Post on 01-Jul-2015
description
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Capita Selecta - Sensors & Actuators
DOCENT: JGTP
LES: 3
vr. 17 febr. 2012
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Sensors & Actuators
Smart Sensors
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors
“Smart Sensors”,
wat zijn dat eigenlijk?
1. Definitie
2. Interfacing
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren‹#›/40
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Definitie
Waarom is de Sensor in het 1e filmpje niet
echt een Smart Sensor?
Waarom is die in het 2e filmpje dat wel?
Uit welke functionele blokken bestaat een
Smart Sensor?
Opdracht (werk in drietallen):
Bedenk de definitie van een ‘Smart Sensor’.
Teken een blokschema van een ‘Smart Sensor’.
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Definitie
Wat is een „Smart Sensor‟? Een paar pogingen:
1. “Dat is een sensor, die zich aan de meetomgeving
aanpast om zo goed mogelijk te kunnen meten” [1]
2. “Dat is een component bestaand uit een combinatie van
een sensor element en een signaal processor op één
chip” [2]
3. “Dat is een sensor, die meer functies heeft dan alleen
maar het goed weergeven van de gemeten grootheid” [3]
Waarom zijn deze ‘pogingen’ niet volledig?
Zegt alleen iets over interne gedrag en niets over interfacing.
Minimale eisen aan die ‘signaal processor’ zijn onduidelijk.
Extra functies (interfacing e.d.) worden hier te kort gedaan!
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Definitie
Tom Griffiths, Product Manager,
(Honeywell Industrial Measurement and Control):
“Smart sensors zijn sensoren of (groepen van)
instrumenten, voorzien van microprocessors met
ingebouwde communicatiemiddelen en
on-board diagnostiek, die informatie leveren aan
een monitoring systeem en/of een operator met
als doel verhoging van de operationele efficiency
en minimalisering van de onderhoudskosten”
http://www.ceasiamag.com/article/what-is-a-smart-sensor/1493
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Definitie
Blokschema [4]
Primaire sensorelement(en)
Aansturing (Excitation control)
Versterking (Amplification)
Analoge Signaalverwerking
– Filtering
– Compensatie
Digital information processing
– Foutcorrectie
– Filtering
Digital communications processing
Sensingelement(s)
Reëlewereld
Analogprocessing
Exc.
Amp.
CommunicatieDigital
processing
BUS
Dataconversion
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Definitie
VB: TCN75 - Microchip® 2-wire serial temp. sensor Standard 2-wire serial interface
– Programmable trip point and hysteresis
– Digital readout
– Device configuration
Multiple operation modes
– Comparator
– Interrupt
– Standby
(power management)
Address lines
– Up to 8 devices can
share the 2-wire bus
lines
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21490C.pdf
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Definitie
Samengevat: wat moet een smart sensor kunnen?
Compensatie van het gemeten signaal
on-board diagnostiek, on-board callibratie (is de
output valide?)
Berekenen
Signaal conditie, data reductie, A/D
conversie, filtering
Communiceren
Netwerk
Actief
Geen invloed op te meten proces
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - DefinitieTraditioneel wordt iedere sensor specifiek gemaakt
voor één klant. Nadelen:
– Hogere (productie)kosten: kleine aantallen, zeer
specialistisch
– Minder flexibel:
uitbreiding, verandering, onderhoud en reparatie
– Complexiteit: het verwerken van verschillende
formaten data vergt een complex systeem
Oplossing
– Standaardisatie van interfaces:
elektrisch, mechanisch, communicatie protocollen
– Toevoegen van communicatie mogelijkheden :
Het ideaal: de Plug- and-Play sensor ??
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Interfacing
1
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Sensornetwerken
Wanneer
– Als meerdere sensoren nodig zijn
– Als sensoren geografisch verspreid zijn
Waarom
– Simplificatie van bedradingsnetwerk
– Digitale signalen zijn minder gevoelig voor
storingen (ADC is vereist)
– Meer informatie in beide richtingen
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors – Interfacing (1/3)
Er zijn verschillende protocolstandaarden op de markt met ieder hun
eigen hardware interface, headers, data lengte, data type, bit
rate, redundancy check, etc.
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors – Interfacing (2/3)
Er zijn verschillende protocolstandaarden op de markt met ieder hun
eigen hardware interface, headers, data lengte, data type, bit
rate, redundancy check, etc.
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors – Interfacing (3/3)
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
In 1994 hebben het IEEE en NIST besloten een
nieuwe standaard te introduceren (voor kleine
bedrijven)
IEEE 1451.2: enabling connection of transducers to
network processors
NB: NIST = National Institute of Standards and Technology
and IEEE = Institute of Electrical and Electronic Engineers
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Blokschema IEEE 1452.2
NCAP: Network Capable
Application Processor
STIM: Smart Transducer
Interface Module
TII: Transducer Independent
Interface
TEDS: Transducer Electronic
Data Sheet
Signal conversionTEDS
Signal conditioning
Raw transducer element
Communication transciever
Microprocessor
Network
Information/DataCommands
NCAP
STIM
TII
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Een STIM mag 255 inputs en outputs hebben.
Voorbeelden:
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
TEDS - Transducer Electronic Data Sheet
Beschrijft de datasheet van de transducer
Bevindt zich
meestal
in EEPROM
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Interfacing
Toekomst: IEEE 1452.4 Plug-and-Play sensors
Mixed-mode interface (analoge en digitale
uitgang)
Gestandaardiseerde TEDS voor ieder type
sensor
Virtuele TEDS (zodat analoge sensoren
kunnen blijven bestaan…)
Capita Selecta – Sensoren en Actuatoren
Smart Sensors - Referenties
[1] N. White, 1997, “Intelligent Sensors‟” in Sensor Review 17(2), pp. 97-98
[2] E. T. Powner and F. Yalcinkaya, 1995, “Intelligent sensors: structure and
system,” in Sensor Review 15(3), pp. 31-34
[3] R. Frank, 2000, Understanding Smart Sensors, Artech, Boston, MA.
[4] J. Brignell and N. White, 1996, Intelligent Sensor Systems, 2nd
Ed., IOP, Bristol, UK.
Referenties zijn afkomstig uit een presentatie van
Ricardo Gutierrez-Osuna, email: rgutier@cs.wright.edu,
“Intelligent Sensor Systems”,
Wright State University, Ohio, USA