3. INTELIGENTNI SENZORI I MODULI

3.1. SENZORI KAO DEO MERNOG SISTEMA Nagli razvoj akvizicionih sistema počeo je merenjem fizičkih veličina električnim putem. Prednosti električnih merenja su: visoka osetljivost, tačnost, brzina i pouzdanost, laka indikacija i prenos signala, mala potrošnja energije i opterećenje posmatranog procesa. Senzori ne funkcionišu samostalno, već su generalno gledano deo većeg sistema koji sadrži kondicionere signala kao i različita analogna i digitalna kola za obradu signala. Sistem može biti merni sistem, akvizicioni sistem, ili sistem kontrole procesa. Primena i mesto senzora u tipičnom sistemu kontrole procesa je prikazan na slici 3.1.1.

Slika 3.1.1. Tipična merna petlja za kontrolu procesa u industriji

Osnovna uloga elektronskih mernih sistema je dobijanje potpune informacije o stanju industrijskog procesa. Do ovih informacija dolazi se eksperimentalnim postupkom, odnosno merenjem. Dobijeni kvantitativni podaci određuju trenutno stanje procesnog sistema i omogućavaju njegovo prognoziranje u budućnosti. Merenje se vrši mernim sredstvima gde se pod tim podrazumeva elektronska merna instrumentacija i drugi pomoćni uređaji. Može se reći da danas ne postoji digitalni akvizicioni sistem koji bar u jednom svom segmentu ne koristi mikroprocesore ili moćnije računare. U centralizovanim akvizicionim sistemima svi merni pretvarači su povezani na interfejse centralnog računara i on vrši kompletnu digitalnu obradu signala. Često je potrebno da svi merni podaci o jednom procesu budu dostupni na jednom mestu, ali njihovo prikupljanje se može organizovati i kao hijerarhijski proces. Pogodno je merne pretvarače podeliti prema prostornom rasporedu i realizovati manje akvizicione podsisteme koji bi donekle nezavisno vršili akviziciju na užem prostom i po potrebi kontrolu procesa. Ako je broj merenih veličina veliki, pa postoje i drugi akvizicioni podsistemi, oni se međusobno mogu sprezati preko računara višeg nivoa sve do sprezanja računara koji su u proizvodnji sa onim zaduženim za globalni prikaz, planiranje i analizu proizvodnje, ako postoje (slika 3.1.2). Može se uočiti da je, pored prostorne, izvršena i distribucija funkcija u

30

Inteligentni senzori i moduli

mernom i kontrolnom sistemu. Takođe možemo da primetimo da je jedan od osnovnih elemenata mernog sistema senzor.

Slika 3.1.2. Organizacija jednog mernog sistema

Za razliku od većine drugih komponenti elektronskih sistema, koje imaju poznate i stabilne karakteristike u datim granicama, senzori su elementi koji se mnogo teže koriste. Najčešće, vrlo slab signal koji generišu, kao i ceo niz izraženih odstupanja od idealnih karakteristika inžinjerima predstavljaju teško rešiv problem. Često uticaj temperature može da premaši osetljivost na merenu veličinu, a projektant sistema mora da vodi računa i o izlaznoj impedansi, histerezisu, uticaju napajanja, samozagrevanju, driftu, ofsetu itd. Ovakvi problemi se mogu izbeći upotrebom inteligentnih senzora. Ulazne veličine su najčešće neelektrične. Merenje neelektričnih veličina kao što su pomeraj, temperatura, sila, pritisak, vibracije, protok fluida i drugih, ima veliki značaj u naučnoj i tehničkoj praksi, a posebno u industriji. Među različitim metodama koje se danas primenjuju nesumnjivo najveći značaj imaju metode merenja električnim putem. Primenjuju se elektronski instrumenti za merenje neelektričnih veličina, koje karakterišu osobine kao što su visoka tačnost, brzo i jednostavno očitavanje mernih rezultata i relativno mali uticaj spoljašnjih ometajućih faktora na rad instrumenta. Da bi se koristile električne metode merenja, vrši se konverzija neelektričnih veličina u električne signale pomoću uređaja koji se zove ulazni merni pretvarač ili najčešće samo merni pretvarač. Merni pretvarač predstavlja glavni i osnovni element ulaznog uređaja instrumentacionog sistema, pa i celog mernog sistema. Merni pretvarač sadrži osnovni element, senzorski element i prema nekim procenama učestvuje u ceni mernog sistema sa značajnih 40%. Senzor je uređaj koji prihvata signal ili pobudu i daje na izlazu električni signal, dok je merni pretvarač konvertor jednog tipa energije u drugi. Inteligentan senzor (slika 3.1.3) je uređaj koji:

1. Može da napravi odluku u zavisnosti od ulaznog signala u trenutku merenja 2. Može da bude programiran da pravi razne odluke 3. U mogućnosti je da prima i šalje podatke

Slika 3.1.3. Osnovni gradivni blokovi inteligentnog senzora

31

Inteligentni senzori i moduli

Ključna karakteristika inteligentnog senzora je da vrši obradu ulaznog signala na nekom logičkom nivou, kako bi povećao nivo informacija koje procesira. Senzor je u stanju da napravi logičku odluku na nivou informacija (za neke izvorne informacije). On može da izvrši akciju u zavisnosti od te informacije, ili može da prosledi poruku nekom višem nivou. Ostale karakteristike inteligentnih senzora uključuju u njihovu mogućnost samotestiranje, promenljive kalibracije, poboljšano odbijanje lažnih ulaza (šumovi), i lakše postavljanje i upotrebu. U slučaju kontrola u zgradama i fabrikama sistemi su veoma veliki i infrastruktura senzora je veoma skupa. Inteligentni senzori ne samo što obezbeđuju znatne uštede tako što redukuju cenu za kalibriranje i opreme za upravljanje (monitoring), takode obezbeđuju pouzdanost i sigurnost zato što lokalna kontrola senzora postoji čak i ako se mrežna kontrola pokvari. U slučaju velikih sistema za akviziciju postoje veće potrebe za redukciju veličine i dužine kablova (naročito kod upotrebe aviona i brodova) i za samoidentifikaciju senzora. Pošto senzorski kanali kod velikih sistema za akviziciju mogu da broje desetice i hiljade, tada redukcija u broju kablova može biti veoma bitna. Redukcija u kabliranju može biti veoma bitna i kod malih sistema. Bez obzira na veličinu sistema samoidentifikacija obezbeđuje znatnu uštedu u učinku, reduciranje šansi za pojavu greške, zapis serijskih brojeva, faktora kalibracije i zahtevanim kalibracionim podacima za sve senzore. Inteligentni senzori se koriste u raznim industrijskim granama od avioindustrije, autoindustrije, biomedicine, građevine, industrijske automatizacije i kontrole procesa za nadgledanje (monitoring) okoline. Ulaskom mikroelektronike, mikroprocesorske tehnologije u proizvodnju senzora je omogućilo mnogo veću funkcionalnost, kao što je mogućnost ugradnje inteligentne i digitalne komunikacije u senzoru. To omogućuje translataciju senzora u digitalni domen. Tradicionalno izlazi iz senzora su analogni signali koji se dalje vode u neki instrumentacioni sistem ili se direktno prikazuju (npr. na nekom displeju). Ta migracija senzora iz analogni u digitalni domen je donela bitne prednosti za korisnike, kao npr. digitalni senzori su mnogo otporniji na električne šumove i mogu znatno da uproste svoje šeme veza. Proizvođači inteligentnih senzora se trude da naprave inteligentne senzore koji malo koštaju, a da zadovolje potrebe sve složenijih aplikacija i da se pritom njima lako rukuje. Umrežavanje senzora, tehnologije koja je stvorena modifikacijom umrežavanja PC računara polako zauzima sve oblasti u industrijskim zemljama i uzrokuje značajan napredak u tzv. biznisu senzora. Inteligentni instrumenti ne mogu da egzistiraju bez mikroprocesora. Mogućnost da na ploči postoji procesor koji će da obrađuje velike količine podataka na lokalnom nivou je esencijalna karakteristika za njihove operacije. Upotreba mikrosenzora naročito doprinosi minijaturizaciji i modularizaciji senzorskog pakovanja. Inteligencija je zastupljena u svim vidovima instrumentacije uključujući merenja temperature, pritiska, protoka, elektrohemijskog i hemijskog sastava. Zajedničke mogućnosti pakovanja inteligentnih senzora/transmitera/aktuatora su:

