Измеряем давление в автомобильных шинах с датчиком MLX91804 от Melexis

В Интернете легко найти множество видео с примерами аварий, которые случаются, когда в процессе движения происходит прокол или взрыв покрышки автомобиля. Если при этом за рулем находится неопытный водитель, то это происшествие может закончиться очень печально. По этой причине одним из перспективных нововведений в сфере безопасности автотранспортных средств является система контроля за состоянием автомобильных шин. Контролировать состояние шин не такая простая задача, но она вполне выполнима, если использовать новейшие наработки электронной промышленности, такие, например, как системы мониторинга давления шин (tirepressure monitoring system, TPMS) от компании Melexis. Недавно Melexis выпустила новую микросхему MLX91804, которая ставит новые рекорды по уровню потребления и габаритам.

Рис. 1.	Интеллектуальные датчики давления от Melexis.

Любой автомобилист знает, что давление в шинах необходимо поддерживать в заданных пределах. Если давление слишком низкое, покрышки быстро изнашиваются, а расход топлива увеличивается. Если перекачать колеса, то езда станет менее комфортной из-за переизбытка жесткости, и, кроме того, в некоторых случаях возможен взрыв покрышки, что чрезвычайно опасно. Кроме поддержания уровня давления, важно, чтобы его значение было одинаковым во всех колесах, чтобы машину «не вело». Хотя, конечно, в ряде случаев разность давления в колесах создают специально, например, в гоночных болидах.

Сейчас в обычных автомобилях давление шин проверяется контактным способом с помощью подключенного манометра. Естественно, при этом автомобиль должен стоять на месте. Измерять давление в процессе движения – гораздо более сложная задача. Протянуть провода или пневмошланги к колесу весьма проблематично. Ведь в этом случае их необходимо как-то синхронизировать с вращением колеса, а также подключать и отключать при установке и снятии шины. Значит, решать эту задачу нужно по-другому. Компания Melexis разработала для этих целей особые специализированные датчики – интегральные системы мониторинга давления шин (tire pressure monitoring system,TPMS).

Такой датчик становится неотъемлемой частью бескамерного колеса и устанавливается непосредственно на диске (Рис. 2). Для взаимодействия с электронным блоком машины (так называемыми «мозгами») используется беспроводной радиоканал. Питание всей схемы можно осуществлять от собственной батарейки или аккумулятора, или даже от комбинации аккумулятора и харвестера кинетической энергии.

Рис. 2.	Интеллектуальные датчики давления от Melexis.

Принцип действия такого датчика достаточно прост, но для его реализации необходимо решить сразу несколько задач:

• датчик должен иметь богатый набор компонентов: контроллер, датчик давления, радиопередатчик, систему питания, батарею или аккумулятор;
• датчик должен иметь минимальные габариты и минимальную массу, чтобы не разбалансировать колесо;
• датчик должен иметь минимальное потребление, так как это позволит использовать меньшие по размерам и емкости батареи или аккумуляторы;
• датчик должен быть устойчив к значительным ударным и вибрационным нагрузкам, так как именно колесо автомобиля принимает их на себя;
• датчики должен сохранять работоспособность в широком диапазоне температур.

Очевидно, что добиться выполнения всех этих требований тяжело, но компания Melexis предложила достойное решение в виде новой микросхемы MLX91804. С первого взгляда на нее становится понятно, что проблема с габаритами решена достаточно успешно. MLX91804 выпускается в миниатюрном корпусе DFN-14 4 × 5 мм и занимает на печатной плате площадь около 20 мм² (Рис. 3). Melexis утверждает, что это на 60% меньше, чем у любой другой микросхемы того же класса. Для сравнения, датчик предыдущего поколения MLX91801 выпускался в корпусе SO-16 и занимал площадь 130 мм².

Рис. 3.	Интеллектуальные датчики давления от Melexis.

