Jste zde

Plně integrovaný systém měření tlaku v pneumatikách - Freescale MPXY8300

Antonín Vojáček, 15. Leden 2008 - 7:40

Pro další zvýšení bezpečnosti provozu automobilů je dnes možné do každého kola vozidla umístit senzor tlaku (nahuštění) a tím včas řidiče informovat o defektu, nadhuštění či podhuštění pneumatiky. Zatímco dříve bylo nutné navrhnout malý modul s několika integrovanými obvody, dnes je toto možné realizovat jen jedním inteligentním multisenzorovým obvodem řady MPXY8300. Ten v sobě obsahuje integrovaný senzor tlaku, teploty i zrychlení, 8bitové MCU S08 i RF vysílač pro bezdrátový přenos informací do přijímače uvnitř automobilu.

V současných automobilech se uplatňuje stále více elektronických systémů zajišťující vyšší pasivní i aktivní bezpečnost, spolehlivost a komfort. U závodních, vojenských a luxusních aut se mimo jiné využívá senzorů pro hlídání tlaku v pneumatikách, které tak v rámci napojení na řídící systém vozidla mohou signalizovat podhuštění či přehuštění pneumatik, přímo měřit a zobrazovat (například na displeji) tlak v pneumatikách či dokonce přímo řídit jejich dohušťování.

Takový senzor umístěný v každé pneumatice, který bezdrátově přenášel hodnoty do centrální jednotky byl realizovatelný ze součástkové základy Freescalu již dříve, ale vždy bylo nutné umístit několik integrovaných obvodů a jejich pomocné součástky na desku plošných spojů (DPS), čímž systém ztrácel na kompaktnosti, spolehlivosti a velikostí nebyl příliš vhodný pro umístění do pneumatiky. Proto přišel nedávno Freescale s kompletně novým řešením v tom, že všechny potřebné komponenty integroval společně do jednoho speciálně upraveného pouzdra SOIC označeného jako MPXY8300.

Ten tak v sobě implementuje jak samotný křemíkový senzor absolutního tlaku, tak i řídící uživatelem programovatelný mikrokontrolér s jádrem HCS08 a radiofrekvenční (RF) vysílač potřebný pro zajištění bezdrátového přenosu naměřených hodnot a vůbec digitální komunikace mezi snímací částí v kole a přijímací částí umístěnou ve vozidle. Navíc je přítomen i akcelerometr a teplotní senzor pro potřeby zjištění pohybu kola či kompenzaci / eliminaci okolních nežádoucích jevů a vlivů.

Základní vlastnosti TPMS vysílače (chytrého multisenzoru) MPXY8300

  • Senzory na chipu:
    • Přesný křemíkový senzor tlaku :
      • Měřící rozsah tlaku: 100 až 800 kPa (MPXY8300 -  automobily), 100 až 1500 kPa (nákladní vozy)
      • Přesnost: +/- 10 kPa (MPXY8300 -  automobily), +/- 20 kPa (MPXY8320 -  nákl. vozy)
      • Nový speciální integrovaný filtr pro ochranu proti vlivu měřeného média
      • Teplota měřeného vzduchu: 0 až 70°C
      • Spotřeba: jen 0.14 mikroA při 3V
    • XZ-osý (MPXY83xxA) nebo X-osý (MPXY83xxB) MEMS akcelerometr
      • Měřící rozsah v ose Z: 0 až 60 g
      • Citlivost v ose Z: +/- 9 g
      • Měřící rozsah v ose X: - 10 g až +10 g
      • Citlivost v ose X: +/- 2 g
    • Integrovaný křemíkový teplotní senzor:
      • Měřící rozsah: -40 až 125 °C
  • MCU na chipu - 8bit. MCU s jádrem S08:
    • 16 kB Flash, 512 B RAM
    • 32bitové registry
    • Vnitřní zdroj hodin. signálu - 8MHz oscilátor
    • 2kanálový, 16bitový časovač / PWM
    • 8kanálový 10bitový A/D převodník
    • Komunikační rozhraní: SPI
    • Periferie: nízkofrekvenční oscilátor LFO, PN teplotní senzor, Wake-up časovač
  • RF vysílač:
    • Nosná frekvence 315/434 MHz
    • ASK nebo FSK modulace realizovaná VCO a PLL
  • Speciální Power managment pro potřeby dlouhodobého trvalého napájení z baterie (až 10 let)
  • Pracovní teplotní rozsah: -40°C až 125°C
  • Pouzdro: 20pin. SOIC 20 WB

 

Použití senzorů řady MPXY8300

  • Kontrola tlaku v pneumatikách (podhuštění či přehuštění) s indikací v autě
  • Přesné měření tlaku v pneumatikách se zobrazením hodnot na displeji
  • Automatické dohušťování
  • Detekce defektu kola a úniku vzduchu z pneumatiky
  • Kontrola házivosti a upevnění kola

 

Struktura systému TPMS a multisenzoru MPXY83xxx

Celý systém detekce a měření tlaku v pneumatikách, označovaný společností Freescale jako TPMS (Tire Pressure Monitoring System), je založen na oddělených vzdáleně umístěných bateriově napájených vysílačích bezdrátově komunikujících s centrálním TPMS přijímačem. Jednotlivé TMPS vysílače se umísťují dovnitř každé pneumatiky nejlépe na ráfek, zatímco TPMS přijímač na pevném místě ve voze jako součást řídícího systému či palubního počítače automobilu, jako přidaná periferie nebo jako samostatně pracující jednotka s vlastní indikací.

Systém TPMS (Tire Pressure Monitoring System) je složený ze vysílačů umístěných v pneumatikách a přijímače

Integrovaný TPMS vysílač MPXY8300

TPMS vysílač může být realizován jako modul tvořený několika součástkami na DPS nebo dnes praktičtěji a jednodušeji pouze jedním integrovaným obvodem Freescale řady MPXY8300. Ten je prakticky realizován jako "zmenšená verze" desky plošných spojů, tedy není obvod navržen a realizován jako jedno kompaktní zapojení na jednom chipu, ale jako obvod SiP (System in Package) tvořený následujícími částmi (bloky):

  • Přesným senzorem absolutního tlaku (Pressure Sensor)
  • Mikrokontrolérem s 8bitovým jádrem HCS08
  • RF vysílačem (RF Transmitter)
  • Případně akcelerometrem (není součástí všech obvodů)

Vzájemná digitální komunikace uvedených bloků na chipu je tvořena sériovými rozhraními SPI. Prakticky tak obvod MPXY8300 lze označit jako chytrý multisenzor.

 

Blokové zapojení TPMS vysílače, které je celé implementováno do jednoho integrovaného obvodu MPXY8300

Základem je tedy přesný křemíkový senzor absolutního tlaku tvořený povrchově integrovanou kapacitní měřící buňkou (p-cells) a ASIC CMOS řídící a vyhodnocovací elektronikou. Princip měření je založen na změně kapacity vnitřního proměnného integrovaného kondenzátoru vlivem působícího tlaku na jednu pružnou křemíkovou membránu - elektrodu kondenzátoru. Součástí je i druhý, referenční uzavřený kondenzátor s oběma pevnými elektrodami, který kompenzuje parazitní vlivy, například vliv teploty. Výsledný působící tlak je tak dán porovnáním kapacity měřícího a referenčního kondenzátoru. Senzor měří přímo externí absolutní tlak v rozsahu 100 až 800 nebo 1500 kPa působícího okolního média (plynu nebo kapaliny) vztažený k nulové hodnotě tlaku vakua ve vnitřní komoře senzoru. Tomu odpovídá v klidovém stavu prohnutí stěny rovnající se působícímu tlaku přibližně 1 atmosféra (1 ATM) = 101.3 kPa.

Výsledné hodnoty tlaku jsou pak posílány do mikrokontroléru s 8bitovým jádrem S08, kde se dle programu nahraného do 16kB Flash paměti realizuje požadované vyhodnocení. Například vyhodnocení překročení nastavených limitních hranic (komparace), filtraci signálu (toku hodnot) od vlivu nežádoucích rušení, inicializaci měření jen při určitých otáčkách nebo pohybu kola apod. Pomocí dalších ze součástky vyvedených univerzálních binárních vstupů/výstupů a vstupů na 8kanálový 10bitový A/D převodník lze integrovaný senzor rozšířit o další funkce.

