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

　　安森美半導(dǎo)體最近收購了Fairchild半導(dǎo)體，為客戶帶來50年的汽車行業(yè)經(jīng)驗，是全球第二大非微控制器的汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供包括用于自動駕駛和汽車功能電子化的全面方案。在汽車快速向智能化邁進的進程中，傳感器尤為關(guān)鍵。在這一趨勢下，安森美半導(dǎo)體推出世界上首款無源、無需額外單片機控制的智能傳感器，基于RFID協(xié)議，單芯片集成能量收發(fā)功能，可檢測溫度、濕度、壓力和距離，開創(chuàng)傳感器應(yīng)用的新格局。

　　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功能模塊：天線模塊，基于Magnus IC的傳感器模塊，電源、單片機、處理模塊，如圖1所示。天線模塊基于UHF工業(yè)標準第二版協(xié)議進行無線通信，并收集能量供內(nèi)部處理單元使用。電源、單片機、處理模塊兼容RFID生態(tài)系統(tǒng)部件，可用標準的RFID閱讀器進行讀取等工作。基于Magus IC(業(yè)界首款無源RFID傳感器芯片)的傳感器模塊，可調(diào)整的前端自動調(diào)諧模塊可通過內(nèi)部電路感知阻抗變化檢測環(huán)境狀態(tài)，如濕度或壓力，每個智能傳感器都有一個獨立的溫度傳感器來讀取溫度信息，芯片通過無線信號強度來檢測距離/運動/狀態(tài)，每個智能傳感器內(nèi)部存儲保存獨一無二的ID用于進行身份識別。最終檢測精度取決于UHF RFID工作頻率范圍內(nèi)的過采樣頻率。

　　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，同時為RFID傳感器充電，當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

　　相較現(xiàn)有傳感器，智能無源傳感器有諸多優(yōu)勢：現(xiàn)有傳感器需在每個PCB上放置檢測傳感器、電源、控制及通信芯片、單片機等，因而體積尺寸大，成本高，需要維護;而智能無源傳感器的每個節(jié)點為被動發(fā)現(xiàn)智能標簽電源，單片機及數(shù)據(jù)處理都放在獨立的閱讀器上，無需電池，尺寸小，像膠帶一樣薄，每個閱讀器可支持多個標簽，因而成本低，無需維護。

　　雖然UHF RFID輔助電子標簽也是無源標簽，節(jié)點無需電池，通過TID碼和電子標簽代碼(EPC)實現(xiàn)獨一無二的ID，但被工作吸附材料表面反射會降低有效讀取距離，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，從而升級有效讀取距離，且集成濕度、壓力、距離和溫度檢測等傳感器功能。

　　智能無源傳感器應(yīng)用實例

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

圖2：一個閱讀器滿足無限車載傳感器應(yīng)用需求

　　1. 座椅檢測

　　座椅檢測是通過傳感器來實現(xiàn)保障乘員安全的系統(tǒng)。常用的座椅檢測系統(tǒng)基于重量或壓力進行判斷，任何物體如一袋食品雜貨，也會觸發(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，無線傳感器標簽被嵌入座椅內(nèi)(濕度傳感器標簽嵌入椅背，壓力傳感器標簽嵌入座墊)。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(fā)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安全性。該方案可檢測車內(nèi)剩余座位數(shù)，可擴展到對后排座椅和兒童安全座椅的檢測，并且多個座椅共用一個控制單元(閱讀器)進行控制，嵌入式無源濕度傳感器無需任何線束和接插件。

圖3：座椅檢測傳統(tǒng)方案(左) vs.智能無源方案(右)

　　2. 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(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)進行液位檢測，可以檢測多種液體包括水、煤氣、汽油、機油、溶劑酸等等 ，貼合式的濕度傳感器放置在水槽的外部，傳感器標簽最長不超過4英寸，長距離測量可使用多個標簽，通過檢測連通管道可實現(xiàn)精確測量，兩個傳感器分別安裝在上端和下端，通過介電常數(shù)的變化進行檢測(例如氣體混合物)。

圖4：液位檢測市場當前方案(左) vs. 智能無源傳感器方案(右)

　　3. 雨量傳感器 - 自動雨刮啟動控制

　　當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)誤動作。而創(chuàng)新的智能無源傳感器使用濕度檢測，可覆蓋擋風(fēng)玻璃更寬的區(qū)域，可將多個濕度傳感器標簽貼于擋風(fēng)玻璃上不同位置，檢測擋風(fēng)玻璃上高介電常數(shù)的水，擋風(fēng)玻璃上傳感器的數(shù)量可以通過標定確定，光感可以不同的傳感器進行檢測。下一代產(chǎn)品可將天線內(nèi)嵌到玻璃內(nèi)部進行安裝，利用兩腳之間的傳感器引擎檢測電阻抗變化，實現(xiàn)僅需一個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

　　當用于區(qū)域無線溫度監(jiān)控時，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區(qū)域無線溫度監(jiān)控，唯一的RFID識別碼支持自動識別，閱讀器與車內(nèi)網(wǎng)關(guān)相連，自動空調(diào)系統(tǒng)可實時讀取數(shù)據(jù)進行自動高精度控制，內(nèi)建 -40 ℃至 +85 ℃ (+/- 1 ℃精度) 測量范圍，下一代產(chǎn)品將支持125℃以上的溫度。

　　5. 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

　　胎壓監(jiān)測系統(tǒng)用作實時自動監(jiān)測行車過程中的輪胎氣壓，在出現(xiàn)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(jīng)濟性，延長輪胎使用時間，減少懸掛系統(tǒng)的磨損。市場上當前用于胎壓監(jiān)測系統(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，需要加速計以避免輪胎未移動時將電池耗盡，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，單個傳感器模塊功耗低于15 uW，因而無論當輪胎旋轉(zhuǎn)還是靜止時都可檢測輪胎壓力和溫度信息。智能無源傳感器標簽置于每一輪胎，唯一的RFID識別碼支持自動輪胎定位，軟件無需重新編程。

圖6：智能無源傳感器用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

　　6. 汽車下線漏液檢測

　　車廠在汽車出廠前會對其進行高壓浸水測試：關(guān)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，典型的配置包含六到十多個傳感器，每個位置分配唯一的EPC，根據(jù)車輛大小和整車廠的具體需求，放置在特定的檢測位置或水流匯合點進行漏液檢測，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。

　　合規(guī)性、安全性和EMI性能

　　安森美半導(dǎo)體在不同的場合/配置用閱讀器、天線和9個傳感器標簽基于 CISPR-25 Class 3進行測試，通過了外部區(qū)域傳輸測試，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 標準，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)和一臺手機的發(fā)射功率一樣大，因此沒有任何安全和健康風(fēng)險。

　　可訂購的產(chǎn)品及套件

　　目前，安森美半導(dǎo)體可提供如下型號的智能無源傳感器樣品，和基于AMS RFID IC + 8位單片機+CAN收發(fā)器的閱讀器參考設(shè)計、3至6dBi UHF 接收天線參考設(shè)計，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，安森美半導(dǎo)體持續(xù)推動汽車領(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合，如座椅檢測、液位檢測、雨刮、胎壓監(jiān)測、整車漏液檢測等，其靈活的安裝位置及可定制的尺寸及功能設(shè)計助力智能汽車的發(fā)展。