1. Multivarijabilna sposobnost-to je mogućnost instrumenta da meri višeprocesne promenljive u datom procesnom trenutku.

2. Samodijagnoza-sposobnost komponente da proverava svoje sopstveno stanje i daje izveštaj o svojim anomalijama ili kvarovima.

3. Samokalibracija-sposobnost instrumenta da podesi svoju kalibraciju kad se uslovi procesa promene.

4. Daljinsko preuređenje instrumenta kad je izlaz analogni. 5. Direktni digitalni prenos izmerenih veličina-eliminiše potrebu da instrumenti koji imaju

mogućnost preuređenja procesiraju promenu stanja. Digitalni izlaz takođe obezbeđuje veću tačnost od 4-20mA moda.

Na slici 3.1.4 prikazana je arhitektura inteligentnog senzora/aktuatora.

32

Inteligentni senzori i moduli

Slika 3.1.4 .Arhitektura inteligentnog senzora / aktuatora

Arhitekturu čine sedam glavnih elemenata:

1. Pretvarač (Transducer) - Komponenta koja konvertuje energiju iz jednog domena u drugi. 2. Kondicioner signala (Signal Conditions) - Ovo kolo priprema električni signal za konverziju

u digitalni domen. Kondicioner signala može da uključi konverziju električnog signala iz jednog oblika u drugi (npr. iz struje u napon ili iz struje u frekvenciju), pojačanje, frekvencijsko ograničenje kod antistepenastog filtera.

Pojačavanje senzorskih signala za koja amplituda signala ima tipično smanjenje jeste jedna od najvažnijih funkcija senzora. Pojačanje signala u senzorskoj kutiji, pre slanja u spoljni svet, ne samo da pojačava odnos signal - šum, već i redukuje efekte šuma iz okoline, a omogućava i potpuno iskorišćavanje dinamičkog opsega A/D konvertora kod senzora sa ugrađenim ADC-om u senzorskom modulu. U mnogim integrisanim senzorima ovo pojačanje se može postići korišćenjem MOS i bipolarnih pojačavača koji zahtevaju minimalno kolo pri normalnim pojačanjima, širinama opsega i zahtevanim performansama. Bolji pojačavači koriste programabilne mogućnosti pojačanja da bi maksimizirali odnos signal-šum i optimizirali izlazni opseg pojačavača za ADC. Mala izlazna impedansa senzora je neophodna ne samo da bi se osigurao maksimalni prenos signala do sledećeg nivoa, već da bi izlazi vodili i smanjivali susceptibilnost obrađenog signala do spoljnog šuma. Filtriranje signala poboljšava odnos signal-šum senzora tako što filtrira frekvencije signala iznad propusnog opsega. Važna funkcija senzora je i smanjivanje broja izlaza. Multipleksiranje podataka smanjuje veličinu kola senzora, a takođe smanjuje i broj ulaza. Dizajniranjem pomoću kompjutera sada je moguć semi-custom dizajn analognih integrisanih kola potrebnih za izradu senzora i potpuno testiranje njegove funkcionalnosti bez prethodne izrade u poluprovodničkoj tehnici. Smatra se da je kompenzacija senzorskih podataka jedna od glavnih prednosti inteligentnih senzora. Kompenzacija senzorskih podataka može biti upotrebljena za korekciju sekundarnih parametara osetljivosti (osetljivost na promenu temperature), za korekciju nelinearnosti senzorskog signala ili procesa digitalizacije, za drift senzorskog signala tokom vremena, pod uslovom da taj senzor meri drift a takođe i za smanjenje šuma.

3. A/D konverzija (A/D conversion) - Komponenta koja konverzuje analogni ulazni signal u digitalni izlaz (kod) koji predstavlja veličinu ulaznog signala.

4. Aplikacioni algoritam (Application algorithms) - Aplikacioni nivo softvera ili hardvera čije funkcije uključuju konvertovanje podataka za korisničko specificiranje jedinica, procesiranje signala, analizu i obradu signala, nadgledanje alarmnih stanja, vreme pristupa i upisa u memoriji, izvršenje lokalnih kontrolnih petlji ili neke druge operacije bliske merenju. Ovi algoritmi zajedno sa samokalibracijom i samodijagnozom obezbeđuju 'inteligenciju' kod inteligentnih senzora.

5. Memorija (Data storage) - Memorija za informaciju vezanu za konfiguraciju i identifikaciju senzora, podaci za kalibraciju i sve što je korisno da se memoriše unutar senzora.

6. Korisnicki interfejs (User interface) - Standardizovana prezentacija obrađenih podataka prilagođena krajnjem korisniku na njegovom jeziku i terminologiji, i u specifičnim aplikacionim jedinicama.

33

Inteligentni senzori i moduli

7. Komunikacija (Communication) - Neki interfejs ka komunikacionom medijumu za daljinski pristup senzoru za SETUP, kalibraciju, dijagnostiku, obradu podataka i generalni monitoring. Za inteligentne aktuatore ili za sisteme sa mnoštvom različitih senzora ili aktuatora, komunikacija može da uključi komande kao što su ažuriranje izlaza i promena podešavanja parametara. Inteligentni senzori bi trebalo da budu sposobni da komuniciraju sa kontrolerom višeg nivoa koji upravlja celim sistemom. Trebalo bi da svaki senzor može da se poveže sa magistralom i protokolima na magistrali, posebno na način univerzalno prihvaćene magistrale za senzorske sisteme. Problem je komunikacioni interfejs i njegova složenost. Između senzora i kontrolera se preko magistrale vrši razmena informacija, kao što su podaci za kalibraciju i kompenzaciju, adrese, podaci o merenjima i programski podaci koje šalje kontroler u najsloženijem obliku. Komunikacioni interfejs treba da ima mogućnost primanja i slanja informacija preko magistrale sa prilično velikom brzinom, i to ne samo u kontroleru, već i u ostalim senzorskim jedinicama u sistemu za distribuciju. Sa druge strane, za neke primene inteligentnih senzora glavni zahtevi su pouzdanost, niska cena i nizak nivo šuma.

3.2. TRENDOVI RAZVOJA (INTELIGENTNI SENZORI I INTELIGENTI MERNI MODULI) Tehnologija proizvodnje senzora i korišćenje senzora je eksplodiralo zadnjih nekoliko godina. Senzori se mogu napraviti da mere parametre procesa u većini proizvodnih aplikacija, ali ova merenja retko direktno mere aktuelne parametre procesa. Senzori postaju bolji, pametniji, i jeftiniji kad su uvrščćeni u produkte masovne proizvodnje. Međutim, još uvek je skupo pakovati pretvarač u masivan senzor sa korekcijama i kompenzacijama specifičnim za aplikaciju, lokaciju, i uslovima okoline kao što je potrebno u virtuelizaciji svih proizvodnih aplikacija. Postoje mnogo primera leading-edge senzorskih primena. Od MEMS sveta, korišćenje mikrokonzola dodavane da adresiraju specifične parametre, i stapanje podataka od stotine senzora da se dobije jedan konačan zaključak. Senzori su ključni za inteligentnu kontrolu, dok obezbeđuju mogućnost merenja parametara procesa i nadgledaju karakteristike proizvoda. Budući senzori će biti mali, sa adekvatnom cenom, robustni, pouzdani, i sposobni da se integrišu sa plug-and-play da bi obezbedili multispektralnu/multiparametarsko nadgledanje bez ručnog podešavanja. Sposobnost merenja osobina u 3-D prostoru biće realizovana sa non-intrusive senzorima. Grube okoline biće osvojene, i autoporavnanje, autokalibracija, auto-ranging osobine će omogućiti senzorima da se uključe u operacione sisteme bez znatnog setup-a. Termin "inteligentni senzor" je korišćen od raznih istraživača u različitim kontekstima. Može se reći da se definicija inteligentnog senzora menjala u skladu sa brzim razvojem mikroelektronike. Nekad se pod inteligentnim senzorom smatrao senzor kome je dodato nekoliko aktivnih jedinica za obezbeđivanje pouzdanijeg povezivanja senzora i većeg kvaliteta izlaznog električnog signala. Na svim poljima merenja gde je to bilo moguće trend razvoja bio je integrisani senzor. Upravo zbog takvog razvoja došlo je do promene shvatanja i samog pojma senzora, koji je pre svega predstavljao primarni osetljivi element nervnog pretvarača odgovornog za početno pretvaranje merne veličine. Vremenom, nivo integracije senzora je prevazišao i sam blok mernog pretvarača, jer je nakon integracije senzora sa pojačavačem, počela faza njegove integracije sa kolima za temperaturnu i naponsku stabilizaciju i ostalim elektronskim kolima za obradu mernog signala. Na nekim poljima merenja bila je moguća potpuna integracija bloka za obradu mernog signala sa senzorom, uključujući i A/D konverziju. Integraciju senzora i ostale elektronike u jednom čipu omogućili su mnogi tehnološki pomaci u mikroelektronici, od tehnika povezivanja dva različita supstrata (senzorskog i silicijumskog), razvoja silicijumskih senzora do razvoja svih kola za analogno procesiranje u CMOS tehnologiji i razvoja novih tipova A/D konvertora, s ciljem povećanja tačnosti i smanjenja zauzetog prostora na supstratu. Ti takozvani monolitni senzori imaju integrisane sve funkcije u jednom čipu, što odgovara perspektivi za daleko složenije merne sisteme vrlo malih dimenzija i velike primenljivosti. Obzirom da tako dobijeni senzorski čip predstavlja jednu celinu, jednu komponentu, bilo je početnih dilema kako nazvati tu složenu integrisanu komponentu. Sa stanovišta ulaza i izlaza, ta komponenta predstavlja pretvarač merene veličine u merljivi električni signal ili čak i direktno u digitalnu prezentaciju

34

Inteligentni senzori i moduli

vrednosti merene veličine. Obzirom da senzor predstavlja ključni element ove komponente i definiše njenu strukturu, bilo je prihvatljivo da se ova komponenta kao prva u lancu mernog sistema jednostavno definiše kao senzor. Ovakav pristup, koji je prihvaćen u literaturi, nesumnjivo ima i elemente komercijalne primene. Onaj integrisani senzor koji je primenom analognih i digitalnih kola transformisan od pasivne komponente u inteligentnu periferiju kontrolnog instrumentacionog sistema po mnogima predstavlja inteligentan sistem. Danas se može smatrati da je dogovorno prihvaćena definicija inteligentnog senzora kao uređaja sposobnog da:

• vrši kvalitetno procesiranje analognih signala koji reprezentuju merenu veličinu • pruži digitalnu prezentaciju analognog signala, odnosno obezbedi digitalni izlaz • komunicira preko dvosmerne digitalne magistrale • bude pristupačan preko posebne adrese • izvršava naredbe i logičke funkcije

Takođe, poželjno je da inteligentni senzor omogućava vršenje funkcija kao što su:

• kompenzacija sekundarnih parametara • detekcija i sprečavanje kvarova • auto testiranje i auto-kalibracija • različite složene računske operacije • postojanje više senzora za različite ili iste veličine na zajedničkom supstratu

Većina senzora implementiranih u silicijumu zauzima malo prostora. To dopušta postojanje celog niza senzora u jednom čipu. Ovo se radi iz više razloga:

− niz identičnih senzora meri istu veličinu, a rezultat se dobija kao njihova srednja vrednost − postoji više senzora različito orijentisanih u prostoru na osnovu kojih se može proračunati

osetljivost na merenu veličinu samo u zadatom smeru − mere se različite veličine a moguće je preko serijskog interfejsa odabrati izlaznu veličinu.

Druge veličine se mere i u cilju kompenzacije krososetljivosti posebno na temperaturu. Eliminisanje drugih uticaja se može donekle ostvariti diferencijalnom metodom preko postojanja dva identična senzora, od kojih je jedan izložen merenoj veličini, a drugi nije ali se nalazi u istim uslovima ambijenta.

