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傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，高性能的傳感器對(duì)提升汽車主動(dòng)安全、燃油經(jīng)濟(jì)性及舒適性有著重大意義。安森美半導(dǎo)體作為全球汽車半導(dǎo)體行業(yè)翹楚，憑借廣博的專知和寬廣的產(chǎn)品及方案陣容，持續(xù)推動(dòng)汽車領(lǐng)域的高能效創(chuàng)新，近期推出首創(chuàng)的超高頻射頻識(shí)別(RFID)傳感器，該器件將一個(gè)稱為Magnus的智能傳感器IC及可印制的天線相結(jié)合，無需外接電源，能無線感測(cè)溫度、濕度、壓力和距離，用于汽車胎壓監(jiān)測(cè)、座椅壓力檢測(cè)、整車質(zhì)量控制漏水檢測(cè)及液位檢測(cè)可降低成本，提升能效和可靠性，并為無限量的汽車及其它低成本感測(cè)應(yīng)用開啟了大門。 現(xiàn)有無線傳感器與智能無源傳感器的比較 當(dāng)前市面上的無線傳感器大都由收發(fā)器、額外的外圍元件、刺激探測(cè)器及微控制器等多個(gè)IC組成，由電池供電，需要使用專用微控制器在每一節(jié)點(diǎn)對(duì)感測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地后處理。這類方案由于所需元件數(shù)較多，且后期使用需要維護(hù)，導(dǎo)致成本較高，目標(biāo)市場(chǎng)有限。 智能無源傳感器則將多個(gè)傳感器和功能集成到單個(gè)芯片(<0.8 mm2)上，無需電池、刺激探測(cè)器和在感測(cè)節(jié)點(diǎn)的微控制器，感測(cè)數(shù)據(jù)將被發(fā)送到遠(yuǎn)程中央處理單元進(jìn)行后處理。這種創(chuàng)新方案的優(yōu)勢(shì)在于集成度高，元件數(shù)較少，單個(gè)處理單元可為多個(gè)傳感器工作，無需后期維護(hù)，較傳統(tǒng)的無線傳感器降低成本和能耗，且市場(chǎng)擴(kuò)展性極高。 智能無源傳感器的工作原理 智能無源傳感器的核心是MagnusR-S IC和一個(gè)遠(yuǎn)程無線收發(fā)器。MagnusR-S是一個(gè)系統(tǒng)單芯片，集成了能量收集引擎、感測(cè)濕度或壓力的ChameleonTM傳感器引擎、溫度傳感器、感測(cè)接收到的能源的距離傳感器及存儲(chǔ)獨(dú)特ID的非易失性存儲(chǔ)器；遠(yuǎn)程無線收發(fā)器用于收集感測(cè)信息并對(duì)其進(jìn)行后處理，每秒能收集來自100個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。 
圖1. 智能無源傳感器架構(gòu)及工作原理 由MagnusR-S連接到天線而形成的智能無源傳感器是完全可嵌入的。天線作為MagnusR-S和遠(yuǎn)程無線收發(fā)器之間的通信介質(zhì)，和根據(jù)環(huán)境改變天線阻抗的刺激探測(cè)器。ChameleonTM傳感器引擎用于檢測(cè)由周圍環(huán)境變化引起的天線阻抗的變化，將感測(cè)到的數(shù)據(jù)數(shù)字化為9位數(shù)字代碼以便進(jìn)行處理。距離傳感器檢測(cè)芯片內(nèi)部可提供的功率，以確定與無線收發(fā)器相關(guān)的傳感器的位置，它將距離信息數(shù)字化為5位數(shù)字代碼。溫度傳感器的檢測(cè)精度在0 oc-50 oc為±0.3 oc，在-40 oc-85 oc為±1 oc。感測(cè)通過對(duì)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中校準(zhǔn)的已知狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量而實(shí)現(xiàn)，參考數(shù)據(jù)可隨時(shí)被檢索用于相關(guān)感測(cè)。遠(yuǎn)程無線收發(fā)器收集感測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行后處理，減輕每一單個(gè)傳感器本地后處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，使得單個(gè)無線收發(fā)器能服務(wù)于數(shù)以千計(jì)的傳感器。 汽車智能無源傳感器 因MagnusR-S IC采用定制的天線和封裝，高度靈活性使得智能無源傳感器能跨越汽車、醫(yī)療、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，該方案主要用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、座椅壓力檢測(cè)、整車質(zhì)量控制漏水檢測(cè)及液位檢測(cè)。 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用作實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)行車過程中的輪胎氣壓，在出現(xiàn)胎壓不足或過高的危險(xiǎn)征兆時(shí)及時(shí)報(bào)警，提升行車安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性，延長(zhǎng)輪胎使用時(shí)間，減少懸掛系統(tǒng)的磨損。市場(chǎng)上當(dāng)前用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多芯片傳感器，被安裝在每一輪圈和閥桿，使用電池供電，能耗高于250 uW，需要加速計(jì)以避免輪胎未移動(dòng)時(shí)將電池耗盡，在輪胎旋轉(zhuǎn)期間需重新編程以定位，成本高于30美元。 最初使用智能無源傳感器的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)雙天線模塊和一個(gè)撓度隨壓力變化的鋼膜組成：?jiǎn)螛O子利用閥桿作為通信的單極子天線，環(huán)形天線收集電能以驅(qū)動(dòng)傳感器；鋼膜是真空填充球的一部分，和PCB一起被封裝在一個(gè)塑料體內(nèi)。