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Università degli Studi di Siena Dipartimento di Ingegneria dellInformazione IEEE 1451: Recente standard per trasduttori intelligenti - Applicazioni. Siena.

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Presentazione sul tema: "Università degli Studi di Siena Dipartimento di Ingegneria dellInformazione IEEE 1451: Recente standard per trasduttori intelligenti - Applicazioni. Siena."— Transcript della presentazione:

1 Università degli Studi di Siena Dipartimento di Ingegneria dellInformazione IEEE 1451: Recente standard per trasduttori intelligenti - Applicazioni. Siena - Ottobre 2001 Nicola Ulivieri

2 SOMMARIO Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Introduzione Descrizione standard IEEE1451 Applicazioni : sensori chimici smart per la ricerca

3 Facilità nellimplementazione e aggiornamenti di sistemi di misura e controllo connessi alla rete. Automazione della diagnostica, della configurazione del sistema e delle procedure di identificazione in un ambiente multivendor. SENSORI INTELLIGENTI Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Transducer (sensor or actuator) Signal conditioning /amplification Signal conversion Microcontroller unit or logic circuit Output to host input from host [1] Frank, R., Understanding Smart Sensors, Artech House, Norwood, MA, Il termine Smart sensor (sensore intelligente) è stato adottato nella metà degli anni 80 [1]. Conversione del segnale grezzo del sensore in un livello o forma che lo renda più conveniente da usare. Oggi sono richieste al trasduttore caratteristiche supplementari per essere considerato Smart. facilità di integrazione in ogni ambiente di applicazione connesso a una rete auto-identificazione del trasduttore al sistema (informazioni chiave in un formato standard, connesse fisicamente al trasduttore) allaccensione o su richiesta.

4 IEEE Obiettivi Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Il progetto IEEE 1451 è diviso in quattro sottoprogetti: Si occupa della comunicazione tra la rete (qualsiasi) e il trasduttore (1998) Definisce la struttura di autoidentificazione (Data Sheet elettronico) del trasduttore, uninterfaccia digitale e il relativo protocollo di comunicazione (1999) Definisce un multidrop bus per la connessione di più sensori (draft) Estende lo standard a trasduttori con segnali analogici (draft). Il Technical Committee on Sensor Technology dell Institute of Electrical and Electronics Engineer (IEEE)s Instrumentation and Measurement Society ha sponsorizzato una serie di progetti, indicati con la sigla IEEE1451, per lo sviluppo di software e hardware standard per trasduttori intelligenti e per la loro connessione alla rete. Lo standard non impone requisiti su quali dispositivi elettronici usare. Riduzione dello sforzo dell'industria a migrare verso lo standard. Scopo principale dellIEEE1451 è quello di fornire i mezzi per realizzare facile intercambiabilità dei trasduttori e loro inter-operabilità attraverso la reti.

5 IEEE – IEEE – Smart Transducer Interface Module Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Supporto per più trasduttori. TEDS integrato sul modulo. Rappresentazione delle unità fisiche. Modello generale di calibrazione. Triggering di sensori e attuatori. Plug & Play capability. Tranfer rate variabile. LIEEE definisce un Data Sheet elettronico relativo al trasduttore (Transducer Electronic Data Sheet-TEDS) ed il relativo formato di dati, più un'interfaccia digitale a 10 fili e un protocollo di comunicazione fra lo smart sensor e un microprocessore. Connessione punto-punto.

6 IEEE – Network Capable Application Processor LNCAP è dotato di due interfacce per gestire la comunicazione con lo smart transducer da una parte e una rete generica dallaltra. Legge le informazioni dal TEDS e si autoconfigura per la gestione corretta dello STIM. LNCAP può contenere software applicativo gestire i trasduttori connessi oppure può accettare comandi dallesterno (rete). Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 LIEEE definisce lo standard per la connessione del modulo STIM alla rete.

7 IEEE Transducer Bus Interface Modules. Esigenza delle aziende di sistemi distribuiti multidrop strutture modulari - versatili. - Ogni modulo può contenere uno o più trasduttori differenti. - La risposta di molti sensori, anche centinaia, deve poter essere letta in modo sincrono larghezza di banda relativamente alta correlazione temporale dellordine dei nanosecondi. - Il IEEE P dovrà essere uno standard che rispetta tali specifiche. Una sola linea di trasmissione per alimentazione e comunicazioni fra il bus controller ed i moduli TBIM. Anche in questo caso lNCAP è preposto al controllo del bus e dell' interfaccia della rete, che può supportare molti altri bus. Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 LIEEE definisce un bus multidrop. LIEEE può essere considerato unestensione del Ancora in fase di definizione.

8 IEEE Mixed-mode Transducer and Interface. Il deve definire un' interfaccia per i trasduttori analogici per un funzionamento mixed-mode. Il trasduttore analogico, con lelettronica annessa, spedisce le informazioni contenute nel TEDS in forma digitale al momento dellalimentazione o su richiesta. In seguito commuta di nuovo al modo di funzionamento analogico e fornisce il segnale del sensore. Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Necessità di estendere ai trasduttori analogici le funzioni di Plug&Play e autoidentificazione. TEDS sui trasduttori analogici e possibilità di collegare facilmente tali trasduttori ad una rete. Nuova parte dello standard, il

9 Applicazione La creazione di una tale sistema richiederà solo la connessione fisica di ogni dispositivo e la creazione di un semplice applicativo software per la gestione di tale sistema. Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 BagnotermostatatoSensore di CO Allarme Facendo uso dello standard appena descritto IEEE1451, sistemi distribuiti di misura e controllo possono essere progettati e sviluppati facilmente.

10 Interesse - Aziende e Ricerca Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Molte grandi aziende hanno già iniziato la sperimentazione dello standard IEEE1451: HP / Agilent NCAP (BigFoot) Analog Devices Micro per implementazione (AD812) + software C Cognisense Smart Sensor con accellerometro (EDI520) Brüel & Kjær Accellerometro e microfono compliant Nestlé Research Center FIAT, Centro Ricerche Telecom Italia Alpha MOS Linteresse è grande anche per i gruppi di ricerca che operano nel campo delle misurazioni. I sensori chimici, per es., sono forte oggetto di ricerca. Avere uno standard disponibile=elettronica pronta concentrazione delle risorse sui veri campi di ricerca+facile distribuzione tra i gruppi studi paralleli e scambi veloci di informazioni. Il NOSE (Network on artificial Olfactory Sensing) ha voluto la costituzione di un gruppo di lavoro per lo studio di standard per la creazione di sensori chimici intelligenti e per la portabilità dei dati acquisiti da questi. Il Working Group on Intenational Standard (WGIS), di cui faccio parte, si è occupato del recente standard IEEE1451 e delle sue possibili applicazioni nei nasi elettronici. Risultato di tale studio è un documento di 40 pag che descrive lo standard e mette in luce, con esempi applicativi, sia le sue potenzialità sia alcune sue carenze per la creazione di sistemi multisensore. Le conclusioni, pur riferendosi a nasi elettronici, sono valide per ogni sistema multisensore.

11 Moduli STIM per sensori chimici Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 QCM sensor Metal Oxide sensor Studio di un modulo generale per sensori chimici, compatibile con lo standard IEEE1451, e delle informazioni da inserire nel TEDS. Sensori chimici maggiormente usati nei nasi elettronici: Metal Oxide Sensors (MOX), Conducting Polymer (CP) sensors, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), and Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensors. Temperatura non controllata Segnale di eccitazione fissato Parametro letto: resistenza Richiesta alimentazione esterna I MOX sono i più critici nelluso in quanto richiedono di essere riscaldati a una temperatura nel range °C. Essa influenza pesantemente la selettività del sensore

12 TEDS Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Campi principali del TEDS 1 Meta TEDS per STIM 1 Channel TEDS + 1 Calibration TEDS (opzionale) per Canale

13 Calibrazione modello e es: Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Multinomial (multivariate polynomial) Esempio nel caso a 2 dimensioni (2 input) I coefficienti di correzione sono letti dal TEDS e resi disponibili al motore di correzione presente nellNCAP. Es: Termistore: R T Sonda PH:I,T PH Sensore chimico:R,RH,Temp,ecc. ppm Il modello di correzione è stato studiato per correggere il comportamento non lineare del trasduttore o per tenere conto degli effetti di altre variabili (es.: temperatura).

14 Modulazione Temperatura Siena - Ottobre 2001 IEEE Principal component 1 Principal component 2 Time (s) TGS2610 Normalized impedance (Z/Zo) Principal Component 1 Principal Component TGS2610 Time (s) (Z-Zm)/Zmax 1.5 Necessità del controllo della temperatura Maggiore selettività Misura più veloce Ricerca dei profili Elettronica complessa

15 Sensori per la ricerca Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 E necessario aggiungere allo schema precedente lhardware necessario per la lettura della temperatura del sensore e per il suo riscaldamento. Sono richiesti 2 canali addizionali. Nel campo 9 del channel TEDS che si riferisce alla temperatura del sensore va specificato Kelvin. A scopo di ricerca è anche utile poter cambiare la frequenza del segnale di eccitazione per misure di impedenza. Sono richiesti 3 canali addizionali. Lo Standard IEEE1451 permette di raggruppare più canali (modulo e fase). Si possono realizzare STIM con un array di sensori.

16 Architetture di interconnessione Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Utilizza gli standard approvati Solo 1 NCAP Struttura non versatile Problemi per la sostituzione di un trasduttore - va riconfigurato lintero TEDS. Nessun beneficio reale

17 Architetture di interconnessione 2 Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Utilizza gli standard approvati Struttura versatile Molti NCAP Possibili ritardi nel trigger dovuti alla rete.

18 Architetture di interconnessione 3 Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 La soluzione migliore può essere ottenuta utilizzando il nuovo standard non ancora definito IEEE solo NCAP Struttura versatile (facilità di espansione/modifica del sistema) Trigger simultaneo. Comunicazione veloce grazie a un bus dedicato.

19 CONCLUSIONI Interoperabilità tra trasduttori tecnologicamente differenti (sensori ad ossido di metallo, QCM, polimeri). Espandibilità a moduli più recenti tecnologicamente più avanzati. Tutela dell'investimento dell'utente. Concentrazione degli sforzi di industria e ambiente accademico su argomenti di ricerca fondamentali (chimica, fisica) e sulle prestazioni del trasduttore (affidabilità, riproducibilità, sensibilità). Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Necessità per sistemi multisensore dello standard IEEE Ladozione di uno standard permetterebbe:

20 INTRODUZIONE Siena - Ottobre 2001 IEEE1451 Il mercato dei sensori è estremamente diversificato (industrie automobilistiche, aerospaziali, biomedicina, produzione e controllo nei processi industriali) ed è in continua crescita (43 miliardi di $ nel 2008). Domanda di dispositivi sempre più sofisticati + facilità duso = smart sensors. Un'interfaccia standardizzata faciliterebbe sicuramente il mercato abbassamento dei costi di sviluppo proliferazione di trasduttori intelligenti. La fusione di dispositivi intelligenti con la rete non solo abbasserà ulteriormente il costo totale dei sistemi ma porterà a una maggiore facilità di creazione, installazione, diagnosi e mantenimento dei sistemi sistemi più affidabili. Il collegamento di trasduttori (sensori ed attuatori) alla rete è una prospettiva sia attraente che economica per una vasta gamma di applicazioni. Molte soluzioni sono già disponibili sul mercato. Molte reti locali hanno la loro particolare interfaccia fisica e protocollo di comunicazione. Usare una propria interfaccia richiede investimenti significativi di risorse Barriera per lo sviluppo e la crescita di trasduttori intelligenti da collegare alla rete.


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