Интеллектуальные системы контроля давления

Интеллектуальные
системы контроля
давления воздуха в шинах.
А. Абрамов, Д. Панфилов
abramov@microem.msk.ru
Количество автомобильных аварий на дорогах
мира увеличивается с каждым годом. И все это происходит в эпоху, когда все больше и
больше электроники управляет автомобильными узлами, которые должны помогать
водителю при движении и избегать аварийных ситуаций. Но после случившейся аварии
очень сложно определить истинную причину аварии.
Одной из основных причин автомобильных катастроф является низкое давление одной
из шин. Иногда люди просто забывают контролировать давления воздуха в шинах
автомобиля. Особенно это важно при дальних поездках на загородных трассах, где
скоростные режимы существенно выше, чем в городе. Решением этой проблемы
может стать индикатор на приборной панели, который бы информировал их об
изменении давления, такой как указатель топлива в баке, давления масла, заряда
батареи и температуры. Первыми, кто решились изменить ситуацию на уровне
правительства, стали американцы, которые издали закон. В нем говорится о том, что с
2004 года все продаваемые новые автомобили на территории США должны быть
оборудованы системой контроля давления воздуха в шинах.
Системы контроля давления воздуха в шинах появились на мировом рынке несколько
лет назад. Но они устанавливались либо на дорогие автомобили при производстве,
либо при тюнинге. Но речи о массовом продукте не было.
Введение в TPMS (Tire Pressure Monitoring System – Система Контроля
Давления в Шинах)
Каким же образом может работать такая система? Измерительный модуль,
контролирующий давление воздуха в шине, должен быть расположен внутри
автомобильного колеса, если необходимо производить контроль в режиме реального
времени. (Рисунок 1)
Рисунок 1.
Информация с датчика должна передаваться по беспроводному каналу связи,
например по ВЧ, и отображаться на приборной панели водителя. Удаленный
измерительный модуль должен состоять из датчика давления, процессорного ядра,
температурного датчика для реализации компенсации температурной нестабильности
и ВЧ передатчика. Система питается от батареи со встроенным интеллектом, который
должен обеспечивать продолжительный срок службы модуля. Срок службы батареи в
модуле является очень важной проблемой, т.к. это не должно доставлять больших
проблем владельцу автомобиля. Поэтому в ряде спецификаций на такие модули
требуется до 10 лет работы модуля без замены батареи.
Приемная часть может быть реализована как отдельным модулем, так и совмещена с
другими модулями автомобиля. Например, в качестве контроллера для приемника
может использоваться контроллер от комбинации приборов или центральный
процессор автомобиля. А в качестве приемной части может использоваться приемная
часть для удаленного безключевого доступа в автомобиль (remote keyless entry - RKE),
особенно если обе системы работают на одной частоте. Совмещение различных
функций помогает сэкономить в стоимости, а так же ускорить время разработки и
ускорить внедрение в серийное производство автомобилей.
Модуль удаленного измерения (Remote Sensing Module – RSM). Однажды
установленный в колесо, модуль работает как
автономное устройство. Он должен обладать
достаточным
интеллектом,
чтобы
управлять
различными функциями, такими как измерение
давления и температуры, ВЧ передачи, а так же
управление энергосбережением (Рисунок 2). Два
новых компонента, о которых пойдет речь далее,
позволяют решать все вышеперечисленные задачи.
Первый - это датчик, который позволяет измерять
температуру и давление. Второй – микроконтроллер
и ВЧ передатчик, расположенные в одном корпусе.
Рисунок 2. Обобщенная схема
измерительного модуля
Датчик давления для TPMS. Датчик давления,
предназначенный для TPMS, MPXY8020A (Daytona) фирмы Моторола создан по КМОП
технологии, известной по очень низкому энергопотреблению. Потребление датчика в
режиме ожидания составляет менее 0.5 мкА. В связи с тем, что большую часть
времени датчик находится именно в этом режиме, то он идеально подходит для данной
задачи, где одной из наиболее важных проблем является проблема
энергопотребления.