MLX91801 – это сложная микросхема, объединяющая в одном корпусе (Рис. 4):

• датчики: давления, температуры, ускорения, напряжения;
• программируемый усилитель;
• 16-битный АЦП;
• 16-битный RISC микроконтроллер MLX16;
• радиопередатчик: 315/433 МГц, скорость передачи данных до 150 кбит/с.

Рис. 4.	Интеллектуальные датчики давления от Melexis.

Выходное напряжение со встроенных датчиков коммутируется с помощью мультиплексора на усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Далее сигнал оцифровывается с помощью АЦП. Микросхема MLX91804 содержит один 16-битный АЦП, который может работать с разрешением 12 или 16 бит. Изменение рабочей разрядности позволяет сэкономить на потреблении и скорости оцифровки данных.

Получаемые цифровые значения попадают на микроконтроллер. Встроенный 16-битный RISC микроконтроллер MLX16 имеет 16 Кбайт FLASH, 512 ОЗУ, 128 байт NVRAM и три порта ввода-вывода. После обработки данные передаются в центральный вычислительный блок автомобиля с помощью беспроводных каналов связи. Для приема используется НЧ канал 125 кГц, а для передачи ВЧ канал 300…450 МГц. Для этого необходимо наличие внешних согласованных цепей и антенны (для ВЧ радиоканала).

Таким образом, на борту у MLX91801 есть все, что необходимо для мониторинга давления и температуры шины, а также контроля ускорения. Наличие радиопередатчика позволяет сделать данную систему автономной и работать от батареек. При этом важно учесть тот факт, что MLX91801 отличается минимальным потреблением.

Датчик MLX91801 способен работать даже от элементов питания CR2032. Это стало возможным благодаря очень низкому уровню потребления микросхемы, который достигается за счет оптимальной структуры, наличия режимов пониженного потребления и широкого диапазона питающих напряжений 1.8…3.6 В. При необходимости микроконтроллер может отключать питание всей системы и уходить в глубокий сон. Интересно, что инженеры из компании Melexis предполагают возможность использования кинетических харвестеров энергии, то есть потенциально датчик может работать и вовсе без замены аккумуляторов практически неограниченно долго. В итоге с точки зрения организации питания датчика у разработчиков наблюдается полная свобода творчества.

В заключение нужно отметить и отличные эксплуатационные качества датчика. Так, например, он способен работать в расширенном диапазоне температур –40…+125 °C. Говоря о надежности MLX91801, стоит упомянуть о наличии функции самотестирования, которая позволяет обнаруживать нарушения в работе датчика.

Как было сказано выше, датчик MLX91801 разрабатывался для создания систем мониторинга давления шин. Однако ничто не мешает использовать его и в других приложениях, в том числе в промышленном оборудовании.

Характеристики микросхемы датчика давления MLX91804:

• встроенный микроконтроллер: 16-битный RISCMLX16, 16 Кбайт FLASH, 512 ОЗУ, 128 байт NVRAM, 3 порта ввода-вывода;
• датчик давления: диапазон 100…1400 кПа, точность ±4 кПа, разрешение 0.2 кПа;
• акселерометр: ±650 g;
• радиопередатчик: 315/433 МГц, скорость передачи данных до 150 кбит/с;
• АЦП: 12 или 16 бит;
• напряжение питания: 1.8…3.6 В;
• диапазон рабочих температур: –40…+125 °C;
• корпусное исполнение: 4 × 5 мм DFN-14.

О компании:

Melexis – компания, специализирующаяся на разработке и производстве микросхем для автомобильной электроники. Номенклатура производителя включает широкий перечень компонентов: датчики (тока, давления, температуры, положения, скорости), контроллеры двигателей (бесколлекторных и постоянного тока), микросхемы интерфейсов (LIN), оптические компоненты, беспроводные микросхемы (радиотрансиверы, NFC и т. д.), микроконтроллеры и многие другие.

Посмотреть подробнее характеристики интеллектуальных датчиков давления от Melexis