Pro letní večery jsem vybral zajímavost v podobě senzorů absolutního tlaku vhodné pro měření tlaku vzduchu v pneumatikách. Samozřejmě lze je použít nejen pro tyto účely (kopresory apod.). Uvedené senzory vyrábí a nabízí firma Freescale a jde o plně integrované senzory s digitálním vstupem měřící tlak v kPa. Více zajímavostí najdete v tomto článku ...

Dnešní moderní automobily jsou již plně "napěchovány" elektronikou, která má zajistit maximální komfort, ale i bezpečnost řidiče a ostatních spolucestujících. V případě závodních strojů pak co nejlepší jízdní vlastnosti. Jedním z takových elektronických pomocníků je i měření a detekce tlaku v pneumatikách. Zatímco v běžných osobních vozech se obvykle vystačí s pouhou detekcí nízkého nebo naopak příliš vysokého tlaku proti správné hodnotě udané výrobcem, u terénních, vojenských a sportovních vozech je je často nutné tlak měřit a řídit za jízdy ( mechanismus dohušťování za jízdy nebo přesná telemetrie). K tomu se používají na ráfku umístěné (viz. obrázek 4. a 5.) senzory absolutního tlaku s vyhodnovacími a vysílacími obvody. Takové zajímavé senzory má v nabídce i firma Freescale (viz. tabulka 1.). Ty je však samozřejmě také možné použít pro jiné účely, které vyžadují podobný rozsah měřených tlaků v hodnotách desítek a stovek kPa (vzduchové kompresory, čerpadla apod.)

Dnešní vyspělé integrované senzory obvykle poskytují navíc možnosti měření dalších veličin v rámci jednoho integrovaného obvodu. V případě dále uváděných senzorů Freescale je to měření teploty, což je taky zajímavá hodnota pro pneumatiky. Senzor zároveň obsahuje snímací prvky i jednoduché nebo složité vyhodnocovací obvody.

Princip fukce integrovaného senzoru absolutního tlaku Freescale

Freescale absolutní senzor tlaku je povrchově integrované mikrozařízení MEMS (Micro-ElectroMechanical System pressure sensor), které se sestává ze tří částí: tlakový senzor - povrchově integrovaná kapacitní měřící buňka (p-cells) teplotní senzor PTC ASIC CMOS integrovaných obvodů pro zpracování signálů ze senzoru Senzor absolutního tlaku měří, na rozdíl od diferenčního senzoru, přímo externí tlak působícího okolního média (plynu nebo kapaliny) vztažený k nulové hodnotě tlaku vakua ve vnitřní komoře senzoru (viz. obrázek 1.). Tomu odpovídá v klidovém stavu prohnutí stěny rovnající se působícímu tlaku přibližně 1 atmosféra (1 ATM) = 14.5 psi. Defacto se pak z pohledu měřící strany senzoru měří záporný tlak.

Obr. 1. Princip absolutního senzoru tlaku

Celá mechanická struktura senzoru spolu s vyhodnocovacími obvody na jednom monolitickém integrovaném obvodu. Princip měření je založen na změně kapacity vnitřního proměnného integrovaného kondenzátoru vlivem působícího tlaku na jednu pružnou křemíkovou stěnu kapacitoru. Součástí je i druhý, referenční, kapacitor, který kompenzuje parazitní vlivy, například vliv teploty. Výsledný působící tlak je tak dán porovnáním kapacity měřícího a referenčního kondenzátoru. Tento princip se však v široké nabídce tlakových senzorů Freescale využívá jen u těchto senzorů, z důvodu měření vysokých tlaků. Jiné senzory, pro nižší tlaky, již využívají piezoelektrický princip prostřednictvím integrovaných piezorezistorů. Struktura obvodu tedy obsahuje kapacitní senzor a integrované obvody pro zpracování signálu ze senzoru.

Citlivý měřící senzor však musí být chráněn krytem na straně měřící a pevnou epoxidovou schránkou - viz. obrázek 3.

Senzory Freescale řady MPXY8000 - MPXY8020/8021A/8040

řada integrovaných obvodů MPXY8000 jsou senzory absolutního tlaku v rozsahu 50 až 900 kPa, dle typu senzoru, a teploty v rozsahu -40 až 125 °C s digitálním výstupem odpovídající výstupu s 8bitového A/D převodníku s postupnou aproximací (bližší popis níže). Ten je realizován analogovým komparátorem, spínanými kapacitory a multiplexerem, který na vstup přivádí analogový signál z integrovaného senzoru tlaku (p-cell) nebo teploty (PTC). To je součástí vyhodnocovací logiky senzoru. S využitím MCU, připojeného k senzoru, lze tedy získat digitální inteligentní senzor tlaku i teploty s 8bitovým výstupem v jednotkách kPa, resp. °C.

Hlavní parametry senzorů:

• Napájení: 3.0 V (2.1 až 3.6 V), cca 1.4 mA, standby mód cca. 1.5 µA
• Optimalizovaný rozsah měření tlaku: 250 až 450 kPa (MPXY8020), 500 až 900 kPa (MPXY8040), 50 až 637.5 kPa (MPXY8021A)
• Rozsah měření teploty: -40 až 125 °C
• Výstup:
  • digitální signál log. 0 nebo log.1 jako výstup z komparátoru porovnáním hodnoty ze senzoru s hodnotou uloženou ve vnitřním 8-bit. registru
  • MPXY8020/8021A - tlakový výstup OUT [kPa] = 2.5 x Output ± (Pressure Error)
  • MPXY8040 - tlakový výstup OUT [kPa] = 5 x Output ± (Pressure Error)
  • teplotní výstup: OUT [counts] = 74.7461 + 0.9752 x Ta + 0.0041 x Ta^2 ; citlivost 0.8°C/bit
• Max. tlak bez poškození senzoru: 1400 kPa
• Pracovní teplotní rozsah: -40°C až +150°C
• časová odezva: tlak 500 µs, teplota 200 µs
• Pouzdro: 8pin SSOP

Vnitřní zapojení senzoru

Na obrázku 6. je blokové schéma senzoru, obsahující hlavní části. Základem je samotný tlakový senzor P-Cell, který pracuje jako převodník tlak P -> kapacita C. Jeho výstup je přiveden na vstup převodníku kapacita C -> napětí V (C to V Converter) a poté na zesilovač, který provádí zesílení a korekce offsetu, zesílení, vlivu teploty apod. Korekční hodnoty jsou od výroby uloženy ve vnitřní EEPROM v bloku "Digital Control". Protože bloky převodníku pracují na principu spínaných kapacitorů (nejjednodušší varianta pro plnou integraci), je na jejich vstup přiveden hodinový spínací signál z oscilátoru upravený v bloku generátoru hodin (Clock Generator). Dále je momentální analogovou hodnotou napětí nabit vzorkovací kondenzátor (Sample CAP) na vstupu komparátoru COMP. Ten je porovnáván s úrovní uloženou v 8bitovém D/A registru (analogová hodnota reference je generována v bloku "8-bit Current Source"), která je do registru nahrána přes "Digital Block" a vstup "Data". 8 bitů se nasouvá sériově s během hodin CLK. Celý tento systém s komparátorem se vlastně chová jako část 8bitového A/D převodníku s postupnou aproximací, kde řídící logiku převodníku, tj. volbu obsahu D/A registru, provádí externí MCU. Na výstupu OUT se tak postupně objevuje logická posloupnost 1 a 0, v závislosti na výsledku porovnání komparátoru. Na vstup komparátoru též může být převeden výstup z teplotního senzoru PTC. To se ovládá vstupy S0 a S1. Dále se generuje signál reset (RST) s periodou 52 minut, který je generován vnitřním nízkopříkonovým 5.4 kHz oscilátorem a kaskádou 14bit. a 10bit. děličky frekvence. Ten je například vhodný pro periodické buzení MCU ze sleep módu.

Příklad obvodového zapojení

Příklad obvodové zapojení je na obrázku 7. Jde vlastně o blokové schéma modulu, který se má připevnit na ráfek kola. Jeho součástí je tedy tlakový senzor řady MPXY8000, který je řízen externím MCU a výsledná hodnota o tlaku je již bezdrátově vysílána RF přijímači na palubě vozidla. V zapojení je naznačeno i použití senzoru pohybu či zrychlení.

Vývojové kity & příklady zapojení a zařízení

Pro předběžné otestování senzorů a práci s nimi lze použít několik firemních vývojových kitů. Jednou možností je kit RD1951MPXY8020A Freescale Tire Pressure Monitor System Demo obsahující senzor MPXY8020. Součástí kitu je hardware = destička se senzorem, MCU a RF tranceiverem a software spolu s dokumentací na CD-ROM.

Na obrázku 8. a 9. jsou příklady zapojení vysílacího RF modulu se senzorem a přijímacího RF modulu umístěného na stabilním místě. Vysílací modul (obrázek 8.) je tvořen samotným senzorem MPXY8020 a obvodem MC68HC908RF2, označovaný též jako RF2. Ten v jednom pouzdře obsahuje 2 KB Flash HC08 MCU a RF vysílač schopný vysílat digitální data kódované kódem Manchester na vzdálenost několika stovek metrů ve volném prostoru (adekvátní samostatná součástka je MC33493). Přijímací modul (obrázek 9.) obsahuje RF přijímač tvořený obvodem MC33594, protikus k RF vysílači ve vysílacím modulu, MCU MC68HC908KX8 a obvody pro komunikaci přes RS-232.

Závěr

V článku uvedené senzory absolutního tlaku jsou optimalizovány pro měření v pneumatikách vozidel, ale je možné je stejně tak použít v některé z jiných aplikací a zařízeních, vyžadující měření obdobných hodnot tlaků. Senzory Freescale do české republiky oficiálně distribuuje firma Spoerle Electronic - Praha (An Arrow Company).

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka českého distributora firmy SPOERLE ELECTRONIC spol. s.r.o. - www.spoerle.com - kontakt v čR
• Domovská stránka firmy Freescale - divize firmy Motorola - www.freescale.com
  
  
• datasheet obvodů řady MPXY8000 (16 stran)
• datasheet obvodu MPXY8021A (16 stran)
  
  
• aplikační list zapojení modulu (8 stran)
  
  
• článek o senzorech tlaku Fujikura
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz