cps传感器 信息物理系统 (CPS) 如何开启下一个自动化时代？

信息物理系统 (CPS) 如何开启下一个自动化时代？

工业发展的驱动力是什么？决策者应该关注哪些趋势？意法半导体以创新的信息物理系统（Cyber-Physical Systems，简称CPS）如何开启下一个自动化时代为论点，得出了自己的结论。在不久前的2022 年国际固态电路会议 (ISSCC 2022) 上，意法半导体模拟、MEMS 和传感器产品部总裁 Marco Cassis 发表了主题演讲，重点介绍了ST在传感器、人工智能、通信等方面取得的技术突破 ，以及在 “下一个自动化时代”背景下的一些新趋势。

意法半导体模拟、MEMS 和传感器产品部总裁 Marco Cassis

下一个自动化时代是什么？

第一个自动化时代

Marco Cassis首先谈到了第一个自动化时代。作为信息时代的产物，自动化时代是指机器开始执行复杂任务、几乎没有人机交互的时代。全球信息系统和生产数字化开启了第一个自动化时代，给经济社会带来翻天覆地的变化。制造业生产效率明显提高，就业市场欢迎新人才。简而言之，自动化是第三次工业革命的核心，根据世界经济论坛的数据，未来几年自动化发展将继续显著提速。

机器自动化制造

下一个自动化时代

Marco Cassis在主题演讲中指出，信息物理系统 (CPS)的概念带来了技术融合，我们正在经历一个新的自动化时代。CPS的概念是 2017 年正式提出的 ，指的是“一个包括由物理组件和计算组件构成的交互网络的智能系统。” CPS信息物理系统经由传感器和执行器，通过联网的智能计算系统与世界交互。

信息物理系统与物联网系统有何不同？ ST认为，信息物理系统代表了一个包括物联网在内的超级集合。信息物理系统还提供了控制系统和机器学习应用，而传统物联网平台大多没有这类配置。虽然物联网和信息物理系统有许多共同之处，但信息物理系统超越了传统物联网的范畴。信息物理系统的控制和 AI 两大功能是开启下一个自动化时代的主要动力。

ST在业界率先推出的具有机器学习核心的惯性传感器LSM6DSOX

嵌入式AI是下一个自动化时代的核心技术

边缘AI已经到来。ST在 ISSCC 大会的主题演讲中强调指出，微控制器和传感器在边缘设备上实现AI有多种方式，并概述了能使系统自动实现复杂决策过程的现有技术，也强调了预测市场趋势有多么重要。

提前数年入局，取得先发优势

今天，边缘人工智能的普及源于市面上已有的成熟开发工具。ST的微控制器机器学习开发工具 NanoEdge AI Studio 和 STM32Cube.AI，以及LSM6DSOX MEMS 的机器学习核心开发软件 Unico GUI，刚推出时即为业内先驱，此后多年来也一直在不断地更新迭代。ST 还提供FP-AI-FACEREC1等开源演示例程，让开发人员在几分钟内就能创建一个机器学习应用程序。同样，ST的条件监测解决方案满足了工业环境的可靠性要求。此外，ST还提供由 UCLA 大学的 William Kaiser 教授设计的嵌入式机器学习 免费课程，并通过 GitHub和我们的机器学习核心库与开源社区的开发者密切互动。

在性能可靠、功能丰富的开发工具出现后，工作流程和行业发生了颠覆性变化。2018 年，当时很少有人知道怎样在嵌入式系统上使用机器学习。想要开发嵌入式机器学习应用的学生，用 ST的开发工具，在有相关学术背景的大学教授协助下，才终于开发出了嵌入机器学习应用。而今天，同样的项目只需要点击几下鼠标即可完成。2020 年，据ST 合作伙伴 Siana 设计公司介绍，越来越多的客户开始了解机器学习应用，并将其用于实际应用。最近，我们还看到市面上在售的智能手表或手机已经在使用 ST 机器学习解决方案，帮助用户决策何时激活屏幕或记录身体活动，而其功耗只是典型方案的几分之一。

