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傳感器是汽車(chē)電子控制系統的關(guān)鍵元器件，高性能的傳感器對提升汽車(chē)主動(dòng)安全、燃油經(jīng)濟性及舒適性有著(zhù)重大意義。安森美半導體作為全球汽車(chē)半導體行業(yè)翹楚，憑借廣博的專(zhuān)知和寬廣的產(chǎn)品及方案陣容，持續推動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的高能效創(chuàng )新，近期推出首創(chuàng )的超高頻射頻識別(RFID)傳感器，該器件將一個(gè)稱(chēng)為Magnus的智能傳感器IC及可印制的天線(xiàn)相結合，無(wú)需外接電源，能無(wú)線(xiàn)感測溫度、濕度、壓力和距離，用于汽車(chē)胎壓監測、座椅壓力檢測、整車(chē)質(zhì)量控制漏水檢測及液位檢測可降低成本，提升能效和可靠性，并為無(wú)限量的汽車(chē)及其它低成本感測應用開(kāi)啟了大門(mén)。 現有無(wú)線(xiàn)傳感器與智能無(wú)源傳感器的比較 當前市面上的無(wú)線(xiàn)傳感器大都由收發(fā)器、額外的外圍元件、刺激探測器及微控制器等多個(gè)IC組成，由電池供電，需要使用專(zhuān)用微控制器在每一節點(diǎn)對感測到的數據進(jìn)行本地后處理。這類(lèi)方案由于所需元件數較多，且后期使用需要維護，導致成本較高，目標市場(chǎng)有限。 智能無(wú)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(wú)需電池、刺激探測器和在感測節點(diǎn)的微控制器，感測數據將被發(fā)送到遠程中央處理單元進(jìn)行后處理。這種創(chuàng )新方案的優(yōu)勢在于集成度高，元件數較少，單個(gè)處理單元可為多個(gè)傳感器工作，無(wú)需后期維護，較傳統的無(wú)線(xiàn)傳感器降低成本和能耗，且市場(chǎng)擴展性極高。 智能無(wú)源傳感器的工作原理 智能無(wú)源傳感器的核心是MagnusR-S IC和一個(gè)遠程無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。MagnusR-S是一個(gè)系統單芯片，集成了能量收集引擎、感測濕度或壓力的ChameleonTM傳感器引擎、溫度傳感器、感測接收到的能源的距離傳感器及存儲獨特ID的非易失性存儲器；遠程無(wú)線(xiàn)收發(fā)器用于收集感測信息并對其進(jìn)行后處理，每秒能收集來(lái)自100個(gè)傳感器的數據。 
圖1. 智能無(wú)源傳感器架構及工作原理 由MagnusR-S連接到天線(xiàn)而形成的智能無(wú)源傳感器是完全可嵌入的。天線(xiàn)作為MagnusR-S和遠程無(wú)線(xiàn)收發(fā)器之間的通信介質(zhì)，和根據環(huán)境改變天線(xiàn)阻抗的刺激探測器。ChameleonTM傳感器引擎用于檢測由周?chē)h(huán)境變化引起的天線(xiàn)阻抗的變化，將感測到的數據數字化為9位數字代碼以便進(jìn)行處理。距離傳感器檢測芯片內部可提供的功率，以確定與無(wú)線(xiàn)收發(fā)器相關(guān)的傳感器的位置，它將距離信息數字化為5位數字代碼。溫度傳感器的檢測精度在0 oc-50 oc為±0.3 oc，在-40 oc-85 oc為±1 oc。感測通過(guò)對存儲在非易失性存儲器中校準的已知狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)測量而實(shí)現，參考數據可隨時(shí)被檢索用于相關(guān)感測。遠程無(wú)線(xiàn)收發(fā)器收集感測數據并對其進(jìn)行后處理，減輕每一單個(gè)傳感器本地后處理數據的負擔，使得單個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器能服務(wù)于數以千計的傳感器。 汽車(chē)智能無(wú)源傳感器 因MagnusR-S IC采用定制的天線(xiàn)和封裝，高度靈活性使得智能無(wú)源傳感器能跨越汽車(chē)、醫療、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)應用領(lǐng)域。在汽車(chē)領(lǐng)域，該方案主要用于胎壓監測系統、座椅壓力檢測、整車(chē)質(zhì)量控制漏水檢測及液位檢測。 胎壓監測系統 胎壓監測系統用作實(shí)時(shí)自動(dòng)監測行車(chē)過(guò)程中的輪胎氣壓，在出現胎壓不足或過(guò)高的危險征兆時(shí)及時(shí)報警，提升行車(chē)安全性和燃油經(jīng)濟性，延長(cháng)輪胎使用時(shí)間，減少懸掛系統的磨損。市場(chǎng)上當前用于胎壓監測系統的多芯片傳感器，被安裝在每一輪圈和閥桿，使用電池供電，能耗高于250 uW，需要加速計以避免輪胎未移動(dòng)時(shí)將電池耗盡，在輪胎旋轉期間需重新編程以定位，成本高于30美元。 最初使用智能無(wú)源傳感器的胎壓監測系統由一個(gè)雙天線(xiàn)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(xiàn)，環(huán)形天線(xiàn)收集電能以驅動(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。其工作原理的核心是：電容式傳感器檢測由鋼膜撓度變化引起的電容變化。 而安森美半導體的智能無(wú)源傳感器是單芯片方案，由MagnusR供電而無(wú)需電池，能耗低于15 uW。智能無(wú)源傳感器標簽置于每一輪胎，獨特的RFID提供自動(dòng)輪胎定位，無(wú)論當輪胎旋轉還是靜止時(shí)都可感測輪胎壓力和溫度信息，并將信息數字化為9位代碼。該方案集成含前后兩條天線(xiàn)的軟件無(wú)線(xiàn)電模塊到現成的電子控制單元，可用于汽車(chē)中的多個(gè)傳感器標簽。這智能無(wú)源傳感器方案用于胎壓監測系統的成本遠遠低于30美元。
