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Università degli Studi di SienaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione

IEEE 1451: Recente IEEE 1451: Recente

standard per trasduttori standard per trasduttori

intelligenti - Applicazioni.intelligenti - Applicazioni.

Siena - Ottobre 2001Siena - Ottobre 2001

Nicola UlivieriNicola Ulivieri

SOMMARIOSOMMARIO

Siena - Ottobre 2001Siena - Ottobre 2001IEEE1451IEEE1451

• Introduzione

• Descrizione standard IEEE1451

• Applicazioni :

sensori chimici ‘smart’ per la ricerca

Facilità nell’implementazione e aggiornamenti di sistemi di misura e controllo connessi alla rete.Automazione della diagnostica, della configurazione del sistema e delle procedure di identificazione in un ambiente multivendor.

SENSORI INTELLIGENTISENSORI INTELLIGENTI


Transducer Transducer (sensor or (sensor or actuator)actuator)

Signal Signal conditioning conditioning /amplification/amplification

Signal Signal conversionconversion

Microcontroller unit Microcontroller unit or logic circuitor logic circuit

Output to hostOutput to host

input from hostinput from host

[1] Frank, R., “Understanding Smart Sensors”, Artech House, Norwood, MA, 1996.

Il termine “Smart sensor” (sensore intelligente) è stato adottato nella metà degli anni ‘80 [1].

Conversione del segnale grezzo del sensore in un livello o forma che lo renda più conveniente da usare.

Oggi sono richieste al trasduttore caratteristiche supplementari per essere considerato ‘Smart’.

• facilità di integrazione in ogni ambiente di applicazione connesso a una rete• auto-identificazione del trasduttore al sistema (informazioni chiave in un formato standard, connesse fisicamente al trasduttore) all’accensione o su richiesta.

IEEE1451 - ObiettiviIEEE1451 - Obiettivi


Il progetto IEEE 1451 è diviso in quattro sottoprogetti:

1451.1 - Si occupa della comunicazione tra la rete (qualsiasi) e il trasduttore (1998).1451.2 - Definisce la struttura di autoidentificazione (Data Sheet elettronico) del trasduttore, un’interfaccia digitale e il relativo protocollo di comunicazione (1999).1451.3 - Definisce un multidrop bus per la connessione di più sensori (draft). 1451.4 - Estende lo standard a trasduttori con segnali analogici (draft).

Il Technical Committee on Sensor Technology dell’ Institute of Electrical and Electronics Engineer (IEEE)’s Instrumentation and Measurement Society ha sponsorizzato una serie di progetti, indicati con la sigla IEEE1451, per lo sviluppo di software e hardware standard per trasduttori intelligenti e per la loro connessione alla rete.

•Lo standard non impone requisiti su quali dispositivi elettronici usare.

Riduzione dello sforzo dell'industria a migrare verso lo standard.

•Scopo principale dell’IEEE1451 è quello di fornire i mezzi per realizzare facile intercambiabilità dei trasduttori e loro inter-operabilità attraverso la reti.

IEEE1451.2 – IEEE1451.2 – Smart Transducer Interface Module


•Supporto per più trasduttori.

•TEDS integrato sul modulo.Rappresentazione delle unità fisiche. Modello generale di calibrazione.

•Triggering di sensori e attuatori.

•Plug & Play capability.

•Tranfer rate variabile.

L’IEEE 1451.2 definisce un Data Sheet elettronico relativo al trasduttore (Transducer Electronic Data Sheet-TEDS) ed il relativo formato di dati, più un'interfaccia digitale a 10 fili e un protocollo di comunicazione fra lo smart sensor e un microprocessore.

•Connessione punto-punto.

IEEE1451.1 – IEEE1451.1 – Network Capable Application ProcessorNetwork Capable Application Processor

• L’NCAP è dotato di due interfacce per gestire la comunicazione con lo smart transducer da una parte e una rete generica dall’altra.• Legge le informazioni dal TEDS e si autoconfigura per la gestione corretta dello STIM.• L’NCAP può contenere software applicativo gestire i trasduttori connessi oppure può accettare comandi dall’esterno (rete).