Ke komunikaci senzoru MPXY8300 umístěného v pneumatice s okolním světem slouží RF vysílač pracující na nosné frekvenci 315 nebo 434 MHz. Přenos log. stavů se realizuje ASK nebo FSK klíčováním generovaným pomocí napěťově řízeného oscilátoru (VCO) a uzavřené smyčky fázového závěsu (PLL). Vysílaná a přijímaná data (pakety) jsou před vysláním a po příjmu bufferovány ve vnitřní paměti.

Součástí integrovaných obvodů označených jako MPXY83xxA nebo MPXY83xxB je i senzor zrychlení (akcelerometr) pro měření v osách ZX, resp. X. Ten může posloužit nejen jako "pomocník" tlakovému senzoru, ale může i detekovat různé vibrace a zavčasu řidiče upozornit na takové závažné věci, jako je špatně upevněné, vyvážené, házející či jinak poškozené kolo, které může snadno způsobit nehodu. Z pohledu měření tlaku v pneumatice slouží nejen k inicializaci měření v závislosti na rychlosti, ale i k eliminaci či korekci vzájemných vlivů rychlosti otáčení pneumatiky a jejího tlaku. Například podhuštěné kolo má menší průměr než správně nahuštěné. Proto když je v pohybu, otáčí se jinou rychlostí než správně nahuštěné kolo. To má vliv na zahřívání pneumatiky a tím i vnitřní tlak.

 

TPMS vysílač, tedy inteligentní senzor pro měření tlaku v pneumatice, se umisťuje na ráfek kola a bezdrátově komunikuje s jednotkou (přijímačem) v automobilu

Mimo použití plně integrovaného TPMS vysílače MPXY8300, lze snadno jeho funkci realizovat i klasickým zapojením integrovaných obvodů Freescale (senzor tlaku MPXY8020, MCU MC68HC908RF2 s integrovaným UHF RF vysílačem, případně akcelerometrem) na DPS. Na následujícím obrázku je příklad takového zapojení, které prakticky přesně realizuje to, co integrovaný obvod (inteligentní multisenzor) řady MPXY8300.

Funkci integrovaného obvodu MPXY8300C (TPMS vysílač - inteligentní multisenzor) je možné realizovat i klasickým zapojením senzoru tlaku MPXY8020 a MC68HC908RF2 s integrovaným UHF RF vysílačem na DPS (pro zvětšení klikněte na obrázek, podrobnosti naleznete v aplikačním listu AN1954 a AN1951)

TPMS přijímač

Přijímač může být realizován jako samostatné zapojení na DPS nebo jako součást nějakého rozsáhlejšího řídícího systému. Základními komponentami TPMS přijímače jsou opět mikrokontrolér (MC68HC908KX8) a UHF RF příjímač (MC33594 - PLL Tuned UHF Receiver) pracující stejně jako RF vysílač na frekvenci 315 nebo 434 MHz s modulací FSK. Příklad možného jednoduchého zapojení je na následujícím obrázku.

Jeden z možných příkladů zapojení TPMS přijímače z integrovaných obvodů Freescale: MCU MC68HC908KX8 a UHF RF přijímače MC33594 (pro zvětšení klikněte na obrázek, podrobnosti naleznete v aplikačním listu AN1954 a AN1951)

Závěr

Integrované multisenzorové obvody Freescale řady MPXY8300 dále miniaturizují měření a kontrolu tlaku v pneumatikách, které bylo nutné dříve realizovat umístěním jednotlivých bloků v podobě integrovaných obvodů na desku plošných spojů. Takto je prakticky nutné na malou destičku umístit jen samotný integrovaný vysílač a doplnit jej baterií, několika kondenzátory a anténkou. Pro další bližší informace o obvodech MPXY8300 odkazuji na stránku Freescalu http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPXY8300.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: