Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Modulární mikrosenzorová technika na postupu

číslo 7/2004

Modulární mikrosenzorová technika na postupu

Senzory jsou důležitou součástí většiny moderních elektronických zařízení. Používají se ve stále větším počtu v mnoha průmyslových odvětvích a produktech. Jejich prvořadým úkolem je zjišťovat přítomnost různých fyzikálních veličin či měřit jejich velikost a umožnit další zpracování získaných údajů. Rychle postupující miniaturizace napomohla rozšíření systémové schopnosti senzorů. Ty se postupně mění na tzv. inteligentní a kompaktní měřicí systémy s vestavěnými funkcemi zpracování signálu a specifickými možnostmi komunikace. Účelné využití špičkové mikrosystémové techniky umožnilo dříve netušený rozvoj hromadné výroby senzorů, vyvolaný zejména požadavky automobilového průmyslu.

Obr. 1.

Modulární mikrosystémová technika

V jiných průmyslových odvětvích však tolik vhodné podmínky pro hromadnou aplikaci senzorů nejsou. Senzory se zde používají v menších počtech, zato v daleko širším sortimentu a v mnoha dílčích modifikacích. V takových případech ale nelze obrovské přednosti mikrosystémové techniky ekonomicky využít. Zdá se však, že i zde se situace zlepšuje. Se změnou přístupu k produkci v oboru mikrosystémové techniky se totiž do popředí zájmu dostává dosud zanedbávaná oblast malosériové výroby. Slibnou cestu naznačuje modulární mikrosystémová technika (MST). Jde o první koncepci svého druhu směrovanou zejména na menší výrobce, kteří vyrábějí produkty v poměrně malých výrobních dávkách. Ve své podstatě se koncepce modulární MST kryje s požadavky německého odborného svazu pro senzoriku AMA (Arbeitsgemeinschaft für Messvertaufnehmer a. V., také AMA Fachverband für Sensorik e. V.). Ten již dlouho upozorňuje na potřebu flexibilního výrobního konceptu vhodného pro malé a střední podniky. Jako alternativa k současné drahé výrobě v kusových množstvích by měly být v budoucnu k dispozici kompletní mikrosystémy v podobě modulů s jednotnými geometrickými a elektrickými rozhraními. Konečný produkt, např. senzorový systém, potom vznikne jako účelná kombinace vhodně vybraných mikromodulů. Typický příklad možného využití modulární MST v konstrukci senzorů je na obr. 1.

Myšlenka modulární MST bude však v oboru senzorů úspěšná tehdy, vytvoří-li se z výrobců senzorů jedna „uživatelská skupina„, která se předem dohodne na potřebných typech modulů, rozhraních a na dalších okrajových podmínkách (napájecích napětích apod.).

Šance na uplatnění modulární MST v oboru senzorů, i s jeho velkou rozmanitostí produktů vyráběných v malých sériích, jsou velmi dobré, protože i zde se již s výhodou využívají modulární koncepce produktů směřující k menšímu počtu vyráběných typů, menším nákladům na vývoj a k hospodárnější logistice i výrobě. Potvrdil to výsledek dotazníkové akce, kterou svaz AMA uspořádal mezi 850 výrobci a dodavateli senzorů. Asi 80 % respondentů odpovědělo, že senzory již modulárně vyrábějí. Jejich modulární systémy však mají jenom vnitropodnikový charakter a omezují se pouze na výrobní programy příslušných podniků. Odborníci se přitom shodují v názoru, že mnohem větší výhody a úspory by přinesla celoodvětvová modulární koncepce platná pro celé odvětví. K tomu je ovšem nutné dosáhnout jednotné, na podnicích nezávislé standardizace funkcí a rozhraní modulů.

Obr. 2.

K podpoře žádoucího sjednocení standardů v celém odvětví sestavil svaz AMA speciální pracovní skupinu s názvem Modulární mikrosenzorika (Modulare Mikrosensorik). V ní nyní spolupracuje asi 100 partnerů z řad výrobců, výzkumníků a uživatelů. Jedná se o otevřenou komunikační platformu, která podporuje dialog mezi různými skupinami odborníků a usnadňuje výměnu nových myšlenek a nápadů. V jejím rámci se podle potřeby vytvářejí pracovní týmy, pověřované různými úkoly, např. vypracováním základní definice funkcí a rozhraní. Pracovní tým pro každý úkol sdružuje deset až dvacet partnerů, kteří zastupují zájmy výrobních podniků, výzkumných institucí a významných uživatelů (např. sdružení uživatelů sběrnicových systémů).

Kde začíná modularizace?

Podle doporučení pracovní skupiny Modulární mikrosenzorika je základem konceptu modularizace v oboru senzorů rozdělení senzorového systému na tři základní funkční moduly. Ty jsou určeny pro zajištění snímání měřených hodnot a jejich převod na měřicí signál, zpracování měřicího signálu a posléze komunikaci s připojeným systémem (obr. 2). Modul pro snímání (převod) měřených hodnot, který je vstupní částí systému, obsahuje vlastní jádro senzoru (čidlo) včetně obvodu pro analogové předzpracování signálu. Druhý modul, zajišťující úpravu a zpracování měřicího signálu, zpravidla obsahuje A/D převodník a mikropočítač, ale někdy ještě i analogové obvody. Třetí modul, jehož součástí jsou vazební obvody pro komunikaci po připojené sběrnici nebo síti, je výstupní částí senzorového systému. Moduly spolupracují přes rozhraní, která jsou nezávisle na výrobcích specifikována doporučeními odborného svazu AMA. Prvotní rozhraní mezi modulem pro snímání měřených hodnot a modulem pro zpracování měřicího signálu je specifikováno doporučením PrimSens (Primäre Sensorelement-Schnittstelle – primární rozhraní senzorového prvku). Rozhraní na výstupní straně modulu pro zpracování měřicího signálu je specifikováno v doporučení Buskoppler (vazební člen), které současně popisuje i koncepci komunikačního modulu. Na definici modulu pro zpracování měřicího signálu se zatím ještě pracuje.

Obr. 3.

Primární rozhraní

Definici primárního rozhraní PrimSens vypracoval pracovní tým svazu AMA, složený ze zástupců výrobců senzorů a odborníků ze dvou Fraunhoferových ústavů (Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration – IZM, Institut für Integrierte Schaltungen – IIS).

Doporučení PrimSens stanovuje především absolutní úroveň výstupního signálu modulu pro snímání měřených hodnot nezávisle na měřené veličině a na provozních napětích použitých v senzorovém systému. Je toho dosaženo interní stabilizací napájecího napětí jádra senzorového prvku uvnitř modulu. Hardware měřicích systémů v současnosti zpravidla tvoří komponenty vyžadující napájecí napětí 5 V. Vedle toho roste význam techniky napájené napětím 3,3 V. S ohledem na budoucí vývoj velikosti napájecího napětí připouští definice primárního rozhraní dvě výstupní úrovně, a to ±1,23 nebo ±2,46 V podle toho, s jakým napětím pracuje modul pro zpracování měřicího signálu. Z ekonomických důvodů (cena hardwaru) je v PrimSens provozní napětí modulu omezeno shora hodnotou 12 V.

Doporučení PrimSens lze v zásadě použít na všechny senzorové prvky. Na obr. 3 je jako příklad jeho použití naznačena hardwarová koncepce modulu pro snímání měřených hodnot se senzorovým prvkem na bázi odporového měřicího můstku. Hlavními částmi obvodu jsou:

  • senzorový prvek (odporový měřicí můstek),
  • přístrojový (operační) zesilovač měřicího signálu,
  • síť odporů pro nastavení zesílení a odstranění offsetu,
  • stabilizátor napájecího napětí můstku,
  • přídavné čidlo teploty (na přání).

Díky použitému stabilizátoru napětí je výstupní signál modulu nezávislý na provozním napětí, které je k dispozici v senzorovém systému. Napětí na senzorovém prvku (odporovém můstku) je vyvedeno vně modulu. To umožňuje externě korigovat jeho dlouhodobý drift nebo přivést na můstek vnější napětí, takže stabilizátor napětí může být vynechán. Je-li vstupní modul doplněn čidlem pro kompenzaci vlivů teploty, musí úroveň výstupního signálu čidla také odpovídat doporučení PrimSens.

Doporučení PrimSens rozlišuje primární rozhraní v základním provedení a ve volitelném rozšířeném provedení. Základní verze PrimSens, znázorněná na obr. 3, stanovuje úroveň výstupního analogového signálu vstupního modulu a funkci šesti jeho vývodů. Vstupní modul s rozšířeným rozhraním PrimSens-Mem, který navíc obsahuje paměť EEPROM s elektronickým identifikačním typovým štítkem TEDS (Transducer Electronic Data Sheet), má deset vývodů. Identifikátor TEDS, zadávaný výrobcem senzorového prvku, který se čte přes speciální sběrnici I2C, obsahuje např. přídavné kalibrační údaje pro následné zpracování měřicího signálu v senzorovém systému (např. koeficienty mnohočlenu popisujícího převodní charakteristiku). To pochopitelně rozšiřuje použitelnost senzoru.

Tab. 1. Primární rozhraní modulárního senzoru podle doporučení PrimSens (vývody 7 až 10 jsou využity jen u rozšířené verze PrimSens-Mem)

Vývod Označení Popis
1 SVcc provozní napětí na senzorovém prvku
2 Vcc napájecí napětí analogové elektroniky
3 TC kompenzace teploty
4 Aout výstupní signál vstupního modulu
5 Vir. Masse referenční zem, možnost zadání zvenku
6 AGND zem (analogová)
7 DVcc napájení paměti dat
8 DGND zem (digitální)
9 I2C Clock taktování paměti dat
10 I2C Data výstup paměti dat

Doporučení PrimSens specifikuje také mechanické rozhraní (konektor, pájecí vývody, speciální paralelní mikrokonektor). Obsazení vývodů je uvedeno v tab. 1. Vývody s roztečí 1,27 mm lze uspořádat v jedné řadě (single-in-line) s rozměry 14 × 2,54 mm nebo ve dvou řadách (dual-in-line) s rozměry 7,7 × 3,8 mm. Mikrokonektor s roztečí kontaktů 0,5 mm zaujímá plochu 4 × 8,1 mm.

Modulární komunikační rozhraní

V poslední době rychle rostou požadavky na efektivní komunikaci senzorů s nadřazenými systémy po průmyslové sběrnici, popř. po síti Ethernet. Jednou z cest, jak zajistit efektivní komunikaci za přijatelnou cenu, je použít standardizované modulární komunikační rozhraní s integrovanými funkcemi pro zpracování signálu, které by se vyrábělo v podobě modulových vazebních členů ve velkých sériích a výrobci senzorů by je mohli nakupovat a montovat stejně jako jiné součástky. Vypracovat takový standard pro vazební členy určené k připojení senzoru k průmyslové sběrnici a síti Ethernet měl za úkol pracovní tým Buskoppler, sestavený ze zástupců šesti výrobních podniků a sdružení uživatelů průmyslových sběrnic CAN, LonWorks, AS-i a DIN-MB. Koordinací a řízením práce týmu byl pověřen ústav měřicí a automatizační techniky (IMA) Univerzity spolkové armády v Mnichově. Klíčovými charakteristikami navržené modulární koncepce vazebního členu pro připojení senzoru ke sběrnici jsou:

  • architektura hardwaru optimalizovaná z hlediska nákladů,
  • sběrnicový systém nezávislý na profilu přístroje,
  • unifikované elektrické vývody.
Obr. 4.

Ve své základní verzi doporučení má vazební člen za úkol pouze spojit senzor se systémem průmyslové sběrnice nebo sítí Ethernet. Doporučení pro realizaci vazebního členu specifikuje jednotné hardwarové a softwarové rozhraní mezi elektronikou senzoru a vazebním členem. V mikropočítači senzorového systému je uložen tzv. generický profil (struktury dat, vyvolávání funkcí atd.), nezávislý na vnější sběrnici. Důsledným oddělením řízení sběrnice a zpracování měřicího signálu odpadá nákladná implementace specifických funkcí senzoru do vazebního členu, a hardware vazebního členu může být relativně jednoduchý. K popisu generického profilu se používá nezávislý jazyk XML (eXtensible Markup Language).

Na obr. 4 je naznačeno blokové zapojení základní varianty modulu vazebního členu pro připojení senzoru k průmyslové sběrnici. Jeho hlavními funkčními prvky jsou integrovaný obvod pro sériovou komunikaci USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) a řadič sběrnice s pamětí dat, taktovacím generátorem, obvodem přerušení a vysílačem a přijímačem pro připojení ke sběrnici. Vazební člen je řízen z počítače zpracovávajícího měřicí signál přes sériové rozhraní SPI (Service Provider Interface). Jeho předností je velká přenosová rychlost. Sériové ovládání umožňuje navíc připojit větší počet prostorově blízkých inteligentních senzorů. Zpracování měřicího signálu a připojení ke sběrnici nemusí být nutně řešeny ve dvou oddělených modulech podle obr. 2. Doporučení pro vazební člen totiž specifikuje i variantu, kdy jsou obě funkce sloučeny do jednoho „inteligentního„ vazebního členu. Komunikační rozhraní a rozhraní PrimSens se potom překrývají.

V doporučení pro modulární vazební člen je specifikováno také jeho mechanické rozhraní (tab. 2). Vývody jsou uspořádány v jedné řadě ve dvou blocích po šesti s doporučenou roztečí 1,27 mm. První blok (vývody 1 až 6) je určen ke spojení s elektronikou senzoru, druhý blok (vývody 7 až 12) k připojení k vnější sběrnici.

Tab. 2. Rozhraní vazebního členu podle doporučení Buskoppler

Vývod Označení Popis
1 Vcc out provozní napětí pro senzor
2 GND zem
3 SDO/TXD režim SPI: výstup sériových dat, režim USART: výstup asynchronních dat
4 SDI/RXD režim SPI: vstup sériových dat, režim USART: vstup asynchronních dat
5 SCK režim SPI: výstup sériového taktu, režim USART: není použit
6 IRQ vstup přerušení
7 až 10 Bus specifi cké signály sběrnice
11 Vcc in provozní napětí pro vazební člen
12 GND zem

Závěr

Podle odborného svazu pro senzoriku AMA představuje modulární mikrosystémová technika senzorů založená na funkčních modulech se standardizovanými rozhraními zatím nejlepší cestu k tomu, jak v celém odvětví hospodárně zvládnout výrobu i malých sérií širokého sortimentu senzorů při využití předností progresivních výrobních postupů hromadné výroby. Obavy některých výrobců, že jednotná, na produktech nezávislá rozhraní povedou k rovnostářství mezi produkty, jsou podle představitelů svazu AMA rozhodně neopodstatněné. Klíčové schopnosti jednotlivých výrobců senzorů nebudou modularizací nijak dotčeny, protože jedině výrobce bude i nadále zodpovídat za volbu nejvhodnějšího senzorového prvku, optimální zpracování měřicího signálu, korigování rušivých vlivů a rovněž i za vhodné zapouzdření a kontaktování. Modulární provedení hardwaru umožní pouze, při použití hromadně vyráběných modulů, zkrátit dobu potřebnou na vývoj a dosáhnout pružnější a levnější výroby senzorů.

Literatura:

[1] Modulare Mikrosensorik. AMA Fachverband für Sensorik e. V., 2004.

Zdroje na internetu:

[2] http://www.ama-sensorik.de

Ing. Karel Kabeš

Inzerce zpět