Nowsze samochody zazwyczaj wyposażone są w system monitorowania ciśnienia w oponach (TPMS), który ostrzega kierowców, gdy opona jest znacznie niedopompowana. Ta funkcja bezpieczeństwa została uznana za na tyle ważną, że Departament Transportu Stanów Zjednoczonych (DOT) i National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) opublikowały federalny standard bezpieczeństwa pojazdów silnikowych. Ciśnienie w oponach wpływa na zużycie paliwa, obsługę pojazdu i możliwą katastrofalną awarię opony. W tej notatce dotyczącej zastosowania znajduje się również zawyżone wykrywanie. System może również służyć do zabezpieczenia przed kradzieżą, ostrzegając, gdy jeden z czujników nie wysyła informacji (w takim przypadku jedna z opon mogła zostać skradziona).

Istnieją dwa typy systemów TPMS. Jeden z nich nazywa się Direct System. Opiera się on na zainstalowaniu czujnika ciśnienia w każdym kole, aby bezpośrednio zmierzyć ciśnienie w każdej oponie, wysyłając informacje do komputera pokładowego pojazdu, który ostrzega kierowców, gdy ciśnienie powietrza w którymkolwiek z ich opon spadnie co najmniej o 25% poniżej zalecanego niskie ciśnienie powietrza w oponie lub jeśli opona ma o 25% więcej niż zalecane ciśnienie. Systemy bezpośrednie są zazwyczaj bardziej dokładne i niezawodne, a większość z nich jest w stanie wskazać, która z opon jest niedopompowana.

Drugi system nosi nazwę systemu pośredniego. Wykorzystuje on czujniki prędkości koła układu przeciwblokującego pojazdu, aby porównać prędkość obrotową jednej opony z innymi. Jeśli opona ma niskie / wysokie ciśnienie, będzie toczyć się z inną liczbą obrotów na kilometr niż pozostałe trzy i ostrzegać komputer pokładowy pojazdu. Układy pośrednie nie są w stanie generować dokładnych odczytów w przypadkach, w których wszystkie cztery opony tracą ciśnienie w tym samym tempie, na przykład pod wpływem czasu i temperatury.

W tej implementacji zostanie użyty system pomiaru ciśnienia w oponach bezpośrednich. W takim przypadku ciśnienie będzie mierzone i analizowane lokalnie na każdej oponie za pomocą konfigurowalnego mieszanego Siganl IC (CMIC) SLG46620, GreenPAK. SLG46620 przesyła informacje o podciśnieniu, nadciśnieniu lub prawidłowym ciśnieniu do systemu centralnego (komputer pokładowy lub dedykowany system) za pośrednictwem systemu komunikacyjnego (rysunek 1). Dzięki tej implementacji, system TPMS może zostać również doposażony w starsze samochody poprzez dodanie małego centralnego systemu do konsoli samochodu.

Czujnik ciśnienia

W tego typu zastosowaniach wybór właściwego czujnika jest jednym z najważniejszych etapów w projekcie. Zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym wymaga nie tylko czujnika o odpowiedniej rozdzielczości i zakresie ciśnień, ale także wymaga certyfikowanych czujników, które mogą być wykorzystywane do zastosowań związanych z bezpieczeństwem motoryzacyjnym i niskim poborem prądu.

W takim przypadku dostępne są dwie opcje dotyczące rodzaju czujnika: Różnicowe czujniki ciśnienia i Czujniki ciśnienia bezwzględnego. Różnicowe mierzą różnicę między rzeczywistym ciśnieniem a ciśnieniem atmosferycznym. Absolutne używają absolutnego zera jako ciśnienia odniesienia, mierzonego w stosunku do pełnej próżni (przestrzeń kosmiczna).

Ponieważ ciśnienie absolutne wykorzystuje bezwzględne zero jako definitywny punkt odniesienia, ciśnienie absolutne pozostaje precyzyjne i dokładne niezależnie od zmian temperatury otoczenia lub procesu. Jest to główny powód wyboru bezwzględnych czujników ciśnienia

Wybranym czujnikiem ciśnienia dla tego zastosowania jest SM5420C-060 z SMI Pressure Sensors. Jest to czujnik ciśnienia absolutnego o zakresie ciśnienia roboczego od 0 do 60 PSI. Zasilanie musi wynosić 5 V (zgodne z SLG46620) i przy niskim poborze prądu 1mA. Jedną z zalet tego czujnika jest to, że jest on certyfikowany do stosowania w aplikacjach motoryzacyjnych, posiadając kwalifikacje spełniające normy AEC Q100 (standard Rady ds. Automatyki Elektroniki o Kwalifikacji w zakresie testów warunków skrajnych dla układów scalonych opartych na mechanizmie awarii).

Wybrany czujnik ciśnienia ma wyjście różnicowe proporcjonalne do zmierzonego ciśnienia i może być modelowany jako:

Obwód wyjściowy może być traktowany jako mostek Wheatstone’a, co widać na rysunku 2.

Obwód kondycjonowania sygnału można podzielić na dwie części.

Po pierwsze, wyjście różnicowe czujnika (out + i out-) jest przekształcane na sygnał jednostronnie zakończony za pomocą wzmacniacza operacyjnego U1. Odbywa się to poprzez typową konfigurację różnicową z zyskiem jedności. W tym obwodzie sygnał uzyskany na wyjściu U1 jest

Ważne jest, aby wspomnieć, że jeśli ciśnienie wynosi zero, napięcie wyjściowe wynosi zero. Dlatego wzmacniacz operacyjny musi być wzmacniaczem operacyjnym typu rail-to-rail.

Drugą częścią projektu jest drugi wzmacniacz operacyjny (U2). Wymagane jest, aby poziom sygnału był zgodny ze specyfikacją wejściową konwertera analogowo-cyfrowego SLG46620.

SLG46620, w specyfikacji elektrycznej arkusza danych, określa, że ​​ADC z konfiguracją single ended musi mieć minimalne wejście napięciowe 30mV / G (gdzie G jest wzmocnieniem programowalnego wzmacniacza wzmocnienia ADC) w celu pozyskania sygnału. Aby uzyskać to minimalne napięcie, drugi wzmacniacz operacyjny dodaje napięcie Vmin do pojedynczego sygnału końcowego pochodzącego z czujnika i pierwszego wzmacniacza operacyjnego. W tej konfiguracji sygnał wyjściowy (Vout) można bezpośrednio podłączyć do wejścia analogowego SLG46620.

Gdy rozważane są specyfikacje ADC, maksymalne napięcie wejściowe w trybie single-ended wynosi 1030mV / G. W najgorszym przypadku maksymalny poziom wyjściowy czujnika może wynosić 135mV. W takim przypadku może być ryzykowne, jeśli wzmocnienie jest skonfigurowane na 8 (ponieważ maksymalny poziom wejściowy wynosi 137 mV), ponieważ niskie ciśnienia mogą nie być zgodne z minimalnym napięciem wejściowym ADC. Z tego powodu ADC i PGA są skonfigurowane z wzmocnieniem 4. W tej konfiguracji maksymalny poziom wejściowy do ADC wynosi 274mV, a minimalny poziom wejściowy to 7,5mV. W przypadku PGA zakres liniowy wynosi od 23 mV do 236 mV.

Przy takiej konfiguracji Vmin musi mieścić się w zakresie od 23 mV do 99 mV. Wybrana wartość wynosi 60mV, więc zakres wyjściowy kondycjonowanego sygnału wynosi od 60mV do 195m. Napięcie Vmin jest uzyskiwane z DAC SLG46620, łącząc jego wyjście z jednym z GPIO.

Realizacja

Jak opisano powyżej, pomiar ciśnienia opisany w niniejszym dokumencie aplikacyjnym jest częścią systemu bezpieczeństwa samochodu. Celem tej implementacji jest uzyskanie korzyści z niewielkich rozmiarów i niskiego zużycia prądu SLG46620, co pozwala mierzyć i przetwarzać ciśnienie na miejscu.

