WYBRANE ASPEKTY BUDOWY MODUŁÓW POMIAROWYCH Z KOMUNIKACJĄ BEZPRZEWODOWĄ

Transkrypt

1 Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM 04 Paweł STUDZIŃSKI, Ireneusz JAKUBOWSKI Przemysłowy Instytut Elektroniki -Warszawa Dariusz RESKA Ośrodek Badawczo-Rozwojowy METROL - Zielona Góra WYBRANE ASPEKTY BUDOWY MODUŁÓW POMIAROWYCH Z KOMUNIKACJĄ BEZPRZEWODOWĄ W systemach bezprzewodowych moduły pomiarowe są zasilane z baterii. Pojemność baterii jest stosunkowo mała. Przedstawiono strukturę modułu pomiarowego. Opisano energooszczędne układy scalone przeznaczone do modułów pomiarowych. Przedyskutowano straty energii baterii. SELECTED ASPECTS DESIGN OF MEASUREMENT MODULES WITH WIRELESS COMMUNICATION In wireless systems measurement module are supplied from battery. Ampere-hour capacity of battery is relatively low. The structure of measurement module is given. Integrated circuits of low power dissipation for measurement modules are described and losses of energy of battery are discussed. 1. WPROWADZENIE Współczesne systemy rozproszone zbudowane są z modułów pomiarowych i modułu centralnego, którym w większości przypadków jest sterownik komputerowy. Do wejść modułów pomiarowych są dołączane różne czujniki pomiarowe, które umożliwiają pomiary wielkości nieelektrycznych. Produkowane obecnie systemy rozproszone zazwyczaj wykorzystują do przesyłania wyników pomiarów pętlę prądową ma. Nowsze rozwiązania systemów rozproszonych wykorzystują transmisję sygnałów cyfrowych uzyskiwanych z przetworników analogowo-cyfrowych umieszczonych bezpośrednio u źródła tj. w pobliżu termopar lub innych czujników. Uzyskiwane dokładności pomiaru takich systemów są wyższe od dokładności systemów z analogową transmisją danych. Do wad tych systemów należy zaliczyć konieczność połączenia modułów pomiarowych i jednostki centralnej za pomocą czterech przewodów. Wybrani producenci aparatury np. firma Advantech wyposaża swoje systemy rozproszone w moduły z modemem radiowym, dzięki którym możliwa jest bezprzewodowa transmisja danych. Wejście modułu z modemem radiowym jest dostosowane do interfejsu RS 232 lub RS 485. Należy podkreślić, że moduły radiowe w wykonaniu firmy Advantech, wymagają dołączenia zewnętrznego zasilania z uwagi na pobieraną moc, większą od 1W. W przypadku budowy rozproszonego bezprzewodowego systemu pomiarowego, w którym moduły pomiarowe będą zasilane z wbudowanych baterii należy uwzględnić szereg

2 326 Paweł STUDZIŃSKI, Ireneusz JAKUBOWSKI, Dariusz RESKA aspektów. Współczesne energooszczędne układy takie jak: przetworniki analogowo-cyfrowe, mikroprocesory lub modemy radiowe nie umożliwiają dostatecznie długiego czasu życia baterii [5-8]. Specyfika pracy systemów rozproszonych pozwala na impulsowe zasilanie modułów pomiarowych, co umożliwia istotnie zwiększyć czas życia baterii. Przy impulsowym zasilaniu modemu radiowego komunikacja tego modemu z modemem modułu centralnego może być realizowana w określonych przedziałach czasu, których szerokość jest zależna od różnicy czasów zegarów modułów pomiarowych i modułu centralnego. Pobory mocy modemów radiowych są na tyle duże, że może to prowadzić do znacznych strat energii podczas transmisji danych pomiarowych. 2. STRUKTURA MODUŁU POMIAROWEGO Rozważany system rozproszony powinien umożliwić wykonanie pomiarów: temperatury (termopary), temperatury (termorezystory) i wilgotności. Ponadto system powinien umożliwić pomiary innych wielkości fizycznych takich jak np. ciśnienie po zastosowaniu odpowiedniego czujnika pomiarowego z wyjściem analogowym. W bezprzewodowych systemach rozproszonych komunikacja pomiędzy modułami pomiarowymi, a modułem centralnym jest realizowana za pomocą łącz radiowych. Na rys. 1. przedstawiono strukturę modułu pomiarowego przeznaczonego do bezprzewodowych systemów. Czujnik A/C Sterownik Modem radiowy UN Rys. 1. Struktura modułu pomiarowego Fig. 1. Structure of measurement module Sygnał analogowy z wyjścia czujnika jest podawany na wejście przetwornika A/C typu sigma-delta. Parametry obwodów wejściowych takich przetworników umożliwiają dołączenie w sposób bezpośredni, czujników różnych typów do wejścia przetwornika sigma-delta [3]. W układzie wyróżniono także źródło napięcia odniesienia U N ponieważ zdecydowana większość aktualnie dostępnych układów przetworników nie ma wbudowanych takich źródeł. Sterownik modułu pomiarowego steruje pracą przetwornika A/C oraz komunikacją modułu pomiarowego z modułem centralnym systemu. Modem radiowy modułu pomiarowego

3 Wybrane aspekty budowy modułów pomiarowych z komunikacją bezprzewodową 327 współpracuje z modemem radiowym modułu centralnego. Moduły pomiarowe są zasilane z baterii lub z akumulatorów. Zasilanie modułów pomiarowych z wbudowanych baterii, które charakteryzują się stosunkowo niewielką pojemnością wymaga bardzo starannego wyboru układów do tego systemu. Przy zasilaniu danego układu z baterii podstawowe wymagania dotyczą napięcia i prądu zasilania. Należy także zwrócić uwagę na to, czy układ ten jest wyposażony w funkcję pracy spoczynkowej (Power-Down Mode). Te własności umożliwiają budowę modułów z zasilaniem impulsowym, który charakteryzuje się krótkim okresem aktywnej pracy oraz długim okresem pracy spoczynkowej. Dzięki temu można w istotny sposób zmniejszyć średni pobór mocy z zasilacza. Przy zmianie stanu pracy układów należy się liczyć z wystąpieniem efektu bezwładności zadziałania układów. Zastosowanie układu charakteryzującego się dużym czasem ustalania się wskazań może spowodować istotne wydłużenie okresu czasu jego aktywnej pracy co prowadzi do zwiększenia prądu zasilania. 3. WŁASNOŚCI CZŁONÓW FUNKCJONALNYCH 3.1. Czujniki pomiarowe Parametry niskoprądowych czujników wilgotności przedstawiono w tabeli 1 [9,10]. Czujniki te wymagają zasilania prądem o wartości kilka ma. Istotną wadą tych czujników, z uwagi na zasilanie bateryjne, jest ich duża bezwładność. Stałe czasowe narastania sygnału wyjściowego są od 4s aż do 60s. Parametr / Typ układu Zakres pomiaru wilgotności Dokładność pomiaru wilgotności Zakres pomiaru temperatury Czujniki wilgotności przeznaczone do zasilania z baterii SHT11 Sensirion SHT15 Sensirion SMTHS10 Smartec Humitter 50Y Vaisala % % % % 1) ±3,5% (25 C) ±2% ( C) ±2% 2) C ±3% ( %) C C C Dokładność pomiaru temperatury ±0,5 C ±0,5 C - ±0,8 C Czas reakcji czujnika wilgotności ok. 4s ok. 4s 60s - Sygnał wyjściowy cyfrowy cyfrowy analogowy analogowy Zasilanie 2,5...5V/0,5mA 5V 5V V/2mA Uwagi: 1) Dokładność pomiaru wilgotności zdefiniowana dla %. 2) Liniowość pomiaru dla zakresu %. Tabela 1

