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Freescale MPXY8300: il TPMS System-in-Package

TPMS Pressione pneumatici

Il TPMS System-in-Package

L’MPXY8300 è stato progettato per l’impiego sia sulle normali autovetture che sui camion di medio e grosso carico, presenta un consumo di corrente estremamente basso, una precisione ed una sensibilità molto accurate, contribuendo a migliorare il grado di sicurezza del veicolo.

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MPXY8300 è la soluzione System-in-Package (SiP) di Freescale per la realizzazione di un sistema di Tire Pressure Monitoring System (TPMS), ottenuta integrando quattro dispositivi al silicio: accelerometri a 2 assi (X e Z), sensori capacitivi di pressione, trasmettitore RF, ed un microcontrollore ad 8-bit.

L’MPXY8300 fornisce una misura diretta della pressione delle gomme, avvertendo il guidatore non appena una qualunque di esse (anche quella di scorta) presenta una pressione di gonfiaggio non corretta. Il sistema presenta un comportamento in tempo reale e può essere programmato per trasmettere le misure acquisite in corrispondenza di determinate velocità di rotazione delle ruote o anche quando le ruote non stanno ruotando del tutto.

Il System-in-Package MPXY8300 include le seguenti componenti:

  • Sensori di pressione e di temperatura con lo scopo di produrre una misura compensata della pressione delle gomme. I sensori di pressione sono disponibili con due range di misurazione: 100-800 kPa per autoveicoli e 100-1500 kPa per camion di grosso carico
  • Un microcontrollore 8-bit in contenitore 20-pin SOIC equipaggiato con 512 byte di RAM e 16 Kb di flash in grado di gestire il monitoraggio dei sensori attraverso uno scheduler periodico
  • Accelerometri con sensibilità sugli assi X e Z per rilevare la velocità di rotazione delle ruote e/o il verso di rotazione
  • trasmettitore RF con charge-pump integrata ed operante sulle frequenze di 315 e 434 MHz, in grado di adottare schemi di modulazione ASK (amplitude-shift keyed) ed FSK (frequency-shifted keyed) con diversi valori di baud rate
  • ingresso in bassa frequenza a due canali con rilevatore e decoder per la ricezione di comandi diagnostici e per la funzionalità di wake-up

L’immagine seguente fornisce una rappresentazione del sistema MPXY8300: il sensore di pressione, il trasmettitore RF, e l’accelerometro XZ sono tutti installati all’interno di ogni gomma (si parla in questo caso di wheel module), mentre il microcontrollore è localizzato nel corpo del veicolo.

L’intero dispositivo è stato progettato per conseguire il minor livello di assorbimento di corrente, tenendo presente che le unità montate su ogni gomma sono alimentate da una batteria di soli 3V; è stato stimato che in queste condizioni la longevità della batteria si può estendere fino a 10 anni.

La misura della pressione è compiuta con un livello di precisione molto elevato grazie ai sensori di pressione capacitivi realizzati con processo micromachined: questi dispositivi MEMS presentano un ampio range di pressione combinato con un assorbimento di corrente minimo.

L’MPXY8300 è disponibile con sensori di accelerazione con sensibilità sull’asse X di +/- 10g e sensibilità sull’asse Z compresa tra 0 e 60g; al progettista sono disponibili tre combinazioni: entrmbe le g-cell relative agli assi X e Z, solo la g-cell relativa all’asse Z, oppure nessuna g-cell.

I sensori di pressione adottati nella soluzione TPMS MPXY8300 (un esempio è visibile nella figura seguente) sono sensori MEMS con riferimento assoluto in cui la capacità varia con la pressione applicata sulla faccia superiore del sensore, mentre la faccia inferiore è mantenuta sotto vuoto creando una camera di riferimento a pressione zero direttamente sul substrato del componente.

Il sensore di accelerazione relativo all’asse Z è un dispositivo MEMS che misura l’accelerazione rilevando l’aumento della forza centripeta agente sulla ruota; il sensore di accelerazione relativo all’asse X, invece, misura l’accelerazione rilevando le variazioni della forza angolare agente sulla ruota (l’orientamento degli assi Z e X è indicato nella seguente immagine).

Come indicato precedentemente, l’MPXY8300 è in grado di monitorare la pressione di tutte le gomme del veicolo, inclusa la ruota di scorta. Ma come è possibile indirizzare univocamente ciascuna gomma evitando qualunque tipo di collisione con sistemi TPMS analoghi installati su altri veicoli? Ciò è possibile adottando un ID che viene trasmesso insieme ai dati: in questo modo il ricevente può considerare solamente l’ID specifico programmato per quel veicolo. L’informazione relativa all’ID ha una lunghezza fino a 96 bit, è memorizzata in NVM, ed il suo valore viene assegnato durante il processo di fabbricazione in modo tale che ogni ID sia unico.

Sul wheel module c’è anche un ricevitore LF ad un canale con una frequenza di 125 KHz, basso assorbimento di corrente, e automatic gain control (AGC) selezionabile in base al livello del segnale. Il suo scopo è quello di essere impiegato per eseguire diagnostica sul campo, per compiere test durante la produzione, oppure infine per localizzare la singola ruota.

Il wheel module rimane in una modalità a basso consumo per la maggiorparte del suo tempo allo scopo di preservare il più possibile la carica della batteria. Esso si sveglia soltanto quando viene rilevato l’arrivo di un telegramma LF oppure quando scade il timer interno programmabile; quando ciò avviene, le informazioni acquisiste dai sensori vengono raccolte, analizzate, e copiate nel buffer di trasmissione relativo al modulo RF TX. Il modulo RF module dispone di una charge pump in grado di generare una tensione di alimentazione supeiore per la trasmissione RF quando il livello di carica della batteria è troppo basso.

Il sistema TPMS MPXY8300 di Freescale costituisce una soluzione molto efficiente sotto il profile dei costi, con bassi assorbimenti di corrente ed elevata accuratezza; inoltre, è in grado di fornire una misurazione precisa ed in tempo reale della pressione su tutte le ruote del veicolo.

Freescale Semiconductor supporta anche gli sviluppatori che intendono familiarizzare con il sistema MPXY8300: è infatti disponibile uno specifico kit TPMS comprendente un modulo MPXY8300, un ricevitore Freescale ESTAR, ed un trasmettitore LF a 125 kHz, oltre al relativo software di sviluppo. Il kit è mostrato nella figura sottostante.

Il software applicativo può essere scaricato suli modulo MPXY8300 e sull’emettitore LF a 125 kHz utilizzando l’ambiente di sviluppo MetroWerks CodeWarrior 5.0 o successivi ed un BDM Multilink come indicato nella seguente immagine:

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