Em seu Application Note AN238, a Microchip (www.microchip.com) descreve um sistema sem fio para monitoramento de pressão de pneu ou tire pressure monitoring system (TPM), usando um PIC. Neste artigo, resumimos o conteúdo do application note que pode ser baixado na íntegra a partir do site da empresa.
A idéia básica do projeto é colocar dentro do próprio pneu um sensor ligado a um controlador que emite sem fio (via chip RFID) um sinal para um sensor próximo, conforme mostra a figura 1.
Como podem ser usados outros tipos de sensores, o projeto descrito serve de reference design para a elaboração não só deste tipo de aplicação que tenha por dificuldade a utilização de fios.
O sistema é composto de um dispositivo sensor/transmissor, um receptor de RF, um dispositivo de comando de baixa freqüência, uma unidade de controle e o próprio pneu.
Sensor e Transmissor (S/TX)
Num veículo comum devem ser usadas cinco unidades S/TX, sendo uma para cada pneu em uso e a última para o estepe. Cada uma recebe um número de identificação de modo a permitir que o circuito as identifique.
Montados no veículo os cinco sensores com as unidades transmissoras monitoram a pressão de cada pneu enviando a informação via RF para um receptor. O dispositivo sugerido pela microchip é baseado no rfPIC12F675 e o dispositivo sensor é o Sensonor SP13 (www.sensonor.com). Cada unidade é ainda equipada com um receptor LF que tem por finalidade receber o sinal que leva o S/TX ao estado de sleep e o ativa novamente quando necessário, tirando-o do estado de baixo consumo.
O Módulo Receptor
Este módulo tem por função receber os sinais dos transmissor/sensores. Ele também pode ser usado com finalidades adicionais, reduzindo assim o custo do sistema. Uma finalidade interessante seria o seu uso como chave para desarmar o alarme ou ligar o veículo.
Dispositivo LF de Comando
A finalidade deste circuito é enviar os sinais de comando para o módulo S/TX via sinal modulado em ASK numa freqüência de 125 kHz. O receptor também pode ser usado para receber sinais de uma chave para desarmar o alarme ou ativar o veículo. O dispositivo LF previsto neste projeto é de curto alcance (1 metro ou menos) o que significa que ele deve ser colocado nas proximidades do pneu a ser monitorado.
Unidade de controle
Esta unidade é responsável pela inicialização das comunicações, interpretação dos dados recebidos e também pela informação da dados relevantes ao veículo.
Especificações do Projeto:
* Formato de modulação: ASK
* Tensão de operação: 2,5 a 3,6 V
* Limiar do alerta de tensão: 2,5 V
* Freqüência do transmissor: 316 MHz
* Intervalos de transmissão 60, 15 ou 5 segundos (selecionado pelo LF)
* Potência de saída: + 9dBm em carga de 50 ?
* Corrente de operação: 12,5 mA na transmissão máxima de RF
* Freqüência de entrada LF: 125 kHz
* Sensibilidade: TDB
* Faia de pressões: 50 a 637 kPa absoluta
* Faixa de temperaturas do sensor: -40 a +125º C
O circuito é baseado no rfPIC12F675 que consiste num microcontrolador amplamente usado em aplicações sem fio, sendo encontrado em milhões de equipamentos em uso. Também foi levado em conta que esse dispositivo possui um oscilador RC interno o que reduz o número de componentes externos e com isso o tamanho da placa de circuito impresso.
Outro fator que influiu na escolha deste componentes foi o fato de que ele inclui o circuito transmissor de RF, o que significa mais uma redução no número de componentes externos e no tamanho da placa de circuito impresso. Outras características importantes deste PIC também foram levadas em conta na sua escolha para este projeto.
O rfPIC realiza três funções neste circuito. Ele monitora os dados do sensor SP 13 e do circuito de LF além disso monta e transmite a mensagem de RF em intervalos regulares.