4 328 Paweł STUDZIŃSKI, Ireneusz JAKUBOWSKI, Dariusz RESKA W przypadku zastosowania czujników termoparowych straty energii są pomijalnie małe i dotyczą źródła prądowego, które jest przeznaczone do generowania sygnału w przypadku rozwarcia obwodu pomiarowego. W przypadku zastosowania czujników termorezystancyjnych straty energii są większe. Termorezystor wymaga zasilania go stałym prądem o wartości 0,2... 0,4 ma Źródła odniesienia W tabeli 2 przedstawiono parametry źródeł odniesienia, które mogą być zasilane z baterii [5]. Na szczególną uwagę zasługują dwa układy: AD780 i REF 192. Pierwszy z nich jest to wysokiej klasy źródło, które z uwagi na wartość generowanych szumów własnych, może być stosowane do współpracy z przetwornikami analogowo-cyfrowymi o dużej rozdzielczości. Źródło REF 192 z uwagi na większą wartość szumów, jest przeznaczone do współpracy z przetwornikami o mniejszej rozdzielczości (12-16 bitów). Źródło to charakteryzuje się najniższymi wartościami napięcia i prądu zasilania. Źródła odniesienia przeznaczone do zasilania z baterii Tabela 2 Parametr / Typ układu AD780 AD680 REF 192 REF 43 Napięcie zasilania V 4, V 2, V 4, V Napięcie odniesienia 2,5V 2,5V 2,5V 2,5V Pobór prądu -stan aktywny 1mA 250µA 45µA 450µA Pobór prądu -stan spoczynku µA - Czas ustalania napięcia odniesienia 10µ s- 0,1% Współczynnik temperaturowy 7ppm/C 10ppm/C 10ppm/C 10ppm/C Szumy (pasmo 0, Hz) 4µVp-p 10µVp-p 50µVp-p 7µV* *Wartość skuteczna w paśmie 10Hz... 1kHz Przetwornik analogowo-cyfrowy W tabeli 3 przedstawiono parametry przetworników sigma-delta, które charakteryzują się niskim napięciem zasilania, lub które posiadają rozbudowane obwody wejściowe (bufor, źródło odniesienia, źródło prądowe) [5]. Z uwagi na założoną rozdzielczość pomiaru temperatury - 0,1 C, wybrano przetworniki o rozdzielczości przynajmniej 16 bitów [1,2]. Zastosowanie przetwornika analogowocyfrowego z dwoma wejściami jest szczególnie przydatne przy pomiarach temperatury lub wilgotności [4].

5 Wybrane aspekty budowy modułów pomiarowych z komunikacją bezprzewodową 329 Przetworniki sigma delta przeznaczone do zasilania bateryjnego Tabela 3 Parametr / Typ układu AD7782 AD7783 AD7730 AD7707 AD7710 Rozdzielczość pomiaru 18,5 bit 18,5 bit 1) 16 bit 22 bit Liczba wejść ) 2 Dodatkowy wzmacniacz-bufor Prąd wejściowy 1nA 1nA 50nA 1nA 10pA Źródło odniesienia Źródło prądowe na wejściu - 200nA 50nA - - Napięcie zasilania 3V 3V 5V 3V +5V, -5V Pobór prądu -stan aktywny 1,3mA 1,3mA 10mA 0,5mA 11mA Pobór prądu -stan spoczynku 9µA 9µA 25µA 8µA 1,5mA Czas ustalania się wskazań 300ms 300ms Uwagi: 1) Rozdzielczość w funkcji zakresu pomiarowego: 18bit - 80mV; 17,5bit - 40mV; 17bit - 20mV. 2) Dwa wejścia niskonapięciowe, jedno wejście wysokonapięciowe Układy mikroprocesorowe Na podstawie uzyskanych doświadczeń przy opracowywaniu przyrządów do pomiaru wielkości nieelektrycznych wynika, że do realizacji nawet tak złożonych procesów pomiarowych jak pomiary temperatury z rozdzielczością rzędu 0,01 C wystarczającymi są procesory 8-bitowe [1,2]. Procesory takie są również obecnie stosowane do modułów pomiarowych. W tabeli 4 przedstawiono wybrane typy mikroprocesorów 8-bitowych przeznaczone do zasilania z baterii. Mikroprocesory przeznaczone do zasilania bateryjnego Tabela 4 Parametr / Typ układu P87LPC769 P89C93X AT90LS8535 ATMEGA AU89LS52 161L Częstotliwość zegara 10MHz 10 MHz 8MHz 8 MHz 12 MHz Pamięć Flash / EEPROM 4k 8k 8k 16k 8k Pamięć RAM Napięcie zasilania 3V 3V 3V 3V 3V Pobór prądu - stan aktywny 4mA 11mA 6,4mA 3mA 25mA Pobór prądu - stan spoczynku 5µA 5µA 1µA 1µA 40µA

