Sistemi di Sensori Capacitivi Matteo Nicolini, Davide Gennaretti 23 Luglio 2003

Sommario Sensori capacitivi di pressione Modelli Applicazioni biomedicali Applicazioni di Vasta Area Sistema di misure distribuito Protocollo di comunicazione Realizzazione circuitale schede realizzate: Master Driver Receiver Conclusioni e sviluppi futuri 6 Maggio 2004

Sensori Capacitivi di Pressione Ottenuti dalla realizzazione di DUE (o più) armature sulla superficie di un dielettrico comprimibile elastico. Libertà: Scelta dell’elastomero (compromesso Sensibilità-Range) Realizzazione di molte armature sullo stesso substrato di elastomero: - disposte in modo “opportuno” - disposte a GRIGLIA di pixel Vincoli: Collegamento all’esterno di molti fili Schermatura 6 Maggio 2004

Realizzazione di una matrice di Sensori Capacitivi Il modo più semplice: un elastomero comprimibile costituisce il supporto per le armature dei condensatori, accorpati in: “r” righe (sopra) e “c” colonne (sotto), collegati all’esterno. Dielettrico Comprimibile Righe Colonne In tutto si ottengono r*c capacità variabili con la pressione, secondo le caratteristiche meccaniche dell’elastomero. 6 Maggio 2004

Lettura di sensori capacitivi Sotto l’approssimazione di condensatore a facce piane parallele, la Capacità da misurare segue la legge: CX =  S d  Pressione  d Decresce  CX cresce C F Esistono diversi possibili configurazioni per leggere una capacità, utilizziamo un charge amplifier (legge l’iniezione di carica). Risulta dunque: V IN C X V O C X = V IN F O 6 Maggio 2004

Lettura di sensori capacitivi RF Il charge amplifier così ottenuto ha una FdT Con un polo nullo  Integra gli errori costanti: La corrente di Offset dell’OpAmp lo fa saturare! Si aggiunge una resistenza RF per ottenere un comportamento “PASSA BANDA”: - A frequenze BASSE RF assorbe la (lenta) iniezione di carica, con piccoli valori di Vo, A frequenze ALTE il polo dominante dell’OpAmp attenua. Risulta questo Diagramma di Bode: F C V IN C X V O 6 Maggio 2004

Lettura di una Matrice di Sensori Capacitivi Tra il Driver e il Charge Amplifier si commutano tutti i possibili incroci mediante due selettori analogici: Il primo sceglie su quale RIGA deve essere iniettato il segnale del driver. Il secondo seleziona la COLONNA su cui il Charge Amplifier deve leggere l’iniezione di Carica. PROBLEMI di LETTURA: Iniezione di carica delle linee NON SELEZIONATE  si mettono a massa. Riflessione e distorsione MUX Matrice Sensori Receiver Driver CF CX CC CR 6 Maggio 2004

Struttura a matrice CR: row capacitance CC: capacitance column Cf Vo CC: capacitance column parasitic capacitances VS Vo CS Cf n CR CC 6 Maggio 2004

Descrizione del sistema Matrice di sensori Digital Output Row Selector Line Selector Q(t) VCA(t) VBPF(t) VCLA 1 ADC Demodulatore AM a prodotto Vin(t) Sine Wave Generator Charge Amplifier Band-Pass Filter A/D Converter I/O Control Scheda di acquisizione 6 Maggio 2004

Matrici di sensori capacitivi: problematiche Non linearità della capacità Algoritmi di linearizzazione Compensazione delle non idealità Compromesso definizione / velocità di scansione: Stretta dipendenza dalle applicazioni Dimensioni dell’area sensibile Definizione spaziale Problemi tecnologici connessi Capacità Resistenza I/O Strategie di sensing Costi/prestazioni 6 Maggio 2004

Fixed Pattern Noise Non idealità del dispositivo Tolleranze thumb Spessori del dielettrico Larghezza delle strip Effetti di bordo thumb thumb fingers 6 Maggio 2004

Fixed Pattern Noise Compensation 3D-plots Without noise compensation With noise compensation Histograms Noise as a reference image 6 Maggio 2004

Attenuazione alle basse pressioni Gamma Correction Out  e S d0 - kP C(P) = Linearizzazione In Out P Out critical range Attenuazione alle basse pressioni Dopo la compensazione 6 Maggio 2004

Realizzazione di una matrice di Sensori Capacitivi: Problematiche. Connessioni: Affidabilità (contatti e piste) Resistività delle piste Sensibilità ai disturbi  schermatura Caratterizzazione degli elastomeri: Elettrica (costante dielettrica, perdite) Meccanica (linearità, isteresi) 6 Maggio 2004

Modello (0) della Matrice di Capacità Si possono considerare linee conduttive IDEALI: Non esistono componenti RESISTIVE, CX inietta la carica; Le componenti CAPACITIVE parassite si sommano: quelle di RIGA in CR; quelle di Colonna in CC. E vanno verso MASSA perché le linee non attive sono a massa. cj-2 cj-1 cj cj+2 … ri-1 ri+1 ri+2 ri CC CR 6 Maggio 2004

Modello (1) della Matrice di Capacità Si considerano linee conduttive RESISTIVE: in base alla “forma” delle piste è possibile calcolare la resistenza delle piste. CX inietta la carica; Le componenti CAPACITIVE parassite si sommano: quelle di RIGA in CR; quelle di Colonna in CC. E vanno verso MASSA attraverso alle linee… che sono resistive. cj-2 cj-1 cj cj+1 cj+2 … ri-1 ri+1 ri+2 ri Studio mediante Equazioni della Cella Base, a sistema con: Equazioni Costitutive Condizioni di Saldatura Condizioni al Contorno r Ci,j 6 Maggio 2004

Modello (2) della Matrice di Capacità Si considerano linee conduttive RESISTIVE. CX inietta la carica; Si considerano componenti Capacitive parassite verso MASSA: quelle di RIGA in CR; quelle di Colonna in CC. E di INCROCIO tra le linee… che sono anche resistive. Si considera il sistema costituito dalla ripetizione della Cella base (non più tanto elementare!), con condizioni al contorno date dalle - Condizioni di Saldatura - Condizioni al Contorno 6 Maggio 2004

Risultati delle simulazioni sul Modello (1) Studio in Frequenza: Il sistema (matrice+ChargeAmplifier) si comporta come un filtro passa banda a guadagno variabile, dipendente da CX. Studio della attenuazione per effetto resistivo: Resistenze e capacità dipendenti dal materiale delle linee: Con linee metalliche sottili si ottengono attenuazioni abbastanza basse (frazioni di percento) Con linee RESISTIVE è possibile tener conto della attenuazione (fissa) nell’algoritmo di linearizzazione della lettura. 6 Maggio 2004

Applicazioni Biomedicali Pressione plantare: Statica e dinamica Valuazioni posturali Analisi del cammino Busti: Scogliosi Valuazioni posturali Analisi dell’efficacia dei dispositivi correttivi Letti: Prevenzione dei problemi da decubito 6 Maggio 2004

Software di acquisizione Routine Acquisizione del Sensore Direct Stream SAVE ZERO PATTERN GAMMA Correction + - Smoothing ZERO PATTERN 6 Maggio 2004

Posturometria: analisi stabilometrica x Y CALCOLO COP CALCOLO CUR 6 Maggio 2004

Studio attuale sui sensori Capacitivi Biomedicali Realizzazione di sistemi elastici Affidabilità e collaudo connessioni e linee Studio delle caratteristiche elettrico-meccaniche degli elastomeri Studio di altri materiali con caratteristiche fisiche-elettriche variabili con altri parametri (temperatura, umidità, radiazioni?) Elettronica Ottimizzazione circuitale del sistema Elettronica analogica, tecniche di demodulazione, determinazione delle due componenti (R e C) di ciascuna cella Modello del rumore del sistema, Studio del rapporto S/N Software Tuning ad alcune applicazioni interessanti del sistema. 6 Maggio 2004

Sensori Capacitivi su Vaste Aree Applicazioni di studio dell’Aerodinamica Aeronautica Strutture Sicurezza del Volo Studio dell’efficacia dei profili alari Velistica Ottimizzazione dei profili della Vela Studio dell’assetto imbarcazione Strutture Architettoniche… 6 Maggio 2004

Matrice di Sensori Capacitivi su VASTA AREA Su vasta Area l’utilizzo del sistema visto finora rende MOLTO CRITICI questi problemi: Lunghezza linee di connessione (specie per segnali molto deboli) - Elevate capacità di carico. - Esposizione dei segnali analogici a rumori e scariche elettrostatiche Ciò accade perché si cerca di portare molto lontano dal charge amplifier i deboli segnali analogici che escono dalle celle capacitive. Una soluzione alternativa è quella di “distribuire” l’elettronica analogica, e “far girare” solo alimentazioni e segnali digitali. MUX Matrice Sensori Receiver Driver CF CX CC CR 6 Maggio 2004

Sistema Distribuito per lettura di una Matrice di Capacità Il sistema è costituito da moduli: Driver: Contengono l’elettronica analogica che permette di iniettare un segnale sinusoidale nella Riga, oppure possono fissarla a Massa. Receiver: Contengono il charge amplifier e l’elettronica analogica che permette di leggere il segnale iniettato sulla colonna, oppure possono fissarla a Massa. Tutti hanno un controllore digitale che comunica su un Bus comune. Tutti ricevono alimentazione da opportune linee di Power del Bus. Controllore PWR + Bus PRW + Bus Moduli Driver Moduli Receiver Matrice di Sensori Capacitivi 6 Maggio 2004

Problematiche di sistema Robustezza ambienti ostili Affidabilità fault tolerance Non invasivo accuratezza della misura e performances Ampia area rumore 6 Maggio 2004

Protocollo di comunicazione Driver I2C Protocol: master  driver Driver: iniezione del segnale Receiver: acquisizione dei dati I2C Protocol: receiver  master Driver Driver Driver Rx Rx Rx Rx I2C BUS Master 6 Maggio 2004

Caratteristiche della topologia Semplice architettura dei trasduttori Array di elementi passivi Non intrusivo Basso numero di connessioni Carico computazionale distribuito Possibilità di elaborazione parallela Protocollo di comunicazione Sincronia e semplice interconnessione 6 Maggio 2004

Prototipo Dimostrativo del Sistema - Moduli Driver e Receiver realizzati in tecnologia standard PCB (2 Layer), con microcontroller MicroChip PIC 18 ed elettronica analogica commerciale; - Master di sistema realizzato su scheda millefori con gli stessi microcontroller; - Comunicazione RS232 con il PC; - Applicativo LabView. 6 Maggio 2004

Realizzazione Circuiti Driver e Receiver Microcontrollore Risc PIC18F254, Clock 10MHz x4 (PLL interno) 16K Flash (codice), 1,5K Ram (Dati) Divisione “geografica” delle sezioni analogica e digitale. Alimentazioni Separate: - Duale 5Volt per Analogica, - +5 Volt per Digitale, - Due Masse distinte (unite solo in un punto) Connettore 5 Poli per programmazione OnBoard Bus I2C per i comandi dei moduli Bus SPI separato per i dati in uscita dai moduli Receiver (per ottenere maggiore banda) DIGITALE ANALOGICA 6 Maggio 2004

Realizzazione Circuito “Master” Realizzazione su millefori con tecnica wire wrap Microcontrollore Risc PIC18F254, Clock 10MHz x4 (PLL interno) 16K Flash (codice), 1,5K Ram (Dati) 4 Alimentatori separati: - Duale 5Volt per Analogica, - +5 Volt per Digitale moduli, - +5 Volt per Digitale locale, - Masse distinte (unite solo in un punto) Connettore 5 Poli per programmazione OnBoard Bus I2C per i comandi dei moduli Bus SPI separato per i dati in uscita dai moduli Receiver Tranceiver e connessione seriale RS232 verso il PC esterno. 6 Maggio 2004

Implementazione “su schede” del Sistema Distribuito Tutti moduli a Microcontrollore Disturbi  Alimentazioni separate e Masse distinte (unite solo in un punto) Flessibilità  Programmazione OnBoard Banda x Comandi e Dati Bus Separati (I2C per i comandi, SPI per i dati dei Receiver) Controller che gestisce Alimentazioni e Connessione RS232 verso il PC esterno. Bus COMANDI Controllore Bus DATI Moduli Driver Moduli Receiver Matrice di Sensori Capacitivi 6 Maggio 2004

Sistema Distribuito: Comando di Attivazione Driver I2C Attivazione driver RS232 Dal PC al master Dal master al PC Main master 6 Maggio 2004

Sistema Distribuito: Comando di Lettura Receiver I2C SPI RS232 Dal PC al master Dal master al PC Main master 6 Maggio 2004

Realizzazione dei Sensori per applicazioni Aerodinamiche Idea: array di sensori di pressione sottili e poco costosi, per applicazioni aerodinamiche Funzioni e realizzazione: Array di Celle di misura : Base rigida e superficie Sensibile Elastica, per realizzare un condensatore variabile con la pressione Realizzazione PCB Quasi-standard : Top layer di Kapton® sottile (nero): Armatura attiva del condensatore Variabile PCB intermadia (verde) : realizza le ‘pareti’ delle celle PCB in basso (verde chiara): Armatura sensibile dei condensatori, Supporto e connessioni Progetto e Realizzazione by LYRAS lab. (Forlì, M. Tartagni & al. ) 6 Maggio 2004

Aerodynamic Sensor Array Test Air Flow Test dell’array di sensori di pressione: l’ Array è stato montato nella strozzatura di un Tubo di Venturi Un flusso d’aria è stato forzato nel tubo La pressione teorica e quella misurata dall’array sono state confrontate per caratterizzare il sensore. With LYRAS lab. (Forlì) 6 Maggio 2004

E-sail DEMO Panel: Venturi Test Il tubo venturi con il sensore di pressione così realizzato è stato collegato al sistema di misura distribuito: La quarta RIGA del sistema è connessa alle armature attive dell’array, quattro delle sei armature sensibili sono collegate alle colonne. All’avviamento il PC attiva il Master: questi attiva a turno i 4 driver e scandisce in lettura i 4 receiver, per leggere la matrice di capacità, e la trasmette al PC attraverso la RS232. Il PC visualizza la pressione del tubo, misurando il flusso d’aria che in questo viene forzato. 6 Maggio 2004

Evoluzione del sistema Distribuito: Chip E-SAIL Scopo finale: Riduzione delle dimensioni (Moduli costituiti da un SINGOLO Chip) Un chip per fare Driver e Receiver, configurato mediante il bonding (Riduzione dei costi) Evoluzioni tecnologiche: Singola Alimentazione +3,3Volt (Riduzione dei Consumi) Singolo Bus di Comunicazione I2C (Fast Mode proprietario: 1MBit/s) per: - Comandi - Dati - Bootstrap del Codice all’avviamento. PWR & I2C BUS Master Esail (Rx) Esail (Dr) PWR & I2C BUS 6 Maggio 2004

Chip E-SAIL by STM Processo HCMOS 0.18 μm Tecnologia Digitale Standard usata in Mixed Signal Tre blocchi indipendenti: - Analogico (Driver&Receiver) - Digitale (comune) - Comunicazione I2C 5 pad: Alimentazione (+3,3Volt e GND) I2C Bus (SDA e SCL) Pin di Analogica: Ingresso Sensing (Colonna) o Uscita Driver (Riga) 8 bit per l’autoriconoscimento Bonding: Test su PGA144 pin Moduli finali su COB 6 Maggio 2004

Chip E-Sail: Struttura interna Sensing line Generatore forme d’onda SDA SCL Blocco Analogico Blocco Digitale Interfaccia I2C I2CGND XiRisc Bus AMBA Test Bus I2C Bus Interface DMEM IMEM I2C Bus Controller Input pad 10 bit ADC Input pad 10 bit ADC FSM ADC DAC MEM ADC MEM AHB APB AHB-APB BRIDGE AHB-APB BRIDGE Output pad 8 bit DAC Output Buffer Output Buffer Output pad FSM DAC 8 bit DAC Arbitro TBus TBus XiRisc XiRisc 6 Maggio 2004

Flusso di compilazione XiRisc  Bootstrap E-Sail Complilatore Assemblatore filtri Bootstrap & Main Function Software (LabView) file.inst file.c PC file.data E’ stato messo a punto il flusso di compilazione per XiRisc su E-Sail, che permette di ottenere i file Istruzioni e Dati. All’avviamento del sistema, attraverso il software di funzionamento (LabView), viene trasmesso il programma via RS232 al Master del sistema, che lo manda a tutti i chip attraverso l’I2C bus. Terminato il Bootstrap, il sistema comincia a funzionare e restituisce i dati letti attraverso la seriale RS232 Master Esail (Rx) Esail (Dr) PWR & I2C BUS Sistema E-Sail RS232 PWR & I2C BUS 6 Maggio 2004

Collaudo del Chip E-Sail: Catena di uscita FSM DAC Output Buffer Output pad 8 bit DAC DAC MEM Programmando un chip E-Sail è possibile sintetizzare una Sinusoide: 8 Bit, 16 Campioni a 250 KHz, 3 Vpp, amplificata da un opportuno Buffer di uscita. 6 Maggio 2004

Collaudo del Chip E-Sail: Catena di ingresso E’ possibile attivare la lettura del Charge Amplifier: uno stimolo sinusoidale viene rilevato, amplificato e filtrato (come dimostrano le forme d’onda rilevate): Il segnale viene campionato infine da un ADConverter da 10 Bit, 4MSample/S L’ADC non funziona:  E’ attualmente in corso la verifica finale delle correzioni sul ADC, che daranno luogo a un ulteriore TapeOut il prossimo Giugno 2004. Input pad 10 bit ADC 6 Maggio 2004

Studio attuale sui Sistemi Distribuiti per Applicazioni di Vasta Area Sensori: Ottimizzazione sensori applicazioni aerodinamiche Studio integrazione sensori nelle Vele Elettronica Studio ed ottimizzazione delle prestazioni Immunità al rumore Precisione Velocità Sviluppo Firmware per Moduli E-Sail e Master Ottimizzazione comunicazioni Collaudo delle funzionalità del Chip E-Sail 1.2 Catena d’ingresso Catena d’uscita Interfaccia I2C Software applicativi e di collaudo Applicazioni aerodinamiche e velistiche 6 Maggio 2004

Possibilità di tesi Ambito biomedicale Ambito aerodinamico Contatti Studio di strategie di sensing alternative Realizzazione di schede prototipo Programmazione di microcontrollori Studio del comportamento con linee resistive Software applicativi ad alto livello (LabVIEW) Ambito aerodinamico Testing e programmazione del chip Progetto, realizzazione e programmazione di schede (Master) Analisi delle prestazioni Realizzazione di una demo del sistema Contatti mnicolini@deis.unibo.it dgennaretti@deis.unibo.it 6 Maggio 2004