Merenje uticaja i kompenzacije neidealnosti karakteristika senzora na samom čipu ne samo da olakšava korišćenje senzora, već i povećava tačnost u odnosu na onu koja bi se mogla ostvariti konvencionalnim tehnikama. Nesumnjivo razvoj ovakvih senzora u mnogome povećava sposobnost kontrolnih sistema koji su siromašni u kontaktima sa spoljnim svetom. Pošto je prihvaćeno ovakvo shvatanje senzora kao složene komponente, čiji se stepen složenosti vremenom menja, bilo je neophodno u takav koncept uključiti sve ranije primenjivane senzorske sisteme. Ovo je bilo neophodno jer na mnogim poljima industrijskih merenja primena monolitnih senzora je neprihvatljiva. Prihvaćen je koncept posmatranja progresivnog razvoja senzorskih sistema kroz određen broj generacija senzora koje je moguće identifikovati. Prva generacija senzora ima malo elektronike oko sebe, ali ih zbog toga ne treba smatrati neupotrebljivim, jer tu spadaju svi senzori u smislu primarnih pretvaračkih elemenata koji se mogu samostalno ili uz neki minimum elektronike primeniti u industrijskim aplikacijama. Oni senzori koji zahtevaju i neke elektronske blokove koji se mogu smestiti udaljeno od senzora identifikovani su kao druga generacija senzora. Senzori druge generacije su deo potpuno analognih sistema sa praktično svim elektronskim delovima udaljenim od senzora. Od treće generacije senzora, prvi stepen pojačanja se dešava u modulu senzora ili u samom čipu senzora. Zato su izlazi ovih sistema analogni signali visokog nivoa kodirani po amplitudi napona, ili sa promenljivom učestanošću impulsa. Ovaj signal se zatim digitalizuje, a onda ga mikroračunar procesira. Većina automatskih senzorskih sistema spada u ovu kategoriju. Danas su u upotrebi i senzori četvrte generacije, kod kojih je najveći deo analognih i neki deo digitalnih kola smešten u čipu, koji čine senzor adresibilnim, a u nekim slučajevima i samotestirajućim sa dvosmemom komunikacijom između senzora i glavnog mikroračunara.

35

Inteligentni senzori i moduli

Na horizontu je peta generacija senzora u kojima se konverzija podataka u digitalni domen obavlja u senzoru (ili u krajnjem slučaju u senzorskom modulu). Glavna razlika u odnosu na prethodne generacije senzora leži pre svega u dvosmernoj komunikaciji sa ostatkom sistema i promenama koje to izazivaju. Osnovna smernica razvoja je realizacija senzora kao autonomne-komponente distribucionih mernih sistema, koja se samostalno brine o svom funkcionisanju, mernim opsezima i proračunu izlazne veličine. Evidentno je da će biti nastavljeno sa korišćenjem sofisticiranih elektronskih kola za potrebe solid-state senzora (senzor u čvrstom stanju). Integracija senzora visoke performanse i finog procesiranja signala kao i kontrolnih kola u inteligentan senzorski modul ima dvostruku namenu:

• omogućava senzoru da postane mnogo univerzalnija komponenta u smislu njegove osetljivosti, tačnosti i pouzdanosti

• omogućava inteligentnom senzoru da postane aktivna i kompatibilna komponenta u većini senzorskih sitema.

Veruje se da, ukoliko se ovi sistemi razvijaju tako da nadmaše performanse postojećih senzora, mogućnosti i sposobnosti solid-state senzora ipak neće biti u potpunosti iskorišćene. Razvoj ovakvih sistema zahteva razvoj pojedinih komponenti i delova koji čine globalni sistem. Sistem je u skladu sa senzorima treće generacije koji se danas najčešće primenjuju u industriji. Senzor obezbeđuje analognu informaciju i ona se preko kola za kondicioniranje prosleđuje mikroračunaru. Procesiranjem informacija pomoću mikroračunara donosi se odluka koja se implementira preko aktuatora. Senzori i aktuatori se skupno nazivaju pretvaračima. I kod aktuatora je vidan stepen integracije, pa se pojavljuju mikroaktuatori. Aktuatori mogu da se jave kao prekidači, ventili pa i motori.

Slika 3.2.1. Faze razvoja inteligentnih senzora

36

Inteligentni senzori i moduli

3.3. SENZORSKE MREŽE Prednosti u senzorskim tehnologijama, mikro-elektro-mehaničkih sistema (MEMS) i odgovarajući interfejsi, procesiranje signala i umrežavanje su učinili mogućim da se učine visokofunkcionalnim inteligentni senzori i da se poveže veliki broj senzora za distribuirane merne i kontrolne aplikacije. Umrežavanje velikog broja inteligentnih senzora omogućava mogućnost za monitoring i kontrolu veoma širokog opsega aplikacija kao što su industrijski nadzor procesa, kontrola okruženja, sigurnosti i bezbednosti. U mreži senzora, generalno gledano, senzori su vezani za mikrokontroler koji obezbeđuje ugrađenu linearizaciju, korekciju grešaka i pristup mreži. Pojedini digitalni interfejsi koji nisu bili dizajnirani za senzorske mreže kao što su I2 C i RS232 se već odavno koriste u industriji. Da bi znali kako da izaberemo odgovarajuću magistralu za različite aplikacije u daljem tekstu je dat pregled već postojećih digitalnih komunikacionih magistrala uključujući I2C, SPI, IEEE1451.x koji se mogu koristiti kod mreža inteligentnih senzora. Struktura serijske magistrale je najefikasnija realizacija između različitih struktura magistrale. Ona može da obezbedi minimalan broj veza u mreži senzora i da postigne nisku cenu. Zbog toga se generacije serijskih magistrala koristi kod sistema sa inteligentnim senzorima. Inter IC-Bus Inter IC-Bus (I2C) je predstavljena kao standard za vezu umreženih integrisanih kola koja mogu ali ne moraju da sadrže senzore. Inter IC-Bus (I2C) je namenjen za aplikacije u sistemima koji povezuju mikrokontrolere i ostale periferne komponente bazirane na mikrokontroleru. To je dvožična serijska magistrala kako bi minimizirala cenu koštanja kao što je prikazano na slici 3.3.1.

Slika 3.3.1. Tipična I2C bus konfiguracija

Dve linije Serial Data i Serial Clock nose informacije između komponenata vezanih na magistralu. Serial Data linija je bi-dimenziona ali podatak može da ide samo u jednom smeru u određenom trenutku. Svaka komponenta se identifikuje jednom adresom. Komponente na magistrali su definisane kao MASTER (glavna) i SLAVE (podređena). MASTER inicira transfer podataka na magistralu i generiše takt; on takođe generiše neke kontrolne signale koji se postavljaju na DATA liniju. SLAVE je kontrolisan od strane MASTER-a. SLAVE može da prima ili šalje podatke od toga kako mu naloži MASTER. MASTER komponenta je obično mikrokontroler. Inter IC-Bus (I2C) magistrala je multimaster magistrala. Dakle, više od jednog mikrokontrolera može biti vezano na magistralu. Neka arbitražna procedura je ugrađena u sistem kako bi se izbegao haos koji bi mogao da nastane pri simultanom transferu podataka izmedu nekoliko mikrokontrolera. Magistrala može da radi u tri moda sa tri različite stope komunikacije. Podaci na magistrali mogu da se transformišu u stopama od 100kbit/s u standardnom modu, od 400 kbit/s u brzom modu, ili 3,4 Mbit/s u visoko-brzom modu. Broj interfejsa vezanih na magistralu zavisi od graničnog kapaciteta koji je 400 pF. Inter IC-Bus (I2C) magistrala podržava dva načina adresiranja: 7-bitno i 10-bitno adresiranje. Najviše 1024 komponenataje dozvoljeno da budu na magistrali. 7-bitno adresiranje ima manju dužinu poruke i zahteva prostiji hardver. Komponente sa 7-bitnim i 10-bitnim adresiranjem mogu zajedno biti vezane na isti sistem. Integracija adresiranja i protokol transfera podataka dozvoljavaju sistemu da bude kompletno softverski definisan. Topologija je jednostavna, a broj veza je minimalan, ali je komunikacioni protokol krut. Kontrolni signali koji dolaze od MASTER-a kao što su START, STOP itd. se kodiraju na DATA liniji što povećava zahtevanu složenost interfejsa hardvera. Inter IC-Bus (I2C) ne podržava plug-and-play ili prekidne funkcije koje su važne kod mnogih senzorskih mreža. Da bi uštedeli energiju neki senzorski čvorovi moraju biti u 'sleep' modu većinu vremena i da se 'probude' od strane tajmera ili nekog događaja. Za svaki transport informacija

