Sensory w systemach wbudowanych

Transkrypt

1 Sensory w systemach wbudowanych Wiadomości wstępne dr inż. Wojciech Maziarz Wydział IET, Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Kontakt: Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1

2 Czujniki: Literatura, źródła S.M. Sze, Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons, Inc., 1994 J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 2001 W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mbh, 1989 Nadim Maluf, Kirt Williams, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Second Edition, Artech House 2004 Jacob Fraden, AIP Handbook of modern sensors: physics, design and applicattions, AIP New York, T. Pisarkiewicz, Mikrosensory gazów, Wydawnictwa AGH, Kraków 2007 Wybrane sensory gazów. Przewodnik multimedialny: Materiały na stronie www: 2

3 Systemy wbudowane: Literatura, źródła Ed. By Richard Zurawski, Networked Embedded Systems, CRC Press, 2nd edition, New York, London, Boca Raton, 2009 Ed. By Richard Zurawski, Embedded Systems Design and Verification, CRC Press, 2nd edition, New York, London, Boca Raton, 2009 Wireless sensor networks: Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer, Fundamentals of wireless sensor networks : theory and practice, Wiley 2010 Czasopismo w internecie: 3

4 Organizacja zajęć Wykład - 30 h Laboratorium w formie projektu - 15 h Prowadzący zajęcia: dr inż. Cezary Worek (worek@agh.edu.pl) dr inż. Piotr Wiśniowski (pwis@agh.edu.pl) dr inż. Wojciech Maziarz (maziarz@agh.edu.pl) 4

5 Wykłady - terminy Wykład Temat Kto 1 Zajęcia organizacyjne, plan wykładu, podział na grupy. 2h WM 2 Wprowadzenie w tematykę systemów wbudowanych: definicje, parametry, przykładowe zastosowania, układy pracy, elementy systemu wbudowanego, wymagania stawiane czujnikom w systemach wbudowanych. Miejsce czujnika w systemie pomiarowym. Przypomnienie wiadomości o współczesnych czujnikach: definicje, podział, technologie. Charakterystyki statyczne i dynamiczne czujników. Pojęcia: czułość, zakres pomiarowy, rozdzielczość, próg detekcji, powtarzalność charakterystyki, kalibracja, histereza, stabilność krotko- i długoterminowa, szybkość odpowiedzi, czas życia, dopuszczalne warunki środowiskowe oraz dopuszczalne wartości graniczne. 3,4 Omówienie nowoczesnych czujników półprzewodnikowych stosowanych do wykrywania wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, w szczególności wytwarzanych w technologiach mikromechanicznych. Rynek i kierunki rozwoju sensorów i mikrosystemów. Niskomocowe sensory półprzewodnikowe: akcelerometry, żyroskopy, czujniki ciśnienia, aktuatory, sensory temperatury (np. termoparowe, złączowe), sensory z powierzchniową falą akustyczną (SAW), sensory promieniowania elektromagnetycznego (np. fotoprzewodnościowe, fotowoltaiczne, piroelektryczne, mikroanteny), sensory chemiczne (w tym CHEMFET i biosensory), sensory w technologii CMOS, czujniki światłowodowe i optyczne. 2h WM 4h WM 5

6 Wykłady - terminy Wykład Temat Kto 5 Elementy metrologii - teoria pomiaru, jednostki podstawowe, miernictwo elektroniczne, dynamika układów pomiarowych, liniowe i nieliniowe zniekształcenia w układach pomiarowych, szumy, elementy analizy widmowej, idealny i rzeczywisty wzmacniacz pomiarowy, omówienie przykładowych torów pomiarowych, SPICE użyteczne narzędzie do analizy torów analogowych. 6 Wzmacniacze operacyjnego elektronicznych w układach pomiarowych wzmacniacz operacyjny idealny, wzmacniacz operacyjne rzeczywisty, typy i klasyfikacja wzmacniaczy operacyjnych, podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych, podstawowe konfiguracje stopni wejściowych i wyjściowych wzmacniaczy operacyjnych. 7 Analogowa filtracja sygnałów klasyfikacja filtrów analogowych o stałych skupionych, podstawowe konfiguracje filtrów pasywnych, przykładowe realizacje filtrów pasywnych, filtry aktywne, klasyfikacja filtrów aktywnych, przykładowe realizacje filtrów aktywnych, wykorzystanie programu SPICE do analizy torów analogowych. 8 Praktyczne realizacje torów pomiarowych analogowa transmisja sygnałów, układy kondycjonujące dla czujników: termometrycznych (Pt100, Pt1000, termistory, termopara), światłoczułych, sił, ciśnień i naprężeń, przesunięcia i położenia, tory pomiarowe w eksperymentach o wysokich wymaganiach - potencjostaty, pikoamperomierze, ph-metry, pomiary próżni, mega, giga i mikro-omomierze, pomiary małych i wysokich napięć, pomiary pojemności i indukcyjności, pomiary napięć i prądów zmiennych. 2h CW 2h CW 2h CW 2h CW 6