其工作原理的核心是：電容式傳感器檢測(cè)由鋼膜撓度變化引起的電容變化。 而安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器是單芯片方案，由MagnusR供電而無需電池，能耗低于15 uW。智能無源傳感器標(biāo)簽置于每一輪胎，獨(dú)特的RFID提供自動(dòng)輪胎定位，無論當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)還是靜止時(shí)都可感測(cè)輪胎壓力和溫度信息，并將信息數(shù)字化為9位代碼。該方案集成含前后兩條天線的軟件無線電模塊到現(xiàn)成的電子控制單元，可用于汽車中的多個(gè)傳感器標(biāo)簽。這智能無源傳感器方案用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于30美元。
圖2. 智能無源傳感器用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 傳感器標(biāo)簽的識(shí)別是通過利用每一傳感器的兩個(gè)非易失性內(nèi)存插槽，即標(biāo)簽識(shí)別號(hào)(TID)和電子產(chǎn)品代碼(EPC)來實(shí)現(xiàn)。TID內(nèi)存插槽提供無法擦除的唯一傳感器識(shí)別號(hào)，并在生產(chǎn)過程中以硅級(jí)別分配給每一傳感器。TID包含制造代碼(由RFID全球管理機(jī)構(gòu)GS1分配)和傳感器類型、制造時(shí)間及地點(diǎn)信息。EPC內(nèi)存插槽為用戶定義的分配給傳感器標(biāo)簽的標(biāo)號(hào)提供最少96位可寫內(nèi)存。 座椅壓力檢測(cè) 座椅壓力檢測(cè)是通過傳感器來實(shí)現(xiàn)保障乘員安全的系統(tǒng)。當(dāng)今的座椅壓力傳感器是有源有線的網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)，置于坐墊內(nèi)，需要連接電源，且不提供人體檢測(cè)，只提供壓力檢測(cè)，因此，任何物體如一袋食品雜貨，也會(huì)觸發(fā)安全帶警告燈。 安森美半導(dǎo)體新推出的用于座椅壓力檢測(cè)的方案是無源無線的單芯片方案，無需電池供電，能耗低于15 uW。該無線傳感器標(biāo)簽被貼于座椅內(nèi)(濕度傳感器標(biāo)簽貼于椅背，壓力傳感器標(biāo)簽貼于座墊) 。濕度標(biāo)簽通過人體檢測(cè)元素可確定座椅上是否有人，消除物品觸發(fā)安全帶警示的麻煩，提升可靠性；壓力標(biāo)簽通過體重檢測(cè)確定坐在座位上的是小孩還是成年人，這信息可從RFID閱讀器發(fā)送到汽車控制單元以優(yōu)化氣囊釋放角度來增強(qiáng)安全性。其中的軟件無線電模塊可使用胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的相同單元。這方案易于擴(kuò)展至添加乘員位置檢測(cè)功能。
圖3. 座椅壓力傳感器 傳統(tǒng)方案(左) vs.智能無源方案(右) 整車質(zhì)量控制漏水檢測(cè) 車廠在汽車出廠前會(huì)對(duì)其進(jìn)行高壓浸水測(cè)試：關(guān)閉汽車門窗后，從不同角度對(duì)汽車進(jìn)行高壓噴水，以測(cè)試汽車的密封性能及底盤是否滲水。當(dāng)前市面上的方案多采用人工探測(cè)的方式，耗時(shí)長(zhǎng)且容易出錯(cuò)，一旦檢測(cè)出漏水，必須將汽車拆卸至底盤以作修復(fù)。 安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器用于此類應(yīng)用時(shí)，在制造過程中將無線傳感器標(biāo)簽貼于底盤的特定區(qū)域，通過簡(jiǎn)單的干或濕的傳感器代碼提供濕度傳感器功能，工廠工人只需手持閱讀器繞車查詢傳感器標(biāo)簽，無需人工探測(cè)，如果浸水，傳感器代碼會(huì)指出精確的浸水源，汽車將下線作檢測(cè)。根據(jù)汽車尺寸和汽車整車廠商的要求，用于整車漏水檢測(cè)的配置可由2至10多個(gè)濕度傳感器組成。
圖4. 智能無源傳感器用于汽車漏水檢測(cè) 液位檢測(cè) 汽車液位檢測(cè)包括對(duì)燃油箱油量、機(jī)油液位、制動(dòng)液液位及酸性液體液位等的檢測(cè)。市場(chǎng)上當(dāng)前的汽車液位檢測(cè)系統(tǒng)需要連接電線，且須位于容器內(nèi)部。 而安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器可在容器外感測(cè)液位，省去油箱里的敏感電子。這傳感器標(biāo)簽針對(duì)液體的介電常數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，能檢測(cè)多種液體；其長(zhǎng)度最長(zhǎng)不超過4英寸，從而能滿足在空間有限的容器外貼多個(gè)傳感器標(biāo)簽的需求。 將智能無源傳感器標(biāo)簽剝離并貼在容器外，并使用手持閱讀器查詢傳感器標(biāo)簽以獲得一個(gè)傳感器代碼，傳感器代碼將被發(fā)送到后端微控制器用于后處理，以將傳感器代碼和汽車內(nèi)特定的液位相對(duì)應(yīng)。
圖5. 液位檢測(cè) 市場(chǎng)當(dāng)前方案(左) vs. 智能無源傳感器方案(右) 結(jié)語 安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器集成Magnus 系統(tǒng)單芯片，無需外接電源，能無線感測(cè)溫度、濕度、壓力和距離，提供更強(qiáng)固的高能效設(shè)計(jì)，用于汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、座椅壓力檢測(cè)、整車漏水檢測(cè)及液位檢測(cè)具有顯著的成本、能效及可靠性優(yōu)勢(shì)，是省去當(dāng)今汽車油箱里的敏感電子和機(jī)械裝置的第一步，其可定制的靈活性使其能擴(kuò)展至汽車其它感測(cè)應(yīng)用及醫(yī)療、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。 |
