安森美半導體首創智能無源傳感器用于汽車無線感測應用

　　傳感器是汽車電子控制系統的關鍵元器件，高性能的傳感器對提升汽車主動安全、燃油經濟性及舒適性有著重大意義。安森美半導體作為全球汽車半導體行業翹楚，憑借廣博的專知和寬廣的產品及方案陣容，持續推動汽車領域的高能效創新，近期推出首創的超高頻射頻識別(RFID)傳感器，該器件將一個稱為Magnus的智能傳感器IC及可印制的天線相結合，無需外接電源，能無線感測溫度、濕度、壓力和距離，用于汽車胎壓監測、座椅壓力檢測、整車質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，并為無限量的汽車及其它低成本感測應用開啟了大門。

　　現有無線傳感器與智能無源傳感器的比較

　　當前市面上的無線傳感器大都由收發器、額外的外圍元件、刺激探測器及微控制器等多個IC組成，由電池供電，需要使用專用微控制器在每一節點對感測到的數據進行本地后處理。這類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，目標市場有限。

　　智能無源傳感器則將多個傳感器和功能集成到單個芯片(遠程中央處理單元進行后處理。這種創新方案的優勢在于集成度高，元件數較少，單個處理單元可為多個傳感器工作，無需后期維護，較傳統的無線傳感器降低成本和能耗，且市場擴展性極高。

　　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和一個遠程無線收發器。MagnusR-S是一個系統單芯片，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;遠程無線收發器用于收集感測信息并對其進行后處理，每秒能收集來自100個傳感器的數據。

　　圖1. 智能無源傳感器架構及工作原理

　　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和遠程無線收發器之間的通信介質，和根據環境改變天線阻抗的刺激探測器。ChameleonTM傳感器引擎用于檢測由周圍環境變化引起的天線阻抗的變化，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，以確定與無線收發器相關的傳感器的位置，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。感測通過對存儲在非易失性存儲器中校準的已知狀態進行相關測量而實現，參考數據可隨時被檢索用于相關感測。遠程無線收發器收集感測數據并對其進行后處理，減輕每一單個傳感器本地后處理數據的負擔，使得單個無線收發器能服務于數以千計的傳感器。

　　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、醫療、工業、物聯網等多個應用領域。在汽車領域，該方案主要用于胎壓監測系統、座椅壓力檢測、整車質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時自動監測行車過程中的輪胎氣壓，在出現胎壓不足或過高的危險征兆時及時報警，提升行車安全性和燃油經濟性，延長輪胎使用時間，減少懸掛系統的磨損。市場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時將電池耗盡，在輪胎旋轉期間需重新編程以定位，成本高于30美元。

　　最初使用智能無源傳感器的胎壓監測系統由一個雙天線模塊和一個撓度隨壓力變化的鋼膜組成：單極子利用閥桿作為通信的單極子天線，環形天線收集電能以驅動傳感器;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。智能無源傳感器標簽置于每一輪胎，獨特的RFID提供自動輪胎定位，無論當輪胎旋轉還是靜止時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的軟件無線電模塊到現成的電子控制單元，可用于汽車中的多個傳感器標簽。這智能無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. 智能無源傳感器用于胎壓監測系統

　　傳感器標簽的識別是通過利用每一傳感器的兩個非易失性內存插槽，即標簽識別號(TID)和電子產品代碼(EPC)來實現。TID內存插槽提供無法擦除的唯一傳感器識別號，并在生產過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)和傳感器類型、制造時間及地點信息。EPC內存插槽為用戶定義的分配給傳感器標簽的標號提供最少96位可寫內存。

　　座椅壓力檢測

　　座椅壓力檢測是通過傳感器來實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的網絡檢測，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，也會觸發安全帶警告燈。

　　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) 。濕度標簽通過人體檢測元素可確定座椅上是否有人，消除物品觸發安全帶警示的麻煩，提升可靠性;壓力標簽通過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閱讀器發送到汽車控制單元以優化氣囊釋放角度來增強安全性。其中的軟件無線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.智能無源方案(右)

　　整車質量控制漏水檢測

　　車廠在汽車出廠前會對其進行高壓浸水測試：關閉汽車門窗后，從不同角度對汽車進行高壓噴水，以測試汽車的密封性能及底盤是否滲水。當前市面上的方案多采用人工探測的方式，耗時長且容易出錯，一旦檢測出漏水，必須將汽車拆卸至底盤以作修復。

　　安森美半導體的智能無源傳感器用于此類應用時，在制造過程中將無線傳感器標簽貼于底盤的特定區域，通過簡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簽，無需人工探測，如果浸水，傳感器代碼會指出精確的浸水源，汽車將下線作檢測。根據汽車尺寸和汽車整車廠商的要求，用于整車漏水檢測的配置可由2至10多個濕度傳感器組成。

　　圖4. 智能無源傳感器用于汽車漏水檢測

　　液位檢測

　　汽車液位檢測包括對燃油箱油量、機油液位、制動液液位及酸性液體液位等的檢測。市場上當前的汽車液位檢測系統需要連接電線，且須位于容器內部。

　　而安森美半導體的智能無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行了優化，能檢測多種液體;其長度最長不超過4英寸，從而能滿足在空間有限的容器外貼多個傳感器標簽的需求。

　　將智能無源傳感器標簽剝離并貼在容器外，并使用手持閱讀器查詢傳感器標簽以獲得一個傳感器代碼，傳感器代碼將被發送到后端微控制器用于后處理，以將傳感器代碼和汽車內特定的液位相對應。

　　圖5. 液位檢測 市場當前方案(左) vs. 智能無源傳感器方案(右)

　　結語

　　安森美半導體的智能無源傳感器集成Magnus 系統單芯片，無需外接電源，能無線感測溫度、濕度、壓力和距離，提供更強固的高能效設計，用于汽車胎壓監測系統、座椅壓力檢測、整車漏水檢測及液位檢測具有顯著的成本、能效及可靠性優勢，是省去當今汽車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其它感測應用及醫療、工業、物聯網等多個領域。