安森美半導體最近收購了Fairchild半導體，為客戶帶來50年的汽車行業經驗，是全球第二大非微控制器的汽車半導體供應商，提供包括用於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，傳感器尤為關鍵。在這一趨勢下，安森美半導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，基於RFID協議，單芯片集成能量收發功能，可檢測溫度、濕度、壓力和距離，開創傳感器應用的新格局。
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，基於Magnus IC的傳感器模塊，電源、單片機、處理模塊，如圖1所示。天線模塊基於UHF工業標準第二版協議進行無線通信，並收集能量供內部處理單元使用。電源、單片機、處理模塊兼容RFID生態系統部件，可用標準的RFID閱讀器進行讀取等工作。基於Magus IC(業界首款無源RFID傳感器芯片)的傳感器模塊，可調整的前端自動調諧模塊可通過內部電路感知阻抗變化檢測環境狀態，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，每個智能傳感器內部存儲保存獨一無二的ID用於進行身份識別。最終檢測精度取決於UHF RFID工作頻率範圍內的過採樣頻率。
圖1：智能無源傳感器功能框圖
智能無源傳感器基於RFID協議，傳輸頻率範圍為860至960 MHz。首先，RFID閱讀器發送讀取命令，同時為RFID傳感器充電，當RFID芯片被充電後開始工作，讀取相關的傳感器信息，並通過天線反饋至RFID閱讀器。
智能無源傳感器的優勢
相較現有傳感器，智能無源傳感器有諸多優勢：現有傳感器需在每個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點為被動發現智能標籤電源，單片機及數據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籤，因而成本低，無需維護。
雖然UHF RFID輔助電子標籤也是無源標籤，節點無需電池，通過TID碼和電子標籤代碼(EPC)實現獨一無二的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、胎壓監測(TPMS) 、溫度檢測、座椅檢測、雨刮、室內空氣及前大燈濕度/漏液檢測等。
圖2：一個閱讀器滿足無限車載傳感器應用需求
1. 座椅檢測
座椅檢測是通過傳感器來實現保障乘員安全的系統。常用的座椅檢測系統基於重量或壓力進行判斷，任何物體如一袋食品雜貨，也會觸發安全帶警告，誤判率比較高。
安森美半導體新推出的智能無源傳感器方案中，無線傳感器標籤被嵌入座椅內(濕度傳感器標籤嵌入椅背，壓力傳感器標籤嵌入座墊)。濕度標籤通過人體檢測元素可確定座椅上是否有人，消除物品觸發安全帶警示的麻煩，提升可靠性;壓力標籤通過體重檢測確定乘客的體型大小，並可將乘員坐姿反饋至智能安全氣囊控制單元以優化氣囊釋放角度來增強安全性。該方案可檢測車內剩餘座位數，可擴展到對後排座椅和兒童安全座椅的檢測，並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需要連接電線到水槽內部。
而安森美半導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，傳感器標籤最長不超過4英寸，長距離測量可使用多個標籤，通過檢測連通管道可實現精確測量，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基於陽光折射，易受干擾而觸發誤動作。而創新的智能無源傳感器使用濕度檢測，可覆蓋擋風玻璃更寬的區域，可將多個濕度傳感器標籤貼於擋風玻璃上不同位置，檢測擋風玻璃上高介電常數的水，擋風玻璃上傳感器的數量可以通過標定確定，光感可以不同的傳感器進行檢測。下一代產品可將天線內嵌到玻璃內部進行安裝，利用兩腳之間的傳感器引擎檢測電阻抗變化，實現僅需一個傳感器的智能雨刮控制。
圖5：智能雨刮
4. 區域無線溫度監控
當用於區域無線溫度監控時，現有的溫度傳感器都是有引線的、有源的，且安裝位置受限制。創新的智能無源傳感器能用於多個區域無線溫度監控，唯一的RFID識別碼支持自動識別，閱讀器與車內網關相連，自動空調系統可實時讀取數據進行自動高精度控制，內建- 40 ℃至+85 ℃ (+/- 1 ℃精度) 測量範圍，下一代產品將支持125℃以上的溫度。
5. 胎壓監測系統
胎壓監測系統用作實時自動監測行車過程中的輪胎氣壓，在出現胎壓不足或過高的危險徵兆時及時報警，提升行車安全性和燃油經濟性，延長輪胎使用時間，減少懸掛系統的磨損。市場上當前用於胎壓監測系統的多芯片傳感器，被安裝在每一輪圈和閥桿，使用電池供電，功耗高於250 uW，需要加速計以避免輪胎未移動時將電池耗盡，在輪胎旋轉期間需重新編程以定位，成本高於30美元。
而安森美半導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於15 uW，因而無論當輪胎旋轉還是靜止時都可檢測輪胎壓力和溫度信息。智能無源傳感器標籤置於每一輪胎，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：智能無源傳感器用於胎壓監測系統
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：關閉汽車門窗後，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。
安森美半導體的智能無源傳感器用於此類應用時，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籤，無需人工探測。
合規性、安全性和EMI性能
安森美半導體在不同的場合/配置用閱讀器、天線和9個傳感器標籤基於CISPR-25 Class 3進行測試，通過了外部區域傳輸測試，且在射頻傳輸頻率範圍860至960 MHz的最大發射功率為33 dBm(約2 W)，遵從FCC Part 15和FCC 47CFR2:0ET(<1 W)，EMC符合CISPR-25 Class 3規範，RFID 區域頻段不會交叉干擾其它頻段。
由於智能無源傳感器本身沒有內部能源，它通過RF反射傳輸，所以沒有安全隱憂。閱讀器方面，由於其工作在UHF RFID 頻段860-960MHz，符合國際協議ISO/IEC 18000-6C 標準，這一頻段處於電磁波譜的低端，比車載音響的輻射危害更低，而係統最大輸出功率2 W (33 dbM)和一台手機的發射功率一樣大，因此沒有任何安全和健康風險。
可訂購的產品及套件
目前，安森美半導體可提供如下型號的智能無源傳感器樣品，和基於AMS RFID IC + 8位單片機+CAN收發器的閱讀器參考設計、3至6dBi UHF 接收天線參考設計，以及系統有效讀取距離仿真模型、天線放置位置優化建議、開源示例代碼和基本/高級功能開發套件。
表1：可訂購的智能無源傳感器
結語
作為全球第二大非微控制器的汽車半導體供應商，傳承50年的汽車半導體經驗，安森美半導體持續推動汽車領域的高能效創新，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線束。芯片內部集成專用數據處理內核及溫度、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於難於接觸的位置、空間受限的應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計助力智能汽車的發展。
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