L’IEEE 1451.1 definisce lo standard per la connessione del modulo STIM alla rete.

IEEE1451.3 - Transducer Bus Interface Modules .

• Esigenza delle aziende di sistemi distribuiti multidrop strutture modulari - versatili.

- Ogni modulo può contenere uno o più trasduttori differenti.

- La risposta di molti sensori, anche centinaia, deve poter essere letta in modo sincrono larghezza di banda relativamente alta correlazione temporale dell’ordine dei nanosecondi.

- Il IEEE P1451.3 dovrà essere uno standard che rispetta tali specifiche.

• Una sola linea di trasmissione per alimentazione e comunicazioni fra il bus controller ed i moduli TBIM.

• Anche in questo caso l’NCAP è preposto al controllo del bus e dell' interfaccia della rete, che può supportare molti altri bus.


L’IEEE1451.3 definisce un bus multidrop.

• L’IEEE1451.3 può essere considerato un’estensione del 1451.2.

• Ancora in fase di definizione.

IEEE1451.4 -IEEE1451.4 -Mixed-mode Transducer and Interface . Mixed-mode Transducer and Interface .

Il 1451.4 deve definire un' interfaccia per i trasduttori analogici per un funzionamento mixed-mode.Il trasduttore analogico, con l’elettronica annessa, spedisce le informazioni contenute nel TEDS in forma digitale al momento dell’alimentazione o su richiesta. In seguito commuta di nuovo al modo di funzionamento analogico e fornisce il segnale del sensore.


Necessità di estendere ai trasduttori analogici le funzioni di Plug&Play e autoidentificazione.

TEDS sui trasduttori analogici e possibilità di collegare facilmente tali trasduttori ad una rete.

Nuova parte dello standard, il 1451.4

ApplicazioneApplicazione

La creazione di una tale sistema richiederà solo la connessione fisica di ogni dispositivo e la creazione di un semplice applicativo software per la gestione di tale sistema.


BagnoBagnotermostatatotermostatato

SensoreSensoredi COdi CO

AllarmeAllarme

Facendo uso dello standard appena descritto IEEE1451, sistemi distribuiti di misura e controllo possono essere progettati e sviluppati facilmente.

Interesse - Aziende e RicercaInteresse - Aziende e Ricerca


• Molte grandi aziende hanno già iniziato la sperimentazione dello standard IEEE1451:HP / Agilent NCAP - 1451.1 (BigFoot)Analog Devices Micro per implementazione 1451.2 (AD812) + software CCognisense Smart Sensor con accellerometro (EDI520)Brüel & Kjær Accellerometro e microfono 1451.4 compliant

• Nestlé Research Center• FIAT, Centro Ricerche• Telecom Italia• Alpha MOS

• L’interesse è grande anche per i gruppi di ricerca che operano nel campo delle misurazioni. I sensori chimici, per es., sono forte oggetto di ricerca.

Avere uno standard disponibile=elettronica pronta concentrazione delle risorse sui veri campi di ricerca+facile distribuzione tra i gruppi studi paralleli e scambi veloci di informazioni.

•Il NOSE (Network on artificial Olfactory Sensing) ha voluto la costituzione di un gruppo di lavoro per lo studio di standard per la creazione di sensori chimici intelligenti e per la portabilità dei dati acquisiti da questi.

• Il Working Group on Intenational Standard (WGIS), di cui faccio parte, si è occupato del recente standard IEEE1451 e delle sue possibili applicazioni nei nasi elettronici. Risultato di tale studio è un documento di 40 pag che descrive lo standard e mette in luce, con esempi applicativi, sia le sue potenzialità sia alcune sue carenze per la creazione di sistemi multisensore.

• Le conclusioni, pur riferendosi a nasi elettronici, sono valide per ogni sistema multisensore.

