安森美半導(dǎo)體首創(chuàng)智能無源傳感器助力智能汽車的發(fā)展

智能無源傳感器的功能模塊及工作原理

智能無源傳感器包括三個(gè)功能模塊：天線模塊，基于Magnus IC的傳感器模塊，電源、單片機(jī)、處理模塊，如圖1所示。天線模塊基于UHF工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第二版協(xié)議進(jìn)行無線通信，并收集能量供內(nèi)部處理單元使用。電源、單片機(jī)、處理模塊兼容RFID生態(tài)系統(tǒng)部件，可用標(biāo)準(zhǔn)的RFID閱讀器進(jìn)行讀取等工作?；贛agus IC(業(yè)界首款無源RFID傳感器芯片)的傳感器模塊，可調(diào)整的前端自動(dòng)調(diào)諧模塊可通過內(nèi)部電路感知阻抗變化檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)，如濕度或壓力，每個(gè)智能傳感器都有一個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器來讀取溫度信息，芯片通過無線信號(hào)強(qiáng)度來檢測(cè)距離/運(yùn)動(dòng)/狀態(tài)，每個(gè)智能傳感器內(nèi)部存儲(chǔ)保存獨(dú)一無二的ID用于進(jìn)行身份識(shí)別。最終檢測(cè)精度取決于UHF RFID工作頻率范圍內(nèi)的過采樣頻率。

圖1：智能無源傳感器功能框圖

智能無源傳感器基于RFID協(xié)議，傳輸頻率范圍為860至960 MHz。首先，RFID閱讀器發(fā)送讀取命令，同時(shí)為RFID傳感器充電，當(dāng)RFID芯片被充電后開始工作，讀取相關(guān)的傳感器信息，并通過天線反饋至RFID閱讀器。

智能無源傳感器的優(yōu)勢(shì)

相較現(xiàn)有傳感器，智能無源傳感器有諸多優(yōu)勢(shì)：現(xiàn)有傳感器需在每個(gè)PCB上放置檢測(cè)傳感器、電源、控制及通信芯片、單片機(jī)等，因而體積尺寸大，成本高，需要維護(hù);而智能無源傳感器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)發(fā)現(xiàn)智能標(biāo)簽電源，單片機(jī)及數(shù)據(jù)處理都放在獨(dú)立的閱讀器上，無需電池，尺寸小，像膠帶一樣薄，每個(gè)閱讀器可支持多個(gè)標(biāo)簽，因而成本低，無需維護(hù)。

雖然UHF RFID輔助電子標(biāo)簽也是無源標(biāo)簽，節(jié)點(diǎn)無需電池，通過TID碼和電子標(biāo)簽代碼(EPC)實(shí)現(xiàn)獨(dú)一無二的ID，但被工作吸附材料表面反射會(huì)降低有效讀取距離 ，且無傳感器功能;智能無源傳感器無工作吸附材料表面反射，從而升級(jí)有效讀取距離，且集成濕度、壓力、距離和溫度檢測(cè)等傳感器功能。

智能無源傳感器應(yīng)用實(shí)例

一個(gè)智能無源傳感器閱讀器可讀取上千個(gè)傳感信息，所以在車上僅需要一個(gè)閱讀器配以多個(gè)天線就可滿足很多傳感需求，如液位檢測(cè)、胎壓監(jiān)測(cè)(TPMS)、溫度檢測(cè)、座椅檢測(cè)、雨刮、室內(nèi)空氣及前大燈濕度/漏液檢測(cè)等。

圖2：一個(gè)閱讀器滿足無限車載傳感器應(yīng)用需求

1. 座椅檢測(cè)

座椅檢測(cè)是通過傳感器來實(shí)現(xiàn)保障乘員安全的系統(tǒng)。常用的座椅檢測(cè)系統(tǒng)基于重量或壓力進(jìn)行判斷，任何物體如一袋食品雜貨，也會(huì)觸發(fā)安全帶警告，誤判率比較高。

安森美半導(dǎo)體新推出的智能無源傳感器方案中，無線傳感器標(biāo)簽被嵌入座椅內(nèi)(濕度傳感器標(biāo)簽嵌入椅背，壓力傳感器標(biāo)簽嵌入座墊) 。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)確定乘客的體型大小，并可將乘員坐姿反饋至智能安全氣囊控制單元以優(yōu)化氣囊釋放角度來增強(qiáng)安全性。該方案可檢測(cè)車內(nèi)剩余座位數(shù)，可擴(kuò)展到對(duì)后排座椅和兒童安全座椅的檢測(cè)，并且多個(gè)座椅共用一個(gè)控制單元(閱讀器)進(jìn)行控制，嵌入式無源濕度傳感器無需任何線束和接插件。

圖3：座椅檢測(cè) 傳統(tǒng)方案(左) vs.智能無源方案(右)

2. 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)需要連接電線到水槽內(nèi)部。

而安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器可使水槽中沒有任何引線及電氣問題：用流體的介電常數(shù)進(jìn)行液位檢測(cè)，可以檢測(cè)多種液體包括水、煤氣、汽油、機(jī)油、溶劑酸等等 ，貼合式的濕度傳感器放置在水槽的外部，傳感器標(biāo)簽最長(zhǎng)不超過4英寸，長(zhǎng)距離測(cè)量可使用多個(gè)標(biāo)簽，通過檢測(cè)連通管道可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，兩個(gè)傳感器分別安裝在上端和下端，通過介電常數(shù)的變化進(jìn)行檢測(cè)(例如氣體混合物)。

