Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2012
Stephen Evanczuk, Electronic Products
Digi-Key
Системы контроля и мониторинга давления в шинах автомобилей (Tire-Pressure-Monitoring System – TPMS) позволяют заблаговременно сообщать об отклонениях давления от нормы или о повреждениях шин. TPMS, работающие отдельно или совместно с другими электронными системами автомобилей, играют существенную роль в обеспечении безопасности пассажиров, удобства управления автомобилем и продления срока службы шин. Основой большинства таких систем являются радиочастотные микросхемы, выполняющие функцию передачи данных о давлении, используемых системой безопасности автомобиля для предупреждения водителя о неполадках. Для разработки интегрированных, автономных и дополнительных TMPS устройств, инженеры могут воспользоваться доступными решениями известных производителей, в том числе Atmel, Maxim Integrated Products, Silicon Laboratories, Texas Instruments и др.
Системы TMPS можно разделить на две группы: с датчиками непосредственного измерения, напрямую отслеживающими давление шин, и косвенного измерения, использующими антиблокировочную систему автомобиля для определения изменения скорости вращения колеса, обусловленного уменьшением радиуса спущенной шины. В данной статье будет рассмотрен метод непосредственного мониторинга давления в шинах с помощью радиочастотных микросхем, передающих результаты измерений в систему управления безопасностью автомобиля.
Архитектура TMPS систем
Модули TMPS непосредственного измерения монтируются на внутренней стороне колесного диска и закрепляются на вентиле для накачивания шин (или вместо него). Каждый модуль измеряет текущее давление шины и по беспроводному низкочастотному каналу передает данные в специализированный TMPS контроллер или электронную систему управления автомобиля. Модули питаются от несъемных элементов питания, поэтому их энергопотреблению следует уделять при проектировании особое внимание. Для экономии энергии в архитектуре TMPS обычно используется специальный инициатор, передающий низкочастотный радиосигнал, по которому каждый TMPS модуль выходит на рабочий режим и передает данные о давлении в шинах, а затем снова уходит в «спящий» режим.
Для целей инициации измерений компанией Atmel специально разработана микросхема ATA5276 – низкочастотный передатчик диапазона 100 – 150 кГц с выходным током драйвера антенны до 1.5 А. Микросхема управляет LC контуром с частотой резонанса 125 кГц, выполняющим функцию инициатора. Микросхема управляется по простому однопроводному интерфейсу, содержит управляющую схему и генератор управляемый напряжением (ГУН), формирующий сигнал с частотой 125 кГц для возбуждения LC контура инициатора. Подавая последовательность данных на вывод DIO вместо обычного сигнала пробуждения, разработчики могут использовать ATA5276 для передачи ACK-модулированных данных TMPS модулям (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Помимо формирования простого сигнала пробуждения микросхема ATA5276 может использоваться и для беспроводной передачи ASK-модулированных данных модулям TMPS. |
Фактически, в каждой шине автомобиля установлен измерительный модуль TMPS, состоящий из датчика давления, схемы обработки сигнала и радиочастотного передатчика. При использовании блока инициатора, схема пробуждения модулей TMPS может быть сделана очень простой, например на основе компаратора MAX9075. В этом случае к входу компаратора подключается LC контур с резонансной частотой равной рабочей частоте инициатора (Рисунок 2). Выход компаратора управляет транзистором, который, в свою очередь, используется для активации процесса измерения давления модулем TMPS.
 |
|
| Рисунок 2. | В ответ на сигнал, детектированный LC контуром, схема пробуждения в модуле TMPS посылает остальным компонентам разрешающий сигнал, используя лишь один транзистор, переключаемый аналоговым компаратором. |
Измерение давления в шине
Результат измерения давления в шинах зависит от применяемых датчиков давления, выдающих температурно-зависимый дифференциальный выходной сигнал, как правило, очень нелинейный, с большим смещением и дрейфом. Для линеаризации, калибровки и температурной компенсации необходима схема преобразования и нормирования сигналов датчиков. Чтобы упростить эту часть схемы TMPS разработчики могут использовать специализированные интегральные микросхемы Texas Instruments PGA039 или Maxim MAX1452, или аналогичные приборы со встроенной подсистемой преобразования и нормирования сигналов датчика (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Специализированная микросхема PGA039 для преобразования и нормирования сигнала имеет весь необходимый функционал, необходимый для линеаризации, температурной компенсации и калибровки выходного сигнала датчика давления. |
В PGA039 содержится полная цепочка обработки сигнала, включающая входной мультиплексор, инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, схему линеаризации, источник опорного напряжения, управляющую логику и выходной усилитель. Разработчики имеют возможность калибровки устройства по однопроводному цифровому интерфейсу, параметры калибровки могут храниться во внешней EEPROM.
Микросхема MAX1452 – это прецизионное решение для преобразования и нормирования сигналов, совмещающее программируемый входной усилитель, цифро-аналоговые преобразователи, датчик температуры и EEPROM. Устройство сначала усиливает входной сигнал, затем выполняет его аналоговую температурную коррекцию, и, наконец, производит завершающую цифровую коррекцию. Кроме того, микросхема позволяет калибровать и корректировать сигналы датчика путем программного управления величиной тока или напряжения возбуждения измерительного моста.
Радиочастотная коммуникация
Разработчики беспроводных TMPS имеют большой выбор интегральных устройств ISM диапазона. Для TMPS модулей, требующих только передачи данных, могут использоваться микросхемы Maxim MAX7044, Micrel MICRF112, Silicon Labs Si4020/Si4021, Texas Instruments CC1070 и другие. Любой из приборов представляет собой завершенное решение, требующее минимального количества внешних компонентов, включающего кварцевый резонатор, блокировочные конденсаторы и элементы согласования выходного усилителя с антенной.
Микросхема МАХ7044 предназначена для передачи ASK/ООК сигналов в диапазоне 300 МГц – 450 МГц. Микросхема отличается повышенной выходной мощностью, составляющей +13 дБм при напряжении питания 2.7 В и потребляемом токе 7.7 мА.
ASK/FSK передатчик Micrel MICRF112 в рабочем диапазоне 300 МГц – 450 МГц имеет выходную мощность до +10 дБм. В отличие от большинства других устройств этого класса, требующих напряжения питания от 2.0 до 2.2 В, MICRF112 сохраняет работоспособность при 1.8 В.
Передатчики Si4020/Si4021 представляют собой полностью интегрированное решение для диапазона ISM, требующее лишь внешнего кварцевого резонатора и обходного фильтра. Две совместимых по выводам микросхемы имеют встроенную быструю ФАПЧ для работы в диапазонах 433, 868 и 915 МГц. Si4020 дополнительно может работать в диапазоне 315 МГц, а Si4021 отличается повышенной выходной мощностью (8 дБм, против 3 дБм у микросхемы Si4020).
Выпускаемый Texas Instruments однокристальный передатчик CC1070 позволяет, используя встроенные ГУН и делитель частоты, программно устанавливать рабочий диапазон. Устройство содержит также гибкую программируемую схему управления питанием, дающую разработчикам простую возможность включать режим сверхнизкого энергопотребления, когда модуль TMPS завершает передачу данных.
Система контроля и мониторинга давления в шинах является одним из важных устройств, обеспечивающих безопасность управления автомобилем и повышающих общий уровень комфорта пассажиров. Для успешной разработки интегрированных или автономных TMPS устройств инженерам необходимо объединить схему преобразования сигнала от датчика и передающую радиочастотную часть. Наличие описанных выше высокоинтегрированных решений ISM диапазона может значительно упростить конструкцию и сократить время разработки более сложных систем безопасности автомобиля.