7 Wykłady - terminy Wykład Temat Kto Wprowadzenie Idea działania, Zastosowania-przykłady Najczęściej stosowane typy czujników w systemach wbudowanych Pole magnetyczne Typy sensorów magnetycznych Sensory Halla Zasada działania, budowa Właściwości metrologiczne/parametry (charakteryzacja, kalibracja) Rodzaje Przykłady zastosowania czujników w SW Sensory AMR Zasada działania, budowa Właściwości metrologiczne/parametry(charakteryzacja, kalibracja) Rodzaje Przykłady zastosowania czujników AMR w SW Dobór czujników do aplikacji Kryteria doboru Karty katalogowe- kluczowe właściwości, parametry 1h PW 1h PW 1h PW 1h PW 7

8 Wykłady - terminy Wykład Temat Kto Czujniki inteligentne: definicje, wymagania, standardy, przykłady. Standard IEEE 1451.X obejmujący moduł czujnika inteligentnego (STIM), układ komunikacji (NCAP), tablicę TEDS, stos serwisowy i komunikacyjny modułów STIM i NCAP, ramkę transmisyjną, dwu- i wieloprzewodowy interfejs czujnikowy w standardzie IEEE Języki opisu sprzętowego czujników, modelowanie zachowania czujników (Sensor Model Language SensorML) i transduserow (Transducer Model Language TransducerML). Pojęcie sieci czujnikowej: podział, konfiguracje pracy, wymagania, zastosowania, przykłady. Systemy sensorowe do ciągłego monitoringu otoczenia. Problemy związane z zasilaniem sensorowych układów wbudowanych. 2h WM 1h WM 2h WM 8

9 Laboratorium Strona www: Login: Hasło: Podane na wykładzie 9

10 Laboratorium - terminy Laborat orium Temat 1 Podział na grupy, rozdanie tematów Data 2 Spotkanie 1 3 Spotkanie 2 4 Spotkanie 3 5 Spotkanie 4 6 Spotkanie 5 7 Odbiór prac Strona www: Potrzebna lista studentów! 10

11 Zastosowania czujników Ilość produkowanych sensorów i ich różnorodność ciągle rosną. rolnictwo budownictwo, inżynieria środowiska procesy przemysłowe zapewnienie jakości w produkcji (miernictwo) motoryzacja, transport lotnictwo i przestrzeń kosmiczna medycyna i ochrona zdrowia ochrona środowiska, meteorologia elektronika osobista telekomunikacja, informatyka urządzenia domowe, przetwarzanie/odzysk energii gospodarka morska przestrzeń kosmiczna, badania naukowe 11

12 Wymagania odnośnie współczesnych sensorów: niska cena odporność na uszkodzenia odporność na zakłócenia (EMC) małe rozmiary niezawodność możliwość produkcji wielkoseryjnej Wymagania te spełniają technologie: mikromechanika + mikroelektronika Wytwarza się tzw. struktury MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 12

13 Współczesna elektronika - MEMS The market for MEMS chips (green) is growing slightly faster than the semiconductor market (blue) and will reach the trillion unit mark circa Source: Janusz Bryzek, Fairchild Semiconductor Warto zajrzeć: Top 12 MEMS Chips Pioneering New Markets 13

14 Rynek MEMS dla motoryzacji (WTC report, 2007) Obroty na rynku akcelerometrów MEMS do poduszek powietrznych w mln dol. i mln sztuk (Frost & Sullivan) 14

15 Firmy wytwarzające układy MEMS ranking 2006 (wg WTC Wicht Technologie Consulting) Źródło: 15

16 Firmy wytwarzające układy MEMS ranking 2006 (wg WTC Wicht Technologie Consulting) Źródło: 16

17 Czujnik - definicja Sensor (czujnik) - urządzenie, które odpowiada na fizyczny lub chemiczny czynnik pobudzający (np. ciepło, światło, dźwięk, ciśnienie, pole magnetyczne) i przekazuje wynikający z tego oddziaływania sygnał. Sygnał ten może być zmierzony lub użyty do sterowania. Sensor odbiera sygnał wejściowy i zamienia go na sygnał wyjściowy, przetwarza jeden rodzaj energii w drugi. Przykłady: czujnik rezystancyjny, optyczny, fizyczny, chemiczny, bioczujnik itd. Czujnik przysp. 17 Czujnik O2 samochodowa sonda lambda

18 Transducer - definicje Transducer (łac. transducere) - urządzenie, które przekazuje energię z jednego układu do drugiego w tej samej lub innej formie. Urządzenie, które przekształca wielkość fizyczną w wielkość elektryczną. Urządzenie, którego zasadą pomiaru jest przekształcenie wielkość fizycznej w elektryczną, a relacje między jego we/wy oraz wy/we są przewidywalne z określoną dokładnością w określonych warunkach środowiskowych. Przykłady: termopara, tr. piezoelektryczny, magnetostrykcyjny, pojemnościowy, indukcyjny, LDR (Light Dependent Resistor), LVDT (Linear Variable Differential Transformer) 18