37

Inteligentni senzori i moduli

mikrokontroler treba da inicira zahtev i obezbedi taktualni senzor. Da bi dobio nove informacije sa senzora mikrokontroler mora da proziva svaki senzorski čvor vezan na magistralu veoma često kako bi bio siguran da neće propustiti novu informaciju ili neki neočekivani događaj. Ova osobina čini Inter IC-Bus (I2C) nepogodnim za aplikacije koje imaju stroge zahteve za efikasnost napajanja i hitno procesiranje. To ograničava upotrebu aplikacije sa Inter IC-Bus (I2C) magistrala u mrežama senzora koje zahtevaju visoku energetsku efikasnost. Serijski periferni interfejs Serijski periferni interfejs (SPI) je trolinijski serijski bas aplikacija sa 8-bitnim transferom podataka. Na slici 3.3.2 je prikazana aplikacija SPI basa. Dve od tri linije služe za prenos podataka, a treća je takt. Slično kao kod IC-Bus (I2C), magistrale su definisane kao MASTER (glavna) i SLAVE (podređena). MASTER inicira transfer informacije i generiše taktni interval. Svaki SLAVE uređaj na magistrali je kontrolisan od strane linije za selekciju čipa, a to je paralelna linija za svaki čvor na magistrali zajedno sa tri SPI signala magistrale. Dve linije za podatke su nedirektne i takt signal je generisan od strane MASTER-a. Linija dout prenosi podatke od MASTER-a (mikrokontrolera) do SLAVE-a (senzora), dok linija din prenosi podatke od SLAVE-a do MASTER-a. SPI magistrala koristi jednostavnu organizaciju preko SHIFT registara. Transfer podataka se obično izvodi u osam ili šesnaest bit blokova. Informacija na SPI magistrali može biti prenešena pri brzini od skoro 0 bit/s do skoro 1Mbit/s. Četiri režima takta su definisana za SPI magistralu pomoću polariteta taktnog signala i preko faznih podešavanja takvih signala. Polaritet taktnog signala određuje nivo stanja neupošljenosti clock-a a faza taktnog signala određuje ivicu signala koji smešta podatke na magistralu. Svaki hardverski uređaj koji je sposoban da radi u više režima neophodno je da poseduje metode za selekciju vrednosti podešavanja kontrole ovih režima. Ova višerežimska sposobnost u kombinaciji sa jednostavnom arhitekturom SHIFT registara čini SPI magistralu veoma prilagodljivom i omogućava mnogim neserijskim uređajima da se koriste kao SPI SLAVE-ovi.

Slika 3.3.2. Tipična SPI bus konfiguracija

SPI je interaktivna magistrala za mikrosisteme sa inteligentnim senzorima. Dve odvojene linije za podatke i jednostavna organizacija prenosa podataka pomoću SHIFT registara čini hardver SPI interfejsa znatno jednostavnijim od Inter IC-Bus (I2C) (magistrale). Međutim, potrebna je posebna linija za dozvolu svakog čvora radi selekcije uređaja konektovanih na magistralu. Kako su selektorske linije generalno obezbeđene od strane MASTER-a (mikrokontrolera), ovo uvelikom ograničava broj senzorskih čvorova u sistemu, a samim tim i veličinu senzorske mreže. Takođe, za razliku od Inter IC-Bus (I2C), SPI magistrala ne omogućava novim senzorima lako dodavanje u sistem bez dodatnih ekstremnih interfejsa. SPI sistem inteligentnih senzora ne može biti modifikovan ili unapređen jednostavno dodavanjem ili uklanjanjem senzora na ili sa magistrale bez ikakvog uticaja na druga kola na magistrali. Konačno kao i sa Inter IC-Bus (I2C) (magistralama), SPI ne poseduje kontrolni signal za detekciju novih senzora ili prekida, što ga čini nepogodnim za mnoge aplikacije uključujući nadgledanje okoline i detekciju događaja.

IEEE-1451 familija standarda za povezivanje mernih pretvarača Ciljevi IEEE 1451 standarda su:

− razvoj interfejsa pretvarača nezavisnih od mreže i prodavca, − definisanje TEDS i standardizovanih formata podataka, − podrška opštim modelima podataka, kontrole, sinhronizacije, konfiguracije i kalibracije

pretvarača,

38

Inteligentni senzori i moduli

− omogućuje pretvaračima da budu instalirani, nadograđeni, zamenjeni, i pomereni sa minimalno napora jednostavno «plug and play»,

− eliminisanje sklonosti ka greškama, ručnog unošenja podataka i koraka konfiguracije sistema, i

− lako povezivanje senzora i aktuatora žičanim i bežičnim sredstvima. IEEE-NIST 1451 familija standarda je set otvorenih standarda koji definiše interfejse za senzore i aktuatore pri komunikaciji sa procesorom. U stvari, ova familija standarda je mnogo više od seta specifikacija koje dovode u vezu pozicije konektorskih pinova sa različitim signalima. Ovi standardi sadrže obilje informacija i vodilja o povezivanju senzora i aktuatora u mreže. Problem razvoja univerzalnog seta interfejs standarda koji će uskladiti sve senzore, aktuatore, komunikacione potrebe, mreže, i zahteve procesora je veliki zadatak.

