Sensoren & Displays

2h theorie / week (12 weken) / 50%3h Labo / week (12 weken) / 50%

2010 -2011, 1° semester

Embedded Systems

Zeer nauwe samenwerking en integratie met SoC

Bart Leenknegt / Johan Beke / Benjamin Samyn

Sensoren & Displays(1°) 6 weken: 2h-T D&S + 8h-T/L SoC(2°) 6 weken (vanaf 8/11): 2h-T D&S + 2h-T SoC + 6h-L D&S

Theorie D&S (50%)- 12 weken: theorie Sensoren (30%)- 12 weken: zelfstudie Displays (paper, seminarie, consult, toepassingen) (30%)- (2°) 6 weken: 2 oefeningen + 1 analyse/waarneming (individueel dossier) (20%) - (1°) 6 weken: voorbereiding Labo (oefeningen, consult, project dossier) (20%)

Theorie D&S 12 weken sensoren (30%)

• Meetsystemen• Temperatuursensoren• Signaal conditionering• Mechanische sensoren• Vloeistof sensoren• Gas sensoren• Lichtsensoren• Chemische sensoren• Akoestische sensoren• Biomedische sensoren• Capita selecta• Integraties

Theorie D&S 12 weken Displays (30%)

• Zelfstudie, consult => paper, seminarie• Exploratie vanuit een bepaalde toepassing• Materialisatie binnen deze toepassing

1. E-book2. Ruggedized GPS – chartplotter (Rib, Moto, Ulm, …)3. Notebook without screen and keyboard4. Automotive HUD5. 3D-displays met bril / zonder bril6. Home cinema7. Displays in het straatbeeld

• Vandaag: keuze van wie doet wat• Volgende week: exploratie / situering van de toepassing

– Brede interpretatie (persoonlijke noot mag zeker)– Visuele ppt met kernachtige notities– Consult wo/do => keuze van de toepassing

Theorie D&S (2°) 6 weken oefening + analyse (20%)

• Individuele oefeningen:2-tal (consult, dossier)– Opgaven vanaf 8/11, eerst wat meer theorie te zien– Praktisch ontwerp en concrete uitwerking van meetsystemen– Embedded context in volle complexiteit

• Analyse oefening (consult, dossier)– Vertrekkende van een bestaand klein embedded systeem dat sensor(en) bevat (zie

verder): low cost of wegwerp– Wat meet men op welke manier (sensor, signaalconditionering)– Information processing (analoog, discrete, mcu, asic, fpga, …)– Praktisch gaan bemeten van de interne electronica– Nauwkeurigheid, betrouwbaarheid, meetfouten, …– Kostprijs, levensduur, …– Praktische opbouw/inbouw/uitvoering– Opmerkingen, vragen

Sensoren & DisplaysLabo D&S (50%)- 6 weken vanaf 8/11 (voorbereiding, hard werk, plannen)- Geïntegreerd project samen met SoC:

Autonome Zeppelin http://www.zeppytheproject.nl/ http://www.youtube.com/watch?v=ydS4V1PYj4U

D&S SoC1 T (°C) + Humidity (%) System architecture2 Patm (Pa) Power management3 Dx/afstand (0 - 10m) – ultrasoon Wireless datalink4 Dx/afstand (0 – 0.5m) – infrarood Webcam5 Compas (°)Actuator control6 CO2 (ppm) Sensor platform7 Orientation (Yaw, Pitch, Roll) Remote / autonomous control

Theorie D&S (1°) 6 weken voorbereiding labo (20%)

• Individueel projectwerk• Integratie in en met SoC• Voorbereiding labo (consult, dossier)– Verkenning beschikbare sensoren– Het maken van keuzes in de gegeven context– Het bestellen van de sensoren en componenten !– Het ontwerpen van de meetsystemen– Het volledige berekeningsmodel– Het ontwerpen van de calibratie en ijkingsprocedures– Het ontwerpen van de communicatie met het sensor platform

Theorie D&S (1°) 6 weken voorbereiding labo (20%)

• Voorbereiding labo• Vandaag: keuze van wie doet wat• Volgende week: exploratie sensoren

– Verkenning beschikbare sensoren– Poging om een aantal relevante keuzeparameters, specificaties te

onderscheiden voor de gegeven context– Projectdossier in Word

• Duidelijke inhoudelijke structuur• Kernachtig overzicht• Op een goede en volledige manier met bijlages werken

– Consult: wo/do• Het maken van keuzes in de gegeven context• Aanzet tot het ontwerp van het meetsysteem

Motivatie van D&S binnen

Embedded Systems

Met Embedded Systems bedoelen we de uitwendig niet merkbare integratie van microprocessoren, intelligente logica en software in de meest uiteenlopende producten en toepassingen.