6 330 Paweł STUDZIŃSKI, Ireneusz JAKUBOWSKI, Dariusz RESKA 3.5. Modem radiowy Współczesne modemy radiowe dostosowane do zasilania z baterii są wytwarzane przez takie firmy jak: NORDIC, Chipcon lub Radiometrix [6-8]. W ramach jednej struktury znajduje się zarówno odbiornik jak i nadajnik. Modemy radiowe są wykonywane na pasma częstotliwości: 433MHz, 868MHz, 915MHz lub 2,4GHz. Pobory prądu modułu radiowego są zależne od stanu pracy modułu. Przy nadawaniu pobory prądu nie przekraczają 30mA, a przy odbiorze około 10mA. Modemy radiowe są również wyposażone w funkcję pracy spoczynkowej, która pozwala ograniczyć pobory prądu do około 10µA. 4. STRATY ENERGII W MODULE POMIAROWYM Pojedynczy cykl pracy układów modułu pomiarowego składa się z fazy aktywnej i fazy spoczynkowej. Ze względów na ograniczoną pojemność baterii zasilającej, faza aktywna jest stosunkowo krótka w porównaniu do fazy spoczynkowej. O wyborze fazy decyduje zegar modułu, który jest zasilany w sposób ciągły. W fazie aktywnej następuje pomiar wielkości mierzonej, rejestracja wyników w pamięci nieulotnej, a następnie przesłanie wyników do jednostki centralnej. Przy impulsowym zasilaniu modemu radiowego komunikacja tego modemu z modemem modułu centralnego może być realizowana w określonych przedziałach czasu, których szerokość jest zależna od różnicy czasu zegarów modułu pomiarowego i modułu centralnego. Przy zastosowaniu typowych zegarów, które mogą się znajdować w skrajnych temperaturach różnice czasów mogą być znaczne. Pobory mocy modemów radiowych są na tyle duże, że może to prowadzić do znacznych strat energii podczas transmisji danych pomiarowych. Wartość ładunku pobieranego z baterii w ramach jednego cyklu pracy modułu pomiarowego można opisać zależnością: Q = (I 1a t 1a + I 1s t 1s ) + (I 2a t 2a + I 2s t 2s ) (I 6a t 6s + I 6s t 6s ). (1) Poszczególne wyrażenia w nawiasach opisują pobory ładunku członów modułu pomiarowego odpowiednio: czujnika, źródła odniesienia, przetwornika analogowo-cyfrowego, sterownika, modemu radiowego (nadajnik), modemu radiowego (odbiornik). Wyrażenia z indeksem "a" dotyczą fazy aktywnej, a wyrażenia z indeksem "s" fazy spoczynkowej danego członu. Prądy członów w stanie aktywnym: I 1a,I 2a,... I 6a oraz prądy członów w stanie spoczynku: I 1s, I 2s,... I 6s są parametrami. Prądy te zostały opisane powyżej. Zmiennymi są odcinki czasu: t 1a, t 2a,... t 6a i t 1s, t 2s,... t 6s. Ponieważ: t na + t ns = t 0, dla n=1, 2,... 6, (2) gdzie: t 0 - czas trwania pojedynczego cyklu pracy modułu pomiarowego.