19 Sensor czy Transducer? Oba określenie używane często synonimicznie, ale Każdy czujnik jest transducerem (przetwornikiem) ale Nie każdy transducer jest czujnikiem. 19

20 Aktuator Urządzenie wykonawcze, element wykonawczy (ang. actuator) w technice, określenie urządzenia mechanicznego, występującego w układach regulacji, które na podstawie sygnału sterującego wypracowuje sygnał wejściowy do obiektu regulacji. W automatyce budynków: aktuator lub wyrobnik (zgodnie ze standardem KNX). Przykładu aktuatorów: w mechanice siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, silniki, dźwignie hydrauliczne, wzmacniacze elektrohydrauliczne, (również ręce, dłonie, nogi, palce człowieka). 20

21 System wbudowany (SW) System wbudowany (ang. embedded system) dedykowany system komputerowy (specjalnego przeznaczenia), który staje się integralną częścią obsługiwanego przez niego sprzętu komputerowego (hardware). - Spełnia określone wymagania, zdefiniowane do zadań, które ma wykonywać. - Zawsze oparty na mikroprocesorze (lub mikrokontrolerze), ew. układzie specjalizowanym. - Zaprogramowany do wykonywania skończonej ilości zadań lub nawet tylko do jednego. Komputer PC NIE JEST systemem wbudowanym (jest uniwersalny). Co nim jest? 21

22 System wbudowany Przykłady SW: komputery pokładowe w samochodach (BSI, BSM, ECU itd.) Źródło: 22

23 System wbudowany 23 Źródło:

24 System wbudowany Przykłady SW: Sprzęt sterujący rakietami, samolotami, pociskami Sterowanie rakiet księżycowych Space Shuttle, Saturn V

25 System wbudowany Przykłady SW: Klimatyzatory i termostaty Sterowniki PLC centrale telefoniczne Bankomaty 25

26 System wbudowany Przykłady SW: zegarki Telefony komórkowe

27 System wbudowany Przykłady SW: Sprzęt + dedykowane aplikacje: gry, Więcej: guide/topics/sensors/sensors_ overview.html MEMS & Sensors for Smartphones Report: 27

28 System wbudowany Przykłady SW: - Systemy alarmowe, elementy inteligentnych budynków - Sprzęt komputerowy i sieciowy (HDD, firewalle, systemy czasu, routery/modemy) - Sprzęt AGD: kuchenki mikrofalowe, zmywarki, pralki (fuzzy logic), lodówki itp.. - sprzęt medyczny (ciśnieniomierze, monitory czynności pacjenta, aparaty Holltera, pulsoksymetry itp.) Gadżety, zabawki, konsole do gier, automaty do gier, roboty 28

29 System wbudowany Przykłady SW: Czujniki gazu Czujniki IR Moduł kompasu 29

30 System wbudowany SW może zawierać oprogramowanie dedykowane wyłącznie temu urządzeniu (firmware) lub może to być system operacyjny wraz ze specjalizowanym oprogramowaniem. Im mniej złożone i specjalizowane oprogramowanie, tym bardziej niezawodny system. Może on też szybciej reagować na zdarzenia. Zwiększenie niezawodności: - rozdzielenie zadań na mniejsze podsystemy, - Redundancja (użycie dwóch identycznych urządzeń do jednego zadania; w razie awarii przejmują swoje zadania). 30

31 System wbudowany internet rzeczy - system wbudowany dla każdego - Minikomputery w chmurze - Możliwość odbierania sygnałów (sensory) i sterowania sygnału (gniazdka sieciowe, światła, aktuatory itp.) - Kody, schematy, itd. dostępne dla zainteresowanych (Open Hardware) - Forum dyskusyjne Więcej o projekcie: xbp5m&feature=player_detailpage 31

32 System wbudowany internet rzeczy Twine firmy Supermechanical - system wbudowany dla każdego Programowanie przez www : WHEN moisture sensor gets wet THEN text "The basement is flooding!" 32

33 System wbudowany internet rzeczy Wovyn Film: Sensor list: Temperature (w/ and w/o probe) Humidity (low and high accuracy) Water Infrared Motion Digital ID Dry Contact Light (on/off) Light (lux) Magnetic Door/Window Magnetic Presence Activity Accelerometer 0-20mA Current v Analog Voltage 120VAC Analog Voltage Detection 500 VAC/VDC Analog Voltage Measurement Wireless Button Flex Liquid Level Pressure 33

34 Do poczytania Kickstarter - Bring creativity to life: Pebble: E-Paper Watch for iphone and Android: Nest learning thermostat : Philips Hue personal wireless lightning : Internet of Things: 34