Quando o circuito é alimentado o rfPIC executa um procedimento de inicialização e vai para o modo sleep até que um estado de mudança seja detectado tanto na linha de dados do SP 13 como na entrada de LF. Em ambos os casos, essas entradas geram um sinal de "wake up" que leva o PIC ao modo de operação. Nesse momento ele processa os dados do sensor e os transmite. Uma vez feita a transmissão, ele volta para o modo sleep.
Na figura 2 temos o circuito de transmissão (RF) que opera no estilo PLL, exigindo assim um mínimo de componentes externos. A freqüência fundamental é determinada pelo cristal. A freqüência do cristal é a freqüência de transmissão dividida por 32. Assim, para se obter 315 MHz o cristal usado deve ser de 9,84375 MHz.
Para o sensor temos a configuração mostrada na figura 3.
O circuito integrado sensor SP 13 realiza diversas funções. Além de medir pressão e temperatura, ele gera um sinal de aviso quando a tensão da bateria cai para menos de um valor pré-determinado. Esse componente tem 5 modos de operação.
a) Modo de armazenamento. Se a pressão estiver abaixo de 1,5 bar, sua medida é feita a cada 60 segundos, mas nenhum dado é enviado. Se a pressão estiver acima de 1,5 bar, o componente passa para o modo inicial.
b) Modo inicial. Este modo ocorrer se a pressão aumentar para mais de 1,5 bar. Neste modo a pressão é medida a cada 0,85 segundos e os dados enviados no mesmo intervalo. A seqüência é repetida 256 vezes. Depois disso, o dispositivo entra no modo Normal somente se a pressão estiver acima de 1,5 bar. Se estiver abaixo ele volta para o modo de armazenamento.
c) Modo Normal. Neste modo, a pressão é medida a cada 3,4 segundos, e os dados transmitidos a cada 60 segundos. Se a pressão medida se diferenciar de mais de 200 mbar do valor de referência o dispositivo entra no Modo de Alerta de Pressão.
d) Modo de Alerta de Pressão. Ocorre a medida da mesma forma que no modo inicial.
e) Modo de Alerta de Temperatura Alta.Se a temperatura superar 120º C de o dispositivo SP-13 entrada no modo de medida inicial e transmite um sinal correspondente.
O SP 13 inclui ainda um número de identificação de 32 bits que é programado no dispositivo no momento da fabricação. Esse número permite diferenciar entre os diversos dispositivos que estejam em funcionamento num mesmo sistema.
O circuito de LF de entrada tem a configuração mostrada na figura 4.
Este circuito de entrada de LF está projetado para receber e demodular sinais em 125 kHz e transformar os dados recebidos em um comando específico. O circuito faz uso do comparador interno do rfPIC, o que ajuda a reduzir o número de componentes e o tamanho ocupado na placa. O circuito tanque de entrada é sintonizado em 125 kHz. Com esta configuração pode-se obter uma boa sensibilidade da aplicação. A finalidade de D3 em paralelo com este circuito é cortar eventuais picos de tensão que possam colocar em risco a integridade do circuito integrado. Num ambiente com ruídos como o automotivo, este tipo de proteção é importante.
O formato da transmissão é mostrado na figura 5.
Os tempos TE desse gráfico correspondem à 400 us. Mais informações sobre a codificação do transmissor e também do circuito LF podem ser obtidos na documentação original da Microchip, caso os leitores se interessem pelo desenvolvimento de um aplicativo. Chegamos então ao circuito final figura 6.
Conclusão
O projeto indicado pela Microchip é uma demonstração de como é possível implementar sensoriamento nas aplicações críticas em que a utilização de fios não é possível. No caso, foi utilizado um sensor de pressão, mas outros tipos de sensores podem ser empregados.
Obs:
Na Europa, a partir de 2011, o monitoramento da pressão dos pneus nos veículos vai se tornar obrigatória, o que vale dizer, que este tipo de circuito deverá ser encontrado em todos os veículos.