嵌入式人工智能是下一个自动化时代的核心技术

我们的合作伙伴已经从边缘人工智能中受益，因为他们几年前就有了开发边缘AI所需的工具、文档和算力。Marco Cassis在演讲中也提到了 Gartner的人工智能炒作周期（the Hype Cycle for Artificial Intelligence）。分析师预计边缘人工智能将很快经历幻想破灭的低谷。因为大多数同类型的工具都是最近才出现的，开发人员仍在学习使用工具，并试图弄清楚用它们能做些什么。而ST 工具已经存在多年，帮助我们的客户提前几年就预测到人工智能趋势，并早早进入有效地利用这项技术开发实物产品的阶段。

异构集成是下一个自动化时代的驱动力

Marco Cassis的主题演讲涵盖了ST在传感器、电源芯片、无线连接等推动开创性应用的基础技术方面所取得的最新创新成果。他展示了这些创新技术如何相互搭建，利用异构集成实现CPS系统，开启下一个自动化时代。举例来说，他不仅讨论了 LoRaWAN 的崛起，也同时介绍了通用微控制器内置 LoRaWAN 控制器 (STM32WL)，以及 LoRa 如何与其他协议协同通信。

ST在行业率先推出 LoRa 系统芯片STM32WL

异构集成为 CPS赋能

ST在2018 年发表了公司首个关于信息物理系统专题的论文，此后一直在不断探索。创新正在使有影响力的异构集成技术成为 CPS 的核心技术。传统意义上，异构计算涉及到使用不同处理内核，这也是为更多人所熟悉的一种方式。由于目前代工厂还很难突破更小工艺节点的物理限制，异构计算有助于让摩尔定律继续下去。

Marco Cassis 在演讲中强调，正因为我们从异构计算走向了异构集成，业界正在经历一个新的自动化时代。ST不仅在同一颗芯片上集成不同的 Cortex-M 内核 ，而且还在做更大的事情。我们还整合机器学习核心与环境传感器，开创新的机器学习应用。我们正在使用 GaN 或 SiC 等新材料研制更多的功率器件，以创建新型蜂窝网络。我们的相变存储器研发活动正在提升汽车处理器的性能，而 BCD (BIPOLAR-CMOS-DMOS) 技术继续让芯片具有更复杂和多样化的功能。

异构集成为新产品赋能

下一个自动化时代仍需要行业合作

下一个自动化时代已经开启，行业合作的重要性不言而喻。随着信息物理设备变得越来越智能，妥善保护设备的安全问题亟待解决。此外，人工智能的出现意味着我们的安全防御措施必须能够抵御更强的攻击。同样，业界必须围绕可持续发展原则团结一致，以应对下一个自动化时代的气候危机，并推出激动人心的解决方案，为全人类创造更美好的未来。

发动机上这些重要的传感器，作用、工作原理、安装位置是否都了解

汽车维修技术与知识分享

1

空气流量传感器

■ 作用

空气流量传感器又称空气流量计，其作用是检测发动机进气量的大小，并将进气量信息通过电路的连接转化为电信号输入给ECU，以供ECU确定喷油量和点火时间。空气流量传感器获得的进气量信号是ECU进行喷油控制的主要依据，若其损坏或其电路连接出现故障，则会使发动机的进气量测量不准确，使进入气缸的混合气过浓或过稀，从而导致ECU无法对喷油量进行准确的控制，导致发动机运转不正常，排放超标 。

■ 安装位置

一般安装在进气管上，如下图所示。

■ 种类

空气流量计可分为体积式和质量式，其中体积式又分为叶片式、卡曼涡流式和量芯式；质量式又分为热线式和热膜式。

2

冷却液温度传感器

◎ 作用

冷却液温度传感器(即水温传感器)的主要作用是检测冷却液温度，在发动机电控系统中，传感器能感知到冷却液温度的变化，并将这种变化通过电路的连接转化为电信号输送给ECU，ECU根据输入的电信号即冷却液温度的变化信号，来对电喷发动机的喷油量及喷油时间进行修正，同时调整空燃比，使进入发动机内的混合气能稳定地燃烧，冷机时供给较浓的可燃混合气，热机时供给较稀的可燃混合气，使发动机良好地工作。

◎ 安装位置

冷却液温度传感器一般装在电喷发动机缸盖的水套及上出水管、节温器等处，如下图所示。

◎ 类型

冷却液温度传感器主要有绕线电阻式、热敏电阻式、扩散电阻式、半导体晶体管式、金属芯式、热电偶式等类型。应用最广泛的是热敏电阻式。

3

进气温度传感器

■ 作用

进入发动机气缸内的空气质量与进气温度和进气压力有关，即当温度低时，空气密度大，相同体积空气的质量大；反之，进气温度升高时，相同体积空气的质量少。在采用空气流量传感器的燃油喷射系统中，空气流量传感器测定的空气质量为体积流量，因此需要进气温度传感器和大气压力传感器。

进气温度传感器也是由负温度系数的热敏电阻组成的，即温度升高时传感器的电阻明显减小。其用来检测发动机的进气温度，并将这种温度信号通过电路的连接以电信号的形式输入给ECU，ECU则根据输入的电信号对喷油量进行修正。

如果进气温度传感器出现故障，会使输入给ECU的进气温度电信号出现中断，使进入发动机气缸中的混合气过稀或过浓，燃烧情况变差，出现热启动困难、废气排放量增大、工作不稳定情况。 同时若在行车中出现上述情况，则应对进气温度传感器进行检测。

■ 安装位置

进气温度传感器通常安装在空气滤清器之后的进气软管、空气流量传感器、节气门体和进气歧管上，如下图所示。有的还在空气流量传感器和谐振腔上各安装一个，以提高喷油器的控制精度。

4

EGR监测温度传感器

◎ 作用

EGR监测温度传感器用来监测EGR阀内再循环气体的温度变化情况，并监测EGR阀的正常工作，从而控制排气歧管出来的部分废气再循环地进入进气歧管中，降低气缸的最高燃烧温度，并减少尾气中NOx的含量，以降低对环境的污染程度。

EGR监测温度传感器也是采用负温度系数的热敏电阻为检测元件，EGR阀在发动机中速运转及中等负荷时开启，在发动机低速运转、水温低于60℃时EGR阀关闭，以防止发动机怠速不稳，发动机在大负荷运转时EGR阀也关闭，以保证发动机有足够的功率输出，因此EGR监测温度传感器检测的温度范围为50~400℃。

导致EGR系统停止工作的可能原因：EGR监测温度传感器的连接电路短路或断路；EGR控制系统发生故障；管路中的沉积物堵塞了管路等。当EGR系统停止工作时，应对EGR监测温度传感器进行检测。

◎ 安装位置

EGR监测温度传感器安装在EGR阀的进气道上，如下图所示。

5

进气歧管压力传感器

■ 作用

进气歧管压力传感器(也称为进气压力传感器或MAP )用在D型和缸内直喷系统中(当应用在发动机上电控多点间歇式汽油喷射系统中时，基本特点是以进气歧管绝对压力和发动机转速为基本控制参数来控制喷油器的基本喷油量)，根据发动机的负荷测出进气歧管内压力的变化，并通过电路的连接转化为电信号和转速信号，一起输入发动机ECU，作为确定喷油器喷油量的基本依据。进气压力增大，喷油量增多，点火提前角变小。如果进气压力传感器工作不良，则一般会使发动机出现启动困难、怠速抖动、加速无力、油耗增大、排放超标等故障 。

■ 安装位置

进气歧管压力传感器大多安装在汽车发动机的进气歧管上，也有少部分安装在汽车发动机ECU的控制盒内或发动机室内(皇冠3.0轿车安装在发动机室内、奥迪A6轿车安装在发动机ECU内)。

6

机油压力传感器

机油压力传感器的作用是向ECU通报发动机机油主油道的压力，当机油压力低于期望值时，ECU将启用降低发动机转速和功率的保护功能，来调节发动机的转速和功率。当检测到机油压力超出规定范围时，ECU将使仪表板上的红色报警灯闪亮，向驾驶员发出报警信号，有些发动机或汽车还可能伴有蜂鸣声。如果ECU设有停机保护功能，当机油压力低于限值30s后会使发动机自动停机，有些系统可能还设有手动延时按钮，按下该按钮后，发动机的运转时间将延长30s，以便驾驶员能够将汽车安全地停靠到路边。

检测： 打开点火开关，但不启动发动机，拔下机油压力传感器的插头，用万用表检测机油压力传感器插头与搭铁线之间的电阻值。在发动机启动后，油压达到20kPa以上时，再对其电阻值进行测量，其阻值应变小，否则说明此传感器已损坏，应进行更换。

7

曲轴位置传感器

曲轴位置传感器(crankshaftpositionsensor，CPS或CKP )又称发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入ECU，以便确定喷射顺序、喷射正时、点火顺序、点火正时，然后根据信号监测到的曲轴转角波动大小来判断发动机是否有失火现象。它是发动机集中控制系统中最主要的传感器之一，是控制发动机燃油喷射和点火时刻确认曲轴位置的信号源，同时也是测量发动机转速的信号源。曲轴位置传感器用来检测活塞上止点及曲轴转角的信号并将其输入ECU，用来对点火时刻和喷油正时进行控制。在现代电控发动机上，曲轴位置传感器和发动机转速传感器制成一体，既可用于发动机曲轴位置和活塞上止点位置的测定，又可用于发动机转速的测定。

曲轴位置传感器一般安装于曲轴前端、靠近飞轮的变速壳体位置，如下图所示。该传感器按其工作原理的不同可分为磁电感应式曲轴位置传感器、光电式曲轴位置传感器和霍尔式曲轴位置传感器等。

8

节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在节气门体上，副节气门位置传感器安装在副节气门上。常见的类型有开关式(触点式)节气门位置传感器、线性式(电位计)节气门位置传感器和综合式节气门位置传感器。新型的智能电子节气门控制系统所用的节气门位置传感器常见的有双滑动电阻式和线性双霍尔式两种。如果按是否能调整分类可以分为可调整节气门位置传感器和不可调整节气门位置传感器。可调整节气门位置传感器的固定螺钉的孔是椭圆形的，松动固定螺钉可小范围地调整节气门位置传感器的位置。

◎ 作用

① 检测节气门开度的大小，将节气门的开度信号转换成电压信号输送到发动机ECU。

② 反映车辆的加、减速状态；反映发动机的负荷状态；反映发动机的怠速状态。

③ 控制减速断油。

④ 进行自动变速器的换挡控制。

⑤ 发动机运行时，如果空气流量计有故障，有的发动机控制系统的失效保护是由ECU根据节气门位置传感器信号和转速信号来控制喷油器的通电时间。

⑥ 副节气门位置传感器是防滑系统中的器件，能反映副节气门的位置信号。

◎ 调整

① 启动发动机，怠速运转。

② 用万用表测量节气门位置传感器IDL信号线电压。

③ 当节气门止动螺钉和挡杆之间间隙小于0.35mm时(节气门开度<3°)，IDL信号线电压应为0。

④ 当节气门止动螺钉和挡杆之间间隙大于0.70mm时(节气门开度>3°)，IDL信号线电压应为5V。

⑤ 若不符合以上要求，则松开传感器的两个固定螺钉，慢慢转动传感器给予调节。

⑥ 直至IDL信号线电压符合③、④要求，并紧固传感器固定螺钉。

有一些车没有怠速开关IDL，若需调整节气门位置传感器，可在节气门完全关闭时，调整节气门传感器位置使其VTA电压值小于0.8V。

9

爆燃传感器

爆燃传感器是发动机电子控制系统中必不可少的重要部件，它的作用是检测发动机有无爆燃现象，并将信号送入发动机ECU。常见爆燃传感器有两种：一种是共振型压电式爆燃传感器；另一种是共振型磁致伸缩式爆燃传感器。

爆燃传感器将检测到的发动机爆燃信号——气缸体振动的压力波，转变为电信号传给ECU，ECU立即将点火时间推迟，避免爆燃。爆燃消失后，控制系统使点火提前角逐步恢复。

大多数发动机有1~2个爆燃传感器，为了感应发动机敲缸情况，爆燃传感器只能安装在缸体上。

大众汽车发动机控制单元利用霍尔信号，将爆燃信号选择性地指定给各个气缸。若爆燃传感器检测到某个气缸中发生爆燃，那么发动机管理系统将改变该气缸的点火时刻(点火提前角向“滞后”方向调节)，直至不再发生爆燃。若确认该气缸中没有继续发生爆燃的趋势，那么控制单元将其点火提前角恢复到最初位置(向“提前”方向调节)。桑塔纳2000GSi型发动机采用两个爆燃传感器，分别安装在气缸体进气管侧第1、第2缸和第3、第4缸之间。

采用爆燃传感器信号进行点火提前角闭环控制可以防止发动机爆燃，使燃烧总接近于爆燃点，最大限度地提高燃烧质量。不仅可保证使用低牌号汽油时不损坏发动机，同时也保证发动机在使用高质量汽油时能发出最大功率。

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