Moduli STIM per sensori chimiciModuli STIM per sensori chimici


MOX STIM: Basic implementation

1451.2

10

MOXsensor

A/DSignalconditioning Micro

controller

TEDS

STIM NCAP

1451.1

Netw

ork

QCM sensorQCM sensor

Metal Oxide sensorMetal Oxide sensor

• Studio di un modulo generale per sensori chimici, compatibile con lo standard IEEE1451, e delle informazioni da inserire nel TEDS.• Sensori chimici maggiormente usati nei nasi elettronici:Metal Oxide Sensors (MOX), Conducting Polymer (CP) sensors, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), and Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensors.

• Temperatura non controllata• Segnale di eccitazione fissato• Parametro letto: resistenza• Richiesta alimentazione esterna

•I MOX sono i più critici nell’uso in quanto richiedono di essere riscaldati a una temperatura nel range 200-500°C. Essa influenza pesantemente la selettività del sensore

TEDSTEDS


Meta TEDSField no. Description Type Field content

2 IEEE 1451 standards family working group number U8E 2 (IEEE 1451.2)

9 Number of implemented channels U8C 1

17 Worst case channel worm-up time F32 3600 (1hour)

24 Channel grouping data sub-block length U16L 0

Channel TEDSField no. Description Type Field content

2 Calibration key U8E 0 (no calibration)

8 Channel type key U8E 0 (sensor)

9 Physical units UNITS 0 128 128 132 130 122 124 128 128 128(=m2Kg s-3A-2)

10 Lower range limit F32 1E3 (1k)

11 Upper range limit F32 2E5 (200k)

14 Channel data model U8E 2 (double-precision real)

17 Channel data repetition U16C 0

18 Series Origin F32 0

19 Series increment F32 0

20 Series units UNITS 0 128 128 128 128 128 128 128 128 128

24 Channel sampling period F32 1E-1 (100ms)

Campi principali del TEDS

• 1 Meta TEDS per STIM

• 1 Channel TEDS + 1 Calibration TEDS (opzionale) per Canale

Calibrazione modello e es:Calibrazione modello e es:


Multinomial (multivariate polynomial)

Esempio nel caso a 2 dimensioni (2 input)

I coefficienti di correzione sono letti dal TEDS e resi disponibili al motore di correzione presente nell’NCAP.

Es:Termistore: RTSonda PH: I,TPHSensore chimico: R,RH,Temp,ecc.ppm

Il modello di correzione è stato studiato per correggere il comportamento non lineare del trasduttore o per tenere conto degli effetti di altre variabili (es.: temperatura).

Modulazione TemperaturaModulazione Temperatura


-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Principal component 1

Prin

cipa

l com

pone

nt 2

Time (s)0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1 TGS2610

Nor

mal

ized

impe

danc

e (Z

/Zo)

CONTROL

V=f

Vi+1=g(Vi,V)

V

TTd

T=h(Vf ,V)T

Vf

RVf

Rf

Vr

V

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Principal Component 1

Prin

cipa

l Com

pone

nt 2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1 TGS2610

Time (s)

(Z-Z

m)/

Zm

ax

1.5

Necessità del controllo della temperatura Necessità del controllo della temperatura

Maggiore selettivitàMaggiore selettività

Misura più veloceMisura più veloce

Ricerca dei profiliRicerca dei profili

Elettronica complessaElettronica complessa

Sensori per la ricercaSensori per la ricerca


MOXsensor

A/D

Microcontroller

TEDS

STIM

Sensortemp.

A/DSignalconditioning

Heater D/ASignalconditioning

DI/OWaveformgenerator

Signalconditioning

A/D

MOX STIM: General scheme for AC measurements and temperature control

|Z|

1451.2

NCAP

1451.1

10

Netw

ork

• E’ necessario aggiungere allo schema precedente l’hardware necessario per la lettura della temperatura del sensore e per il suo riscaldamento.

Sono richiesti 2 canali addizionali.

Nel campo 9 del channel TEDS che si riferisce alla temperatura del sensore va specificato Kelvin.