圖4：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)

3. 雨量傳感器 - 自動(dòng)雨刮啟動(dòng)控制

當(dāng)前汽車使用的雨刮控制系統(tǒng)基于陽光折射，易受干擾而觸發(fā)誤動(dòng)作。而創(chuàng)新的智能無源傳感器使用濕度檢測(cè)，可覆蓋擋風(fēng)玻璃更寬的區(qū)域 ，可將多個(gè)濕度傳感器標(biāo)簽貼于擋風(fēng)玻璃上不同位置，檢測(cè)擋風(fēng)玻璃上高介電常數(shù)的水，擋風(fēng)玻璃上傳感器的數(shù)量可以通過標(biāo)定確定，光感可以不同的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。下一代產(chǎn)品可將天線內(nèi)嵌到玻璃內(nèi)部進(jìn)行安裝，利用兩腳之間的傳感器引擎檢測(cè)電阻抗變化，實(shí)現(xiàn)僅需一個(gè)傳感器的智能雨刮控制。

圖5：智能雨刮

4. 區(qū)域無線溫度監(jiān)控

當(dāng)用于區(qū)域無線溫度監(jiān)控時(shí)，現(xiàn)有的溫度傳感器都是有引線的、有源的，且安裝位置受限制。創(chuàng)新的智能無源傳感器能用于多個(gè)區(qū)域無線溫度監(jiān)控，唯一的RFID識(shí)別碼支持自動(dòng)識(shí)別，閱讀器與車內(nèi)網(wǎng)關(guān)相連，自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)高精度控制，內(nèi)建 -40 ℃ 至 +85 ℃ (+/- 1 ℃精度) 測(cè)量范圍，下一代產(chǎn)品將支持125℃以上的溫度。

5. 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，功耗高于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。

而安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器是單芯片方案，無需電池和加速度傳感器，單個(gè)傳感器模塊功耗低于15 uW，因而無論當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)還是靜止時(shí)都可檢測(cè)輪胎壓力和溫度信息。智能無源傳感器標(biāo)簽置于每一輪胎，唯一的RFID識(shí)別碼支持自動(dòng)輪胎定位，軟件無需重新編程。

圖6：智能無源傳感器用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

6. 汽車下線漏液檢測(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)出漏液，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)，典型的配置包含六到十多個(gè)傳感器，每個(gè)位置分配唯一的EPC，根據(jù)車輛大小和整車廠的具體需求，放置在特定的檢測(cè)位置或水流匯合點(diǎn)進(jìn)行漏液檢測(cè)，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)。

合規(guī)性、安全性和EMI性能

安森美半導(dǎo)體在不同的場(chǎng)合/配置用閱讀器、天線和9個(gè)傳感器標(biāo)簽基于 CISPR-25 Class 3 進(jìn)行測(cè)試，通過了外部區(qū)域傳輸測(cè)試，且在射頻傳輸頻率范圍860至960 MHz的最大發(fā)射功率為33 dBm(約2 W)，遵從FCC Part 15和FCC 47CFR2:0ET(<1 W)，EMC符合CISPR-25 Class 3規(guī)范，RFID 區(qū)域頻段不會(huì)交叉干擾其它頻段。

由于智能無源傳感器本身沒有內(nèi)部能源，它通過RF反射傳輸，所以沒有安全隱憂。閱讀器方面，由于其工作在UHF RFID 頻段860-960MHz，符合國際協(xié)議 ISO/IEC 18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)，這一頻段處于電磁波譜的低端，比車載音響的輻射危害更低，而系統(tǒng)最大輸出功率 2 W (33 dbM) 和一臺(tái)手機(jī)的發(fā)射功率一樣大，因此沒有任何安全和健康風(fēng)險(xiǎn)。

可訂購的產(chǎn)品及套件

目前，安森美半導(dǎo)體可提供如下型號(hào)的智能無源傳感器樣品，和基于AMS RFID IC + 8位單片機(jī)+CAN收發(fā)器的閱讀器參考設(shè)計(jì)、3至6 dBi UHF 接收天線參考設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)有效讀取距離仿真模型、天線放置位置優(yōu)化建議、開源示例代碼和基本/高級(jí)功能開發(fā)套件。

表1：可訂購的智能無源傳感器

結(jié)語

作為全球第二大非微控制器的汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商，傳承50年的汽車半導(dǎo)體經(jīng)驗(yàn)，安森美半導(dǎo)體持續(xù)推動(dòng)汽車領(lǐng)域的高能效創(chuàng)新，公司近期推出的智能無源傳感器是世界上首款無源、無需額外單片機(jī)控制的智能傳感器，單芯片、無控制器傳感功能提升汽車智能水平，無源無線特性減少車內(nèi)線束。芯片內(nèi)部集成專用數(shù)據(jù)處理內(nèi)核及溫度、濕度、壓力、距離等傳感器，其無需電池、超薄、超小體積、低成本的特性使其可用于難于接觸的位置、空間受限的應(yīng)用及需要多種傳感器功能的場(chǎng)合，如座椅檢測(cè)、液位檢測(cè)、雨刮、胎壓監(jiān)測(cè)、整車漏液檢測(cè)等，其靈活的安裝位置及可定制的尺寸及功能設(shè)計(jì)助力智能汽車的發(fā)展。