7 Wybrane aspekty budowy modułów pomiarowych z komunikacją bezprzewodową 331 Można zależność (1) przekształcić do postaci (3): Q = [(I 1a - I 1s )t 1a + (I 2a - I 2s )t 2a (I 6a - I 6s )t 6s ] + (I 1s + I 2s I 6s )t 0. (3) W praktyce: I na >> I ns, dla n=1,2, (4) Wówczas: Q (I 1a t 1a + I 2a t 2a I 6a t 6a ) + (I 1s + I 2s I 6s )t 0. (5) Analiza tej zależności jest dość złożona ponieważ jest to funkcja sześciu zmiennych, z których część jest zmiennymi zależnymi. Wartości dwunastu stałych zależą od parametrów zastosowanych mikroukładów. Zakresy dopuszczalnych zmian zmiennych zależą od organizacji pracy modułu pomiarowego. W szczególności czas pracy modemu radiowego (odbiornik) t 6a jest zależny od różnicy czasów zegarów modułu pomiarowego i modułu centralnego. Czas ten zależy także od sposobu komunikacji modułów pomiarowych z modułem centralnym. Dlatego ograniczono się do oszacowania strat ładunku baterii. Założono: moduły pomiarowe systemu pracują z minimalnym okresem powtarzania pomiarów równym 30 minut, w fazie pracy modułu pomiarowego wszystkie układy znajdują się w stanie aktywnym, wykorzystano czujnik wilgoci, który charakteryzuje się dużym czasem ustalania się wskazań (4s), czas pomiaru przetwornika analogowo-cyfrowego jest równy 1s, modem radiowy -odbiornik może przez czas 10s nawiązywać łączność ze sterownikiem systemu, modem radiowy -nadajnik jest aktywny przez czas 0,5s, wartości prądów I 1a,I 2a,... I 6a zaczerpnięto z tabel 1-4, wartości prądów I 1s, I 2s,... I 6s są równe 10µA. W tabeli 5 przedstawiono wartości ładunków pobranych z baterii w fazie pracy modułu pomiarowego. Straty ładunku baterii w fazie spoczynkowej (30min) są równe 90mAs. Zatem łączne straty ładunku baterii w ciągu jednego cyklu pracy modułu pomiarowego można określić Q= 227,8-364,2mAs. Zakładając, że pojemność baterii jest na poziomie 2000mAh można oszacować jej czas życia na poziomie 11 miesięcy. Na podstawie tabeli 5 wynika, że straty energii modułu pomiarowego są zależne głównie od strat sterownika i modemu radiowego (odbiór).wpływ modemu radiowego (nadajnik) na straty energii jest na tyle mały, że możliwe jest znaczne zwiększenie mocy nadawania. Dalsze wydłużenie życia baterii można uzyskać przez skrócenie czasu pracy modemu radiowego (odbiór). Ograniczenie czasu pracy modemu radiowego można uzyskać poprzez: uaktywnianie modemu radiowego tylko na czas komunikacji, wprowadzenie korekcji czasu zegara modułu pomiarowego.

8 332 Paweł STUDZIŃSKI, Ireneusz JAKUBOWSKI, Dariusz RESKA Pobory ładunków przez człony modułu pomiarowego w fazie pracy Tabela 5 Typ układu Prąd obciążenia Wartość prądu obciążenia Czas pracy Pobrany ładunek Czujnik I 1a 0,5 ma 15,5s 7,8 mas Źródło odniesienia napięcie I 2a 45 µa 15,5s 0,7 mas Przetwornik A/C I 3a 0,5-1,3 ma 15,5s 7,8-20,2 mas Sterownik I 4a 3-11 ma 15,5s 46,5-170,5 mas Modem radiowy-nadajnik I 5a 30 ma 0,5s 15 mas Modem radiowy-odbiornik I 6a 10mA 15s 150mAs Wszystkie układy 227,8-364,2mAs LITERATURA 1. Jackiewicz B.: Metoda linearyzacji charakterystyk termopar w multimetrze cyfrowym. Krajowy Kongres Metrologii, KKM' 2001, Warszawa, 2001, str Studziński P.: Dokładność pomiaru temperatury za pomocą multimetru cyfrowego. IV Konferencja Naukowa: Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych i w Przemyśle, SP'02, Zielona Góra, PAK 7/ str Studziński P.: Współpraca przetworników analogowo-cyfrowych sigma-delta z obwodami wejściowymi torów pomiarowych. XII Krajowa Konferencja Naukowo- Techniczna: Zastosowanie mikroprocesorów w automatyce i pomiarach, Warszawa, Studziński P., Reska D.: Multimetr cyfrowy do dokładnych pomiarów temperatury. Elektronizacja nr 10/ Analog Devices Chipcom- 7. NORDIC Radiometrix Sensirion VAISALA - ABSTRACT Wireless systems are used for data acquisition. These systems serve for measurement of electrical and nonelectrical quantities such temperature and humidity. Rate of data acquisition of these systems should be very low. In wireless systems measurement modules are supplied from battery. Ampere-hour capacity of battery is relatively low. The measurement modules are a digital signal conditioners which communicate over a radio link. Integrated circuits of measurement module have to ensure: very low power dissipation, power-down mode that reduces the standby power consumption. The structure of measurement module is also given. Integrated circuits for measurement modules are described in the paper. Losses of energy of battery are discussed too.