圖2. 智能無(wú)源傳感器用于胎壓監測系統 傳感器標簽的識別是通過(guò)利用每一傳感器的兩個(gè)非易失性?xún)却娌宀�，即標簽識別號(TID)和電子產(chǎn)品代碼(EPC)來(lái)實(shí)現。TID內存插槽提供無(wú)法擦除的唯一傳感器識別號，并在生產(chǎn)過(guò)程中以硅級別分配給每一傳感器。TID包含制造代碼(由RFID全球管理機構GS1分配)和傳感器類(lèi)型、制造時(shí)間及地點(diǎn)信息。EPC內存插槽為用戶(hù)定義的分配給傳感器標簽的標號提供最少96位可寫(xiě)內存。 座椅壓力檢測 座椅壓力檢測是通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現保障乘員安全的系統。當今的座椅壓力傳感器是有源有線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )檢測，置于坐墊內，需要連接電源，且不提供人體檢測，只提供壓力檢測，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。 安森美半導體新推出的用于座椅壓力檢測的方案是無(wú)源無(wú)線(xiàn)的單芯片方案，無(wú)需電池供電，能耗低于15 uW。該無(wú)線(xiàn)傳感器標簽被貼于座椅內(濕度傳感器標簽貼于椅背，壓力傳感器標簽貼于座墊) 。濕度標簽通過(guò)人體檢測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；壓力標簽通過(guò)體重檢測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(chē)控制單元以?xún)?yōu)化氣囊釋放角度來(lái)增強安全性。其中的軟件無(wú)線(xiàn)電模塊可使用胎壓監測系統中的相同單元。這方案易于擴展至添加乘員位置檢測功能。
圖3. 座椅壓力傳感器 傳統方案(左) vs.智能無(wú)源方案(右) 整車(chē)質(zhì)量控制漏水檢測 車(chē)廠(chǎng)在汽車(chē)出廠(chǎng)前會(huì )對其進(jìn)行高壓浸水測試：關(guān)閉汽車(chē)門(mén)窗后，從不同角度對汽車(chē)進(jìn)行高壓噴水，以測試汽車(chē)的密封性能及底盤(pán)是否滲水。當前市面上的方案多采用人工探測的方式，耗時(shí)長(cháng)且容易出錯，一旦檢測出漏水，必須將汽車(chē)拆卸至底盤(pán)以作修復。 安森美半導體的智能無(wú)源傳感器用于此類(lèi)應用時(shí)，在制造過(guò)程中將無(wú)線(xiàn)傳感器標簽貼于底盤(pán)的特定區域，通過(guò)簡(jiǎn)單的干或濕的傳感器代碼提供濕度傳感器功能，工廠(chǎng)工人只需手持閱讀器繞車(chē)查詢(xún)傳感器標簽，無(wú)需人工探測，如果浸水，傳感器代碼會(huì )指出精確的浸水源，汽車(chē)將下線(xiàn)作檢測。根據汽車(chē)尺寸和汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)商的要求，用于整車(chē)漏水檢測的配置可由2至10多個(gè)濕度傳感器組成。
圖4. 智能無(wú)源傳感器用于汽車(chē)漏水檢測 液位檢測 汽車(chē)液位檢測包括對燃油箱油量、機油液位、制動(dòng)液液位及酸性液體液位等的檢測。市場(chǎng)上當前的汽車(chē)液位檢測系統需要連接電線(xiàn)，且須位于容器內部。 而安森美半導體的智能無(wú)源傳感器可在容器外感測液位，省去油箱里的敏感電子。這傳感器標簽針對液體的介電常數進(jìn)行了優(yōu)化，能檢測多種液體；其長(cháng)度最長(cháng)不超過(guò)4英寸，從而能滿(mǎn)足在空間有限的容器外貼多個(gè)傳感器標簽的需求。 將智能無(wú)源傳感器標簽剝離并貼在容器外，并使用手持閱讀器查詢(xún)傳感器標簽以獲得一個(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(chē)內特定的液位相對應。
圖5. 液位檢測 市場(chǎng)當前方案(左) vs. 智能無(wú)源傳感器方案(右) 結語(yǔ) 安森美半導體的智能無(wú)源傳感器集成Magnus 系統單芯片，無(wú)需外接電源，能無(wú)線(xiàn)感測溫度、濕度、壓力和距離，提供更強固的高能效設計，用于汽車(chē)胎壓監測系統、座椅壓力檢測、整車(chē)漏水檢測及液位檢測具有顯著(zhù)的成本、能效及可靠性?xún)?yōu)勢，是省去當今汽車(chē)油箱里的敏感電子和機械裝置的第一步，其可定制的靈活性使其能擴展至汽車(chē)其它感測應用及醫療、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。 |