Slika 3.3.3. IEEE 1451 podela modela inteligentnog senzora

IEEE 1451.0 Zajednička fukcionalnost Nekoliko standarda IEEE 1451 familije dele neke karakteristike, ali nema zajedničkog seta funkcija, komunikacionih protokola, i TEDS formata koji olakšavaju komunikaciju između ovih standarda. IEEE 1451.0 standard omogućuje tu uzajamnost (zajedništvo) i pojednostavljuje kreiranje budućih standarda sa različitim fizičkim nivoima koji će olakšati komunikaciju u familiji. Ovaj projekat definiše set zajedničkih funkcionalnosti u familiji IEEE 1451 interfejs standarda inteligentnih pretvarača. Ova funkcionalnost je nezavisna od fizičkih komunikacionih mediuma. Obuhvata osnovne funkcije zahtevane za kontrolu i upravljanje inteligentnim pretvaračima, zajedničkim komunikacionim protokolima, i TEDS formata nezavisnih od medijuma. Blok dijagram za IEEE P1451.0 je prikazan na slici 3.3.4. P1451.0 definiše funkcionalne karakteristike, ali ne definiše bilo koji fizički interfejs.

Slika 3.3.4. Blok dijagram IEEE P1451.0 standarda

IEEE 1451.1 Ovaj standard obezbeđuje zajednički objektni model za komponente "inteligentnog pretvarača" i "mreža" povezujući ove inteligentne pretvarače sa ostatkom sveta. Neke od komponenti su NCAP blok, funkcionalni blok, i blok pretvarača. Objektni model umreženog inteligentnog pretvarača obezbeđuje dva interfejsa.

39

Inteligentni senzori i moduli

1. Interfejs ka bloku pretvarača, koji enkapsulira implementacije hardvera pretvarača u okviru jednostavnog programiranog modela. Ovo čini hardver interfejsa senzora ili aktuatora sličnim ulazno-izlaznom (I/O)-drajveru.

2. Interfejs ka NCAP bloku i portovima enkapsulira detalje različitih implementacija mrežnih protokola iza malog seta komunikacionih metoda.

Ova konstrukcija softvera omogućuje istraživačima da implementiraju jedan set 1451.2 inteligentnih pretvarača koji zatim može raditi sa više specificiranih za mrežu Network Capable Applications Processors - NCAP gde svaki NCAP radi sa različitim tipom mreže. Ovaj standard definiše mrežno nezavisne modele za komunikaciju između mreže i inteligentnog pretvarača (kao što je 1451.2 inteligentni pretvarač) i takođe definiše model za implementiranje mrežno nezavisnih funkcija za specifične primene. Ovaj standard takođe uključuje uniformne modele za predstavljanje fizičkih podataka, podataka o događajima, vremena, i upravljanja memorijom.

Slika 3.3.5. Konceptualni pogled na IEEE 1451.1

IEEE 1451.2 IEEE/NIST standard 1451.2 obezbeđuje kompletan instrument za kreiranje povezanih u mrežu, inteligentnih pretvarača. Mada ovaj standard ne obuhvata konverziju analognih signala u digitalnu informaciju, on obuhvata pravila za kondicioniranje signala, korekciju grešaka, kalibraciju i mnogo više. Standard opisuje u detaljima softversku i hardversku konekciju između inteligentnog pretvarača i Network Capable Application Processor (NCAP) ali ne obuhvata bilo kakve diskusije o vezi između NCAP-a i mreže. Ako su signali između NCAP-a i inteligentnog pretvarača kompatibilni sa vodiljama IEEE 1451.2 standarda, onda je NCAP prihvatljiv. Ovo obezbeđuje Network Independent osobina. Ovaj standard obuhvata kompletan set definicija i objašnjenja za osam tipa Transducer Electronic Data Sheets - TEDS. Ovi TEDS uključuje Channel TEDS, Meta TEDS, Channel ID TEDS, Meta ID TEDS, Calibration TEDS, Calibration ID TEDS, TEDS za aplikaciju specifičnu za nekog korisnika, i industrijsko proširenje za buduće TEDS.

Slika 3.3.6. IEEE-1451.2 Interfejs između pretvarača i procesora i procesora i mrežnog čvora

IEEE 1451.3 Ovaj standard obezbeđuje za mnoge pretvarače da budu povezani kao različiti čvorovi u "multi-drop mrežu" korišćenjem zajedničkog seta žica za povezivanje. Da ostvari ovo, pristup sinhronizacije vremena kontrolisane sa Transducer Bus Interface Module, ovaj standard multipleksira digitalne signale podataka u zajednički prenosni medijum.

40

Inteligentni senzori i moduli

Slika 3.3.7. IEEE-1451.3 Veza između multi-drop magistrale pretvarača i mrežnog čvora

IEEE 1451.4 Glavna osobina ovog standarda je da obezbedi da analogni i digitalni signali dele isti set žica u Mixed Mode Interface. Ovaj standard fokusira se na front end modela inteligentnog pretvarača i obezbeđuje za malu cenu TEDS model. Takođe omogućuje korišćenje postojećih kablova za slanje analognih signala senzora sa udaljenih pretvarača. IEEE 1451.4 primarno specificira interakcije između pretvarača i modula za akviziciju podataka i ne ulazi u mrežne konekcije.

Slika 3.3.8. TEDS interfejs za analogne pretvarače

Arhitekture senzorskih mreza Mrežne aplikacije inteligentnih senzora se veoma široko razlikuju, od nekoliko senzora unutar običnog instrumenta do hiljade senzora distribuiranih širom nekog fabričkog postrojenja. Te mreže mogu biti žičane, bežične ili kombinovane (kombinacija žičane i bežične) u zavisnosti od aplikacionih zahteva i troškova. Ostale karakteristike; kao što su stopa prenosa, ograničenje snage i fizički broj senzora; igraju važnu ulogu u predstavljanju zahteva u pogledu arhitekture senzorske mreže. Osim toga nije izvodljivo definisati standardnu arhitekturu koja će biti optimalna za sve senzorske aplikacije, ali je korisno pregledati tipične arhitekture i razmotriti kriterijume kako bi znali da izaberemo odgovarajuću senzorsku mrežu za datu aplikaciju. Kad se koristi veći broj senzora, sistem dizajneri mora da razmotre kako da povežu te senzore. Kada je potreban konačan broj senzora najzastupljenija arhitektura koja se koristi je 'point-to-point' arhitektura, kako bi vezala senzore za glavni kontrolni sistem gde se podaci sakupljaju. Taj glavni kontrolni sistem može biti PS računar ili neki drugi kontrolni modul unutar sistema. Ova arhitektura je prikazana na slici 3.3.9. Iako glavni kontroler može biti umrežen kako bi delio informacije, ova arhitektura je najbolja za aplikacije gde umrežavanje senzora nije primarni zahtev. Kod ove arhitekture, komponenta odnosno senzorski moduli ne zahtevaju procesiranje signala unutar samog modula kao ni umrežavanje. Kod ovog pristupa, svaki senzorski modul sadrži senzor, hardver za obradu signala (tipično je to mikrokontroler) i mrežni interfejs koji može ali ne mora fizički biti integrisan sa mikrokontrolerom. Prednost ovakve arhitekture je da značajno procesiranje signala može biti izvršeno unutar samog senzorskog modula i koristeći standardnu mrežnu magistralu senzor može da deli informacije. I2C magistrala je veoma pogodna za ovakvu arhitekturu, i TII (IEEE P1451.2) magistrala može da se koristi samo kad je jedan senzorski modul vezan na HOST sistem. Primarna slabost ovakve arhitekture je njena ograničena optimizacija resursa; tipično svaki senzorski modul radi kao potpuno autonomna jedinica bez deljenja obrade signala i interfejsa, čak i u slučaju kad su senzori fizički lokalizovani zajedno. Kao rezultat teško je optimizovati disipaciju i minimizirati senzorsku mrežu.