Kolejną ważną zaletą tego wdrożenia jest szybkość przetwarzania. Biorąc pod uwagę wymagania normy NHTSA dotyczące czasu, SLG46620 przetwarza dane z czujników bardzo szybko, więc komputer pokładowy może przeprowadzić wszystkie niezbędne weryfikacje przed zgłoszeniem niskiego lub wysokiego ciśnienia.

Implementację projektu GreenPAK pokazano na rysunku 4.

Pojedynczy sygnał z czujnika uzyskano z PIN 8, który łączy się z wejściem PGA. Konfiguracja PGA jest pokazana na rysunku 5. Pokazuje PGA skonfigurowany w trybie Single-Ended z zyskiem 4 i jest zawsze włączony.

Wyjście PGA jest podłączone do konwertera analogowo-cyfrowego. Konfiguracja ADC jest trybem single-ended, z oscylatorem RC jako zegarem ADC, jak pokazano na figurze 6. Przy tej konfiguracji zegara, szybkość próbkowania ADC wynosi 1,56 ksps.

Konwersja ADC jest analizowana za pomocą bloków DCMP / PWM. DCMP0 porównuje ciśnienie z dolnym limitem, wskazując, kiedy ciśnienie jest niższe niż skonfigurowana wartość z niskim poziomem na wyjściu OUT +. Blok DCMP / PWM 0 jest skonfigurowany jako DCMP, porównując wejście dodatnie z wartością zapisaną w rejestrze 0.

DCMP2 porównuje ciśnienie z górną granicą, wskazując, kiedy ciśnienie jest wyższe niż skonfigurowana wartość z wysokim poziomem wyjścia OUT +. Blok PWM / DCMP 2 jest skonfigurowany jako DCMP, porównując wejście dodatnie z wartością zapisaną w Rejestrze 2.

Konfigurację DCMP0 pokazano na rysunku 7. Konfiguracja DCMP2 jest taka sama jak konfiguracja DCMP0.

Aby określić wyjścia systemu, stosuje się 2-bitowe LUT4, LUT5 i LUT6. Wyjście LUT4 jest wysokie tylko wtedy, gdy wykryto niskie ciśnienie (niski poziom na OUT + DCMP0 i OUT + z DCMP2). Wyjście LUT5 jest wysokie tylko wtedy, gdy wykryto prawidłowe ciśnienie (wysoki poziom na OUT + DCMP0 i niski poziom na OUT + DCMP2). Wyjście LUT6 jest wysokie tylko wtedy, gdy wykryto wysokie ciśnienie (wysoki poziom na OUT + DCMP0 i wysoki poziom na OUT + DCMP2). Rysunek 8 pokazuje konfiguracje 2-bitowych LUT4, LUT5 i LUT6.

Wyjście 2-bitowego LUT4 (wyjście niskociśnieniowe) jest podłączone do Pin 16, wyjście 2-bitowego LUT5 (prawidłowe ciśnienie wyjściowe) jest podłączone do Pin 17 i wyjście 2-bitowego LUT6 (wyjście wysokociśnieniowe) jest podłączony do Pin 18.

DAC0 jest zawarty w projekcie jako napięcie odniesienia Vmin. Jest skonfigurowany do generowania 60mV i jest podłączony do GPIO19 poprzez blok VREF0. Jego konfigurację pokazano na rysunku 9.

Można zauważyć, że system jest testowany na trzy możliwe stany, uzyskując wysoki poziom na odpowiednim wyjściu pin SLG46620.

Wniosek

W niniejszej notatce dotyczącej zastosowań, SLG46620 i SLG88103 są stosowane w aplikacjach systemu bezpieczeństwa samochodów jako ADC i jednostka przetwarzania wstępnego większego systemu. Pokazaliśmy, jak kondycjonować sygnał, aby spełniał specyfikacje ADC i PGA Silego GreenPAK i opisano całą implementację. Ważne jest, aby wspomnieć, że wartości używane do porównania konwersji ADC można zmienić dla różnych modeli samochodów i opon, bez zmiany logiki systemu.