• A scopo di ricerca è anche utile poter cambiare la frequenza del segnale di eccitazione per misure di impedenza.

Sono richiesti 3 canali addizionali.

Lo Standard IEEE1451 permette di raggruppare più canali (modulo e fase).• Si possono realizzare STIM con un array di

sensori.

Architetture di interconnessione Architetture di interconnessione


microcontroller

TEDS

STIM

Temp.sensor


Humiditysensor


Pressuresensor


MOXSensor 1


MOXSensor N


...

Valve DI/OSignalconditioning

Mass flowcontroller

DI/O

......

1451.2

NCAP

1451.1

10

Netw

ork

Electronic nose implementation with single STIM (1451.1 – 1451.2)

• Utilizza gli standard approvati 1451.1 - 1451.2• Solo 1 NCAP• Struttura non versatile• Problemi per la sostituzione di un trasduttore - va

riconfigurato l’intero TEDS.• Nessun beneficio reale

Architetture di interconnessione 2Architetture di interconnessione 2


NCAPFlow controlSTIM

NCAPMOXSTIM 1

NCAPSensor chambermonitoring STIM

1451.2 Interface

NCAPMOXSTIM n

...

1451.1 Interface

... Netw

ork

Electronic nose implementation with multiple STIM (1451.1 – 1451.2)

• Utilizza gli standard approvati 1451.1 - 1451.2• Struttura versatile• Molti NCAP• Possibili ritardi nel trigger dovuti alla rete.

Architetture di interconnessione 3Architetture di interconnessione 3


NCAP

1451.3 Interface1451.1 Interface

Flow controlTBIM

MOXTBIM 1

Sensor chambermonitoring TBIM

MOXTBIM n

... Netw

ork

1451.3M

ultid

rop

Bu

s

Electronic nose implementation with multiple TBIM (1451.1 – 1451.3)

La soluzione migliore può essere ottenuta utilizzando il nuovo standard non ancora definito IEEE1451.3

• 1 solo NCAP• Struttura versatile (facilità di

espansione/modifica del sistema)• Trigger simultaneo.• Comunicazione veloce grazie a un bus

dedicato.

CONCLUSIONICONCLUSIONI

•Interoperabilità tra trasduttori tecnologicamente differenti (sensori ad ossido di metallo, QCM, polimeri).

•Espandibilità a moduli più recenti tecnologicamente più avanzati.•Tutela dell'investimento dell'utente.

•Concentrazione degli sforzi di industria e ambiente accademico su argomenti di ricerca fondamentali (chimica, fisica)

e sulle prestazioni del trasduttore (affidabilità, riproducibilità, sensibilità).


•Necessità per sistemi multisensore dello standard IEEE1451.3

L’adozione di uno standard permetterebbe:

INTRODUZIONEINTRODUZIONE


•Il mercato dei sensori è estremamente diversificato (industrie automobilistiche, aerospaziali, biomedicina, produzione e controllo nei processi industriali) ed è in continua crescita (43 miliardi di $ nel 2008).

•Domanda di dispositivi sempre più sofisticati + facilità d’uso = ‘smart sensors’.

•Un'interfaccia standardizzata faciliterebbe sicuramente il mercato abbassamento dei costi di sviluppo proliferazione di trasduttori intelligenti.

•La fusione di dispositivi intelligenti con la rete non solo abbasserà ulteriormente il costo totale dei sistemi ma porterà a una maggiore facilità di creazione, installazione, diagnosi e mantenimento dei sistemi sistemi più affidabili.

•Il collegamento di trasduttori (sensori ed attuatori) alla rete è una prospettiva sia attraente che economica per una vasta gamma di applicazioni. Molte soluzioni sono già disponibili sul mercato.

•Molte reti locali hanno la loro particolare interfaccia fisica e protocollo di comunicazione.

Usare una propria interfaccia richiede investimenti significativi di risorse Barriera per lo sviluppo e la crescita di trasduttori ‘intelligenti’ da collegare alla rete.

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