Ячейки измерения давления и температуры являются емкостными, и при
необходимости происходит перевод из емкости в напряжение. В сочетании с
аналоговыми функциями, технология КМОП позволяет сочетать и цифровые функции.
В датчик встроена энергонезависимая память для хранения калибровочных данных, и
АЦ преобразователь.
Внутренняя машина состояний датчика работает в четырех режимах:
• Режим ожидания. Все аналоговые и цифровые блоки выключены, за исключением
внутреннего низкочастотного генератора, который периодически посылает сигнал
«пробуждения» на микроконтроллер.
• Измерение давления. Ячейка давления и преобразователь емкость-напряжение
включены
• Измерение температуры. Ячейка температуры и блок преобразования включены.
• Чтение. После прохождения одного из режимов измерения, измеренная величина
сохраняется на конденсаторе. Режим чтения активирует АЦ преобразователь и
позволяет контроллеру прочитать измеренную величину.
Эти четыре режима кодируются двумя внешними выводами, которые контролируются
микроконтроллером.
Микроконтроллер. Ядром модуля служит микроконтроллер популярной серии HC08.
Кристалл MC68HC908RF2 является сочетанием ядра HC08 и ВЧ передатчика в одном
32-выводном корпусе LQFP. Двойной чип HC908RF2 не имеет соединений между
кристаллом контроллера и кристаллом ВЧ передатчика, но выводы оптимально
расположены таким образом, чтобы внешние соединения были минимальны (Рисунок
3).
Ядро HC08 идеально подходит для TPMS
приложения не только по производительности, но
и по портам ввода вывода, а так же
энергопотреблению. К тому же 2 кбайта FLASH
памяти со встроенным повышающим источником
позволяют разработчикам изменять исходный
код, при усовершенствовании и изменении
алгоритмов работы. Такое решение, основанное
на программной реализации, более гибкое и
более дешевое в сравнении с аналогичными
системами на ASIC или дискретных компонентах.
Рисунок 3. Обобщенная структура
микроконтроллера
ВЧ передатчик основан на ФАПЧ (PLL) с амплитудной (ASK) или фазовой (FSK)
модуляцией,
которая
задается
программно.
Скорость
передачи
данных
программируется до 9600 бод. При использовании задающего кварцевого резонатора
на 13.56 МГц, ФАПЧ (PLL) может формировать несущую частоту 315 МГц, 433 МГц или
868 МГц, которые используются в различных странах.
В связи с тем, что микроконтроллер выполнен по стандартной КМОП (CMOS)
технологии, а БиКМОП (BiCMOS) технология используется в ФАПЧ (PLL) передатчике,
то на данный момент не представляется возможным исполнить две технологии на
одном кристалле. В ближайшем будущем эти две технологии объединяться, открывая
дорогу однокристальным решениям.
Архитектура системы
Датчик Daytona разработан
для согласованной работы
с микроконтроллером, при
которой часть функций,
например
управление
энергопотреблением,
являются совместными.
Когда датчик находится в
Рисунок 3. Обобщенная архитектура системы
режиме
ожидания,
его
внутренний низкочастотный
генератор периодически «будит» микроконтроллер. После каждого «пробуждения»
микроконтроллер выполняет заданную алгоритмом программу. Между двумя
«пробуждающими» импульсами микроконтроллер находится в режиме “stop”, при
котором обеспечивается минимальное энергопотребление. В этом режиме все
функции микроконтроллера отключены, и только внешнее событие может «разбудить»
его.
Для улучшения управления энергосбережением
инерционный ключ может использоваться для
определения режима парковки. При парковке нет
MPXY8020A (Daytona)
MC68HC908RF2
необходимости производить измерения давления, что в свою очередь увеличивает
срок службы батареи. Определение режима парковки уменьшает риск коллизии между
RKE и TPM передачей, а так же «засорение» эфира неиспользуемой информацией.