Embedded Systems

Huishoudtoestellen

Embedded Systems

Consumer Electronics

Embedded Systems

Domotica

Embedded Systems

Security

Embedded Systems

Sports & Medical

Embedded Systems

Automotive

Embedded Systems

GSM / PDA

Embedded Systems

GPS / ChartPlotter

Embedded Systems

Test &Measurement

Embedded Systems

Visualisation

Embedded Systems

Toys

Embedded Systems

Toys

Embedded Systems

Toys

Embedded Systems

Machines

Embedded Systems

Tools

Embedded Systems

Telefonie

Embedded Systems

Prof. AV

Embedded Systems

Prof. AV

Embedded Systems

Office equipment

Embedded Systems

Musical Instruments & Effects

Eigenschappenvan

Embedded Systems

Embedded Systems = HW + SW

Embedded Systems = sensoren en interfacing

Embedded Systems = Human interaction

Embedded Systems = modular interconnection & networks

Sensors / Transducers

• A transducer is an energy converter that convertsone physical quantity into another.

• A sensor is an input-transducer that converts a certain physical quantity (temperature, pressure, light intensity, etc.) in an electric signal (voltage, current, frequency, phase, etc.)

SensorsActive sensor: requires external power to operate. Eg: thermistors, strain gauges, capacitive & inductive sensors

Other name: parametric sensors (output is a function of a parameter - like resistance)

Passive sensor: generates its own electric signal and does notrequire a external power source to operate.Eg: thermocouples, piezoelectric sensors, pH-probe

Other name: self-generating sensors

Note: some define these exactly the other way around

Sensors

Contact sensor: a sensor that requires physical contact with the stimulus.

Eg: strain gauges, most temperature sensors

Non-contact sensor: requires no physical contact. Eg: most optical and magnetic sensors, infrared sensors,

infrared (imaging) thermometers, etc.

Meetsystemen

Structuur van meetsystemen

Meetsystemen

Meetsystemen

Data Acquisition System

System diagrams

System Elements

• Input range: Imin, Imax : (0 to 104 Pa), (100 to 250 °C)

• Output range: Omin, Omax : (4 to 20 mA), (4 to 10 mV)

• Input span (Full-Scale Input: IFS) : Imax-Imin : (104 Pa), (150°C)

• Output span (Full-Scale Output: OFS) : Omax-Omin : (16 mA), (6 mV)(Full-Scale Deflection: f.s.d.)

Lineair System Elements

O=f(I) is the ideal straight line that connects A(Imin,Omin) to B(Imax,Omax)

Non-Lineair System ElementsA function N(I) is the difference between actual and ideal straight-line behavior

Non-Lineair System Elements

Copper-constantan (Type T) thermocouple junction, between 0°C and 400°CV

Thermistor (NTC)

Non-Lineair System ElementsTransfer Function Modelling

High-order polynomial approximation

Exponential function

Logarithmic function

Power Function

Sensitivity of System Elements

Sensitivity of System Elements

Environmental effect on System Elements

=> Standard environmental conditionsEg. 20°C, 50% RH, 10V supply voltage

Environmental effect on System Elements

=>

Standard conditions: K, IM=OKM is the change in sensitivity for unit change in IM

Environmental effect on System Elements

=>

Standard conditions: K, II=OKI is the change in zero bias for unit change in II

Environmental effect on System Elements

Environmental effect on System ElementsNon-Linear Case

Tb [K] : T body, objectTs [K] : T sensor surface

Sensitivity with respect of the object’s temperature

Hysteresis in System Elements

Hysteresis in System Elements

Hysteresis in System Elements

Causes of hysteresis:

-Friction (static vs. dynamic)-Structural changes in materials (magnetism)-Loosely coupled mechanical systems-Temp change with thermal storage

Resolution in System ElementsResolution: - Largest change in I (DIR)that can occur without any corresponding change in O- Smallest discernible change in the measured value

Saturation and Dead band

Saturation = span-end nonlinearityDead band = insensitivity in a specific range of input signals

Error bands in System Elements

Total element performance (manufacturers)

Generalised Model of a System Element

Generalised Model of (Type T) Thermocouple

Statistical CharacteristicsPrecision vs. Accuracy

Precision ~ Repeatability Accuracy ~ Maximum expected error

Lack of repeatability is due to random effects in the element and its environment

Making reasonable assumptions for the probability density functions of I, IM, II

Statistical Characteristics

Statistical Characteristics

Tolerance – batch of similar elements

-Design for-Calibrate for

Tolerance – batch of similar elementsExample: chromel-alumel thermocouple