接影響，該架構要求識別任何被認為是不安全的故障，并且減緩它們的影響。但是，帶來助力轉向系統損失的故障并不需要緩減，因而這就需要僅僅識別某些故障，而其它故障則無需識別，因而限制了安全性需要增加的功能，包括IC元器件的片上診斷功能。

　　隨著業界認識到助力轉向系統的缺失有可能帶來體型較小成年人、無經驗的駕駛者或者年長者的事故，之前被認為是安全的看法也發生了變化。汽車制造商現在要求，在安全相關系統失效時，它們還應該在某種程度上繼續工作。這種“故障工作”或“故障容忍”要求對其所需的架構有著直接影響，系統必需包括各種水平的冗余，這取決于故障過后的性能是否會從標稱性能減退。“故障容忍”系統代表著下一代安全相關系統。

　　工作系統故障的最直接結果是使用架構中的冗余系統功能，如果初始系統中出現故障，可以過渡到備份系統。為了滿足這種需求，IC元器件供應商開始提供單一封裝的雙芯片和三芯片產品來支持冗余需求，但不會占據過多的物理空間。多芯片解決方案是一些IC供應商開發新技術來滿足安全相關系統特定需求的一個示例。

　　雖然系統集成商和元器件供應商之間都在定制地進行研發工作，許多系統集成商也在使用根據特定系統而開發的商用(CTOS)元器件。元器件供應商對于這些不斷演進的系統需求了解得越多，就能夠更好地通過定義靈活產品線來滿足系統需求，并使這些產品線具有合適的功能，可輕松實現系統集成，并為系統增值。使一款產品具有合適的靈活性很具有挑戰性。太多的靈活性意味著可能具有用不到的功能，并會增大成本;不充足的靈活性則意味著一些所需的功能必須通過附加的元器件來實現，這也需要成本。一般情況下，功能性安全已經消除了元器件和系統之間定義的界限，所有系統組件必須共同工作，以滿足整體系統需求。了解如何最好地在系統組件之間分配所需的功能是一種藝術，供應商正在努力了解和適應。一種發展趨勢是以更小的占位面積實現更多的功能，這種發展趨勢正在引領一些IC供應商在單一組件中集成兩種完全不同的功能，從而為客戶提供更為全面的解決方案。

　　展望未來，ISO 26262標準第二版的應用范圍將會擴展到卡車、公共汽車和摩托車等，而且，這些市場的供應商將不得不考慮功能性安全領域的問題。隨著業界接近實現自動駕駛的汽車，與安全性相關的供應商需要開發至少能夠像人一樣駕駛的汽車系統。這些系統必需依賴解讀周圍環境的無數感測元件，它們的開發不僅要關注出現故障的電子裝置，還需要設計擁有足夠高的敏銳度，以便在所有駕駛情況下都可滿足安全需求。ISO組織中成立了新的委員會以專門處理這個議題(預期功能安全性或SOTIF)，這些對于系統和元器件所需的精確度都會有影響。

Allegro用于關鍵安全應用的角度傳感器IC

　　Allegro MicroSystems作為霍爾傳感器IC市場的領導廠商，通過參與ISO 26262技術委員會，正在積極回應這些不斷演進標準的挑戰，并且將密切關注ISO 26262第二版引入的變化。Allegro認為，安全性增加了準確通信以及與客戶密切合作的安全性，以了解和適應其不斷變化的需求。Allegro與戰略客戶的合作推動了各種汽車系統中有關未來安全需求的信息分享，通過這種協作開發合適的元器件，以滿足安全相關系統不斷變化的需求。

　　角度傳感器IC經專門設計可用于關鍵的安全應用。除了在這些器件中設計的先進診斷功能之外，還有許多附加功能使得這些部件在市場中脫穎而出。

　　Allegro角度傳感器IC采用了垂直霍爾圓形陣列(CVH)技術，能夠提供與被檢測磁信號相位相關的單信道輸出，并且不受磁信號幅度變化的影響。這些角度傳感器IC具有下列優勢：

　　1)磁鐵和 IC之間距離的變化(由于機械變化導致)對于角度精度具有極小的影響。如Allegro的A1335等第二代IC還包括片上磁場調節功能，進一步減小了磁場強度變化的影響。

　　2)可以使用強磁場(高達 1500 G)降低較小的散亂磁場的影響，這些散亂磁場可能來源于附近的電機、螺線管或高電流導線。

　　3)采用的垂直霍爾圓形陣列技術能夠實現低遲滯(低至 10 μs)和高刷新率(快至2 μs)，是高速電機位置檢測的理想方案。

　　通過把垂直霍爾的圓形陣列與片上EEPROM以及在數字域中計算和輸出角度的后端數字信號處理技術集成在一起，能夠最大限度地降低系統對于ECU的需求(比如無需高精度ADC資源)，并且所有敏感的模擬信號都是通過片上處理，而不需要經PCB或布線傳輸，因而能夠降低噪聲的影響。

　　Allegro的第二代IC器件A1335還支持多種數字輸出協議，能夠滿足不同系統設計人員的需求。對于需要極高數據速率的馬達控制等應用，這些器件支持具有高達10 MHz時鐘速率的高速串行外設接口(Serial Peripheral Interface, SPI)協議。對于較低速度應用，這些器件還支持單線PWM 和SENT接口，可以最大限度地降低線束成本和重量。

　　Allegro能夠提供用于軸端(end-of-shaft)和軸側(side-shaft)磁場配置的角度傳感器IC。對于軸側磁場配置的支持能力可以極大地簡化系統的機械設計，這是由于軸端并不總是容易實現的。軸側應用對于大多數角度傳感器也是一種挑戰，原因在于切向磁場幅度與徑向磁場幅度的不匹配。Allegro的A1335器件同時支持片上諧波線性化和分段線性化，可以校準由于失配造成的誤差，實現高精度(小于 1°)，具體取決于在線性化方案采用的諧波或分段數目。

　　除了能夠提供邏輯內置自檢(Logic Built-In Self-Test, L-BIST)等先進診斷功能外，Allegro的角度傳感器IC通常都可提供單晶片和雙晶片配置。雙晶片配置提供的冗余可幫助設計人員滿足嚴苛的功能安全要求，而無需犧牲系統可用性，原因在于使用不同技術的傳感器可能造成潛在的失配角度測量數據。這些器件使用小外形(1 mm厚)表面安裝TSSOP封裝，能夠簡化裝配并提高可靠性。

　　與汽車安全相關的系統要求將會繼續演進和擴展，這些系統的供應商必需主動了解新的發展趨勢，并且備有企業基礎架構，以便使其產品線能夠順利地適應這些演進和擴展。他們還必須積極進行新技術或新產品的創新，以期更好地服務于汽車安全市場。這將是一項戰略性活動，對于所有層面供應商的市場份額都有著廣泛的影響。請系好安全帶，這將是一個瘋狂的旅程。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第9期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。