ВЧ схема разрабатывалась для оптимальной
Рисунок 5. Внешний вид
работы совместно с ядром HC08. Процесс
демонстрационной платы модуля
передачи
данных
осуществляется
с
использованием регистровой передачи данных, что минимизирует время работы, что в
свою очередь минимизирует энергопотребление. На демонстрационной плате
представлена простая рамочная антенна, выполненная на той же плате (Рисунок 5). На
этом же рисунке показан приблизительный размер макета по сравнению с пяти
рублевой монетой.
В связи с тем, что модуль устанавливается на диск, он должен быть максимально
малых размеров и быть очень легким. При большой массе может произойти дисбаланс
колеса. В связи с этим появляются дополнительные механические требования к
высоко интегрированному модулю. Таким образом, решение состоящее из двух
кристаллов и батареи является оптимальными.
Приемник
Контроль давления воздуха является новшеством в массовом автомобилестроении. Но
ВЧ приемник, который должен использоваться, уже зарекомендовал себя годами в
«бесключевых» системах доступа в автомобиль. Обе системы как контроль доступа,
так и контроль давления могут использовать один приемник, потому что они обе
используют один формат передачи данных.
В большинстве систем приемник интегрирован с бортовым контроллером, который
имеет много других функций. Таким
образом,
процессорное
время
делится
между
всеми
этими
задачами. Функция TPM должна
занимать
как
можно
меньше
процессорного времени. Что бы
достичь
этого,
необходим
высокоинтегрированный
ВЧ
приемник.
Рисунок 6. Обобщенная схема приемного модуля
Микросхема MC33591, так же называемый Romeo II, представляет собой ВЧ приемник,
который идеально подходит как для безключевых систем RKE, так и для систем
контроля давления воздуха. Благодаря встроенному ВЧ декодеру и регистрам данных,
Romeo II минимизирует связь с приемным контроллером. Микроконтроллер не
беспокоится до тех пор, пока полный кадр не будет принят, подтвержден и сохранен в
Romeo II. Более того, приемник конфигурируется микроконтроллером через
последовательный интерфейс.
Инициализация колес
Существует два основных способа инициализации. Простейшая это ручная
инициализация, которая должна происходить в спец. центре, каждый раз при замене
колес. Вторая – это автоматическая, в котором система сама инициализирует колесо.
При ручной инициализации каждый RSM посылает свой индивидуальный
идентификатор вместе с передаваемыми данными. Во время процедуры
инициализации, приемник сохраняет четыре идентификатора. Затем оператор
сообщает приемнику, какому колесу соответствует какой идентификатор по
программному интерфейсу. Этот интерфейс может быть напрямую подключен к
приемному модулю или шине данных автомобиля, или с использованием ВЧ канала.
Наиболее простым, но в то же время наиболее дорогим способом автоматической
инициализации является использование приемника на каждом колесе. Каждый
приемник подключается к центральному компьютеру по своим проводам или по общей
шине. Это наиболее надежный метод, и его высокая цена не скажется на машинах
высоко класса. Другой наиболее дешевый способ, это установка только антенн у
каждого колеса. ВЧ мультиплексор устанавливается между антеннами и центральным
приемником, который управляет мультиплексором. Таким образом происходит
привязка полученного сигнала с колесом.
Идентификация колес. В простейшем случае водителю важно знать, что давление в
каком -либо колесе выходит за определенные границы.
Более информативны системы сообщающие о давлении в кождом конкретном колесе
автомобиля. Последний способ может быть реализован с помощью двунаправленной
ВЧ связи. Это решение является надежным способом идентификации. Еще одно его
преимущество заключается в том, что приемник может общаться с каждым модулем, и
поэтому энергия батареи расходуется наиболее эффективно. В стандартной
односторонней передаче, модуль полностью «глухой» и передает измеренное
значение давления периодически и асинхронно от каждого. В двунаправленной ВЧ
передаче модуль передает данные только по запросу, избегая коллизий и осуществляя
контроль над расходом батареи более эффективно.
Таким образом, для осуществления измерения давления в шинах автомобиля
необходимыми компонентами системы являются: датчик давления, микроконтроллер с
интегрированным передатчиком или отдельным передатчиком, а также приемник.
В табл. 1 приведены компоненты Motorola, которые могут быть использованы для
решения этой задачи.