41

Inteligentni senzori i moduli

Slika 3.3.9. Point-to-point veza

Neka alternativna arhitektura, koja je postala prilično popularna u mnogim aplikacijama, je ona koja koristi inteligentne senzore, koja je vezana na mrežu sa master (glavni) kontrolnim sistemom kao što je prikazano na slici 3.3.10.

Slika 3.3.10. Inteligenti senzori mogu biti ovako vezani u mrežu sa računarem

Konačna arhitektura koja će biti predstavljena uključuje mnogo kompleksniju višenivovsku mrežu prikazanu na slici 3.3.11.

Slika 3.3.11. Višenivovska mreža senzora

Ovaj pristup koristi serije komunikacionih magistrala za transport podataka između senzora i aktuatora kroz sekvencu sve više 'inteligentne' elektronike. Ovde su senzori i aktuatori vezani direktno za kolo koje kondicionira signale unutar samog senzorskog čvora. Svaki senzorski čvor komunicira sa mikrosistemskim kontrolerom, tipično preko žičane 'intramodulne' magistrale, koji može da ostvari neku signalnu obradu i korekciju-spajanje podataka iz senzorskih čvorova. Mikrosistemski čvorovi komuniciraju preko sistemske magistrale koja može biti žičana ili bežična zavisno od aplikacije, mogu da dele podatke ili izveštaj sa HOST sistemom za dalje procesiranje i/ili dugoročno memorisanje. Konačno, HOST sistem može biti vezan u neku veću mrežu 'large-scale network'1, kao što je Internet.

42

Inteligentni senzori i moduli

Postoje nekoliko prednosti ovakve arhitekture kod aplikacija koje koriste veliki broj senzora. Prvo višenivovska razgranata mreža dozvoljava pristup ogromnom broju senzora/aktuatora (tipično na hiljade u zavisnosti od specijalno izabranog magistralnog protokola) unutar iste mreže. Drugo, ovakav pristup optimizira resurse za obradu signala tako što dozvoljava da mnoge funkcije budu deljive tako da minimizira redundantnu elektroniku. Slika 3.3.12 prikazuje tipičnu dvonivovsku magistralnu mrežu koja koristi ovakvu arhitekturu i ilustruje idealnu lokaciju za kondicionere signala, procesore signala i mrežni hardver koji minimizira zahtevanu elektroniku za ceo sistem. Treće, značajna prednost ovakvog pristupa je redukcija potrošnje celog sistema. Konačno, ova arhitektura je veoma fleksibilna i može biti prilagođena mnogim aplikacijama senzorskih mreža.

Slika 3.3.12. Dvonivovska magistralna mreža

Bežične mreže senzora Bežične senzorske mreže kombinuju mikrosenzorsku tehnologiju, obradu signala malih snaga računanja i bežične mreže malih cena u jedan mali sistem. On obezbeđuje distribuiranu mrežu i Internet pristup senzorima i kontrolnim senzorima smeštenim duboko u okruženje ili postrojenje. Senzorski čvorovi su razmešteni preko interesnog područja i poseduju mogućnost RF-komunikacija signalnih procesa, i procesa komunikacionih protokola. To omogućava stotinama i hiljadama čvorova da sarađuju u mreži radi ostvarivanja velikih zadataka. Primer jedne strukture senzorskih čvorova za bežične mreže je prikazan na slici 3.3.13, iako i arhitekture na slikama 3.3.11 i 3.3.12 takođe podržavaju bežične mreže mikrosistemskih modula. Bežična senzorska mreža se razlikuje od konvencionalne. Mala veličina senzorskog čvora ograničava kapacitet baterije koja je potrebna da bi se svaka operacija efikasno obavila. Ona takođe ograničava i opseg radio-prenosa i sugeriše malu multi-hop prenosnu strukturu. Korišćenje nekoliko poslednjih čvorova malog dometa radi slanja bita je mnogo efikasnija sa stanovišta energije nego korišćenje jednog čvora long-hop. Kod mreža tipa multi-hop, čvorovi ne mogu znati apriori optimalan put ka drugim čvorovima. Stoga, novi mrežni protokol je potreban za koordiniranje otkrivanja i praćenja puteva u mreži sa minimalnom potrošnjom snage. Takođe, i u bežičnim senzorskim mrežama, senzorski čvorovi će ostati uglavnom neaktivni za dug vremenski period, a zatim postati iznenadno aktivni kada se nešto detektuje ili se pojavi neki vremenski događaj.

43

Inteligentni senzori i moduli

Slika 3.3.13. Bežično povezivanje senzora

3.4. PRIMERI INTELIGENTIH SENZORA I MERNIH MODULA Višečlani termički senzor Termički senzori se koriste u brojnim sistemima za merenje protoka gasa, temperature, infracrvenog zračenja i mnogih drugih parametara. Većina ovih senzora koristi tehnike mehaničke mikro obrade kojom se pravi termički izolovana oblast na koju se senzor smešta i izlaže okolini u kojoj se vrše merenja. Jedan takav senzor koji su napravili istraživači na mičigenskom univerzitetu je višeelementni monolitni merač protoka mase sa elektronikom za on-chip procesiranje signala. Slika 3.4.1. prikazuje izgled i poprečni presek ovog senzora. Transdjuserske strukture su izrađene na dielektričnim dijafragmama koje obezbeđuju termičku izolaciju od okolnih elemenata. Četiri senzorske strukture su ugrađene za merenje protoka gasa, smera proticanja i vrste gasa. Dva senzora za merenje brzine protoka koriste tanki film od zlata i hroma za detektovanje temperature i polisilicijum kao grejač. Četvrti senzor sadrži provodnu ćeliju za određivanje vrste gasa. Piezootporni polisilicijumski senzor pritiska je smešten u posebnu rupu za merenje pritiska okoline. Izlazi iz ovih senzora idu na on-chip mrežu koja je izrađena na nenagriženom masivnom delu silicijumskog čipa. Slika 3.4.2. prikazuje blok dijagram on-chip mreže. Pojačavači sa kapacitivnim prekidačima za anuliranje ofseta služe za pojačavanje senzorskih signala i filtriranje jednosmernog ofseta nivoa. Termički senzori (za brzinu i pravac protoka i vrstu gasa) rade u konstantnom temperaturnom modu sa temperaturom koja se određuje pomoću on-chip povratnih petlji i drajvera za grejače. Nakon pojačanja, senzorski izlazi se multipleksiraju i šalju u spoljni svet preko izlaznog bafera. Takođe je urađeno kolo za samotestiranje i ono meri promene elektrotermičkih karakteristika dijafragmi. On-chip temperaturni senzor, koji je ugrađen korišćenjem CMOS i parazitnih bipolarnih delova, koristi se za merenje temperature supstrata i da obezbedi povratni signal za kontrolu grejača. Ova mreža zahteva deset izlaza i na njoj je disipacija 120 mV za napajanje od -5 V ili 5 V, a dimenzije su 3.5 mm x 5 mm u tri m p-kanalnoj CMOS tehnologiji. Prozori su napravljeni pomoću duboke difuzije bora, a dijafragme su formirane anizotropnim nagrizanjem sa zadnje strane pločice. Jedna od glavnih funkcija on-chip mreže kod ovog senzora je redukcija broja izlaza, jer bi bez nje sam broj senzora koji je potreban za tačno merenje protoka mase preopteretio finalno pakovanje i proces montaže. Ista tehnologija je upotrebljena i za izradu monolitnog RM S-DC konvertora. Ovi uređaji jasno ilustruju mogućnosti on-chip kola u obezbeđivanju pojačanja, filtriranja i multipleksiranja, kao i kontrolu pomoću povratne sprege za senzore i aktuatore. Treba dodati da je on-chip mreža integralni deo ovog senzora i da potpomaže u obezbeđivanju funkcija kao što su merenje temperature i kontrola grejanja. Veruje se da će se on-chip kola sve više koristiti za testiranje, dijagnozu i kalibraciju mikrosenzora i mikroaktuatora, radi poboljšanja tačnosti, pouzdanosti i dugotrajne stabilnosti. Gore navedeni integrisani senzori održavaju analognu vezu sa spoljnim svetom i zahtevaju standardizovani interfejs sa eksternim procesorom koji je specijalizovan za njihovu primenu. Poželjno je da se spoljni interfejs standardizuje kao digitalna magistrala i tako omogući glavnom kontroleru da komunicira sa senzorom i implementira više sofisticiranih funkcija koje su poželjne za senzore pete generacije.

44

Inteligentni senzori i moduli

Slika 3.4.1. Spoljašnji izgled i poprečni presek senzora

Slika 3.4.2. Blok dijagram kola

VLSI inteligentni senzori Važan zahtev za mnoge buduće senzorske sisteme je njihova kompatibilnost sa sistemima sa instrumentacionom kontrolom upravljanom mikroprocesorom. Senzori u ovim sistemima treba da imaju mogućnost obavljanja mnogih računskih funkcija i da komuniciraju sa kontrolnim procesorom preko dvosmerne magistrale i tako se ponašaju više kao periferije sistema nego kao pasivne komponente čije je stanje, u opštem slučaju, nepoznato kontroleru. Zato, kao dodatak standardnim funkcijama procesiranja signala kao što su pojačanje i multipleksiranje, ovi senzorski sistemi treba da imaju mogućnost konvertovanja senzorskog signala u digitalni oblik i mogućnost manipulacije podacima na komandu kontrolera. Odgovor na pitanje da li traženo kolo treba integrisati u monolitnoj tehnologiji na senzorskom čipu, ili u hibridnoj tehnologiji povezujući senzorski čip u multi-čip modul, zavisi od cene i traženih performansi za konkretnu upotrebu. U oba slučaja, sa projektantove tačke gledišta ovo nije važno, već je primarna karakteristika interfejs koji senzor nudi sistemu. Opšta arhitektura VLSI inteligentnih senzora je prikazana na slici 3.4.3. Ovaj uređaj je adresibilan, samotestirajući i komunicira preko dvosmerne digitalne magistrale. On može meriti različite ulazne veličine i koristi neke od ovih ulaza za kompenzaciju sekundarnih parametara, može procesirati signal i izdvajati samo korisne i neophodne signale, pa ih zatim proslediti do kompjutera viših nivoa. Npr. senzor gasa može registrovati pritisak gasa, temperaturu i protok gasa, a uključuje i raspored gasnih senzora u cilju poboljšanja njihove selektivnosti i osetljivosti.

45

Inteligentni senzori i moduli

Slika 3.4.3.Arhitektura inteligentnog senzora

Na slici 3.4.4 je prikazan blok dijagram interfejs čipa jednog monolitnog inteligentnog senzora. Prva generacija ovih čipova prihvata naponske ulazne signale sa čeone strane transdjuserskog čipa koji se pojačavaju i digitalizuju pod kontrolom specijalizovanog mikroprocesora. Čip takođe prihvata i digitalne signale, kao i impulsne signale. Digitalizovani senzorski podatak je smešten u on-chip RAM-u. Off-chip PROM sadrži programski kod za procesor, informacije o merenim promenljivama, kompenzacionim tehnikama koje treba da se koriste sa podacima i kompenzacionim koeficijentima. Paralelno je postavljen interfejs pomoću procesorskog čipa i PROM-a tako da omogućava upotrebu komercijalnog PROM-a, u ovom slučaju 2716. Komunikacioni interfejs je uobličen za mičigenski paralelni standard (MPS). Procesor koristi dvanaestobitnu internu magistralu koja može da radi sa senzorskim podacima na dvanaestobitnom nivou. Tabela nam daje kratak pregled karakteristika ovog interfejsa u 3 µm single-metal double-poly CMOS tehnologiji. Smatra se da je moguće bitno smanjenje ovog kola daljom optimizacijom i upotrebom komponenata sa finijim karakteristikama. Pojačavač je projektovan sa pojačanjem od 87 dB a sa zatvorenom petljom 20 dB. A/D konvertor sa kapacitivnim prekidačem ima vreme konverzije od 13.5 ps na 12 bita i sa frekvencijom od 8 MHz. Diskretna verzija ovog interfejsa je u upotrebi i potpuno je funkcionalna, a služi za dobijanje većeg broja senzorskih podataka preko digitalne magistrale i personalnog računara. Zbog veličine i kompleksnosti prve generacije, N. Najafi je projektovao interfejs čip druge generacije. Glavna razlika između ove dve generacije je u tome što čip iz druge generacije prihvata samo digitalne ili frekvencijske podatke (pretpostavlja se da transdjuserski čip pravi digitalne podatke upotrebom on-chip ADC-a pre interfejsa sa čipom inteligentnog senzora). Zato ADC nije potreban, što čini interfejs čip čisto digitalnim. Ovde se koristi tehnologija 1.25 pm double-metal single-poly CMOS, a čip se napaja sa 5 V, zauzima 11.7mm2 i zahteva samo 12 delova. Uređaj druge generacije koristi serijski interfejs što drastično smanjuje broj izlaza. Iako senzorski interfejs čipovi reprezentuju najsofisticiranije inteligentne senzore razvijene do sada, druge istraživačke grupe razvijaju senzorske interfejse koji će imati još bolje osobine. Mnogi od ovih projekata i senzorskih sistema ilustruju potrebu za inteligentnim senzorima i njihovu moć, i konačno će otvoriti put razvoju integrisanih senzorskih sistema kompatibilnih sa instrumentacijom baziranom na računaru i kontrolnim sistemima.

Slika 3.4.4. Monolitni inteligentni senzor

46