Sensoren, Aktoren & Mikroprozessoren

Transkript

1 Fachbereich Intelligent Elektrotechnik Systems Design Sensoren, Aktoren & Mikroprozessoren Grundlegende Schaltungen für den Anschluss von Sensoren und Aktoren an Mikrocontroller Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Sommersemester 2016

2 Notwendigkeit von Sensoren und Aktoren S E N S O R E N μc A K T O R E N Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 2

3 Signalflussplan U, I, Q U Temperatur Sensor Verstärker/ Filter Analog/Digital Wandlung Beschleunigung Druck Lichtintensität Umwelt μc Licht Töne Kraft Wärme Aktor Treiber Digital/Analog Wandlung U, PWM Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 3

4 Airbag Steuerungssystem Beschleunigung Akzelerometer Sitzbelegung DruckSensor Gurtschloss HallSensor ACU (µc) Zündpille Gurtstraffer Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 4

5 Beschleunigungssensor Kapazitiver Sensor Üblicherweise gefertigt als MEMS (Mikroelektromechanisches System) Komponenten: Beweglich gelagerte Schwungmasse Ineinandergreifende Lamellen ԦF T Mittlere Kondensatorplatte wird auf Grund der Massenträgheit gegen die Beschleunigungsrichtung ausgelenkt d 1 d 2 Plattenabstand d 1 verringert sich, d 2 vergrößert sich Ԧa C = ε A d Kapazität C 1 steigt an, C 2 fällt ab Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 5

6 Ausleseschaltung des Beschleunigungssensors Brückenschaltung Spannungspulse ΔU Ladungsempfindlicher Verstärker ΔQ C 0 C 3 C 3 C 3 C 3 Q 3 = C 3 ΔU Q 2 = C 2 ΔU Q 3 = C 3 ΔU Q 1 = C 1 ΔU ΔQ = C 3 C 2 ΔU ΔQ = C 3 C 1 ΔU U o C 2 C 1 C 2 C 1 Bei konstanter Geschwindigkeit C 2 = C 3 = C 1 Beim Bremsvorgang C 2 < C 3 < C 1 ΔU Spannungspulse ΔQ U o = ΔQ ΔQ = C 1 C 2 ΔU C 0 C 0 C 0 Ausgangssignal von Kapazitätsdifferenz und damit von Beschleunigung abhängig! Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 6

7 Digitalisierung des Sensorsignals C 3 C 3 C 0 Vergleich mit einer Schwellspannung mit Hilfe eines Komparators TRG U o U S C 2 C 1 C 3 C 3 C 0 Abtastung des Signals durch einen Analog/Digital Wandler U o A/D Wandler 3 SAMPLE C 2 C 1 C Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 7

8 U ref Beispiel: 3 Bit Flash A/D Wandler U in U x < U in < U y U y 0 U x Thermometer/ Binär Umsetzer Ein Nbit Wandler verwendet: 2 N 1 Komparatoren resistiver Spannungsteiler aus 2 N Widerständen Referenzspannung steigt um jeweils Τ2 N U ref D 3 Inhärente Thermometerkodierung Umsetzung zu Binär Code 1 1 U ref Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 8

9 Aktor: Zündpille Treiberschaltung 12V Batteriespannung Treiberstufe Reserveenergie PowerMOSFET ACU (µc) R S Heizwiderstand PowerMOSFET Treiberstufe Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 9

10 Aktor: Motorsteuerung reversibler Gurtstraffer U Bat : 12V Batteriespannung U L = L di dt = L ΔI ΔT ΔI = U L L ΔT M1 Motor L U M M3 1. Fall: M1 & M4 durchgeschaltet ΔI = U Bat U M ΔT L Stromanstieg Beschleunigung M2 2. Fall: M1 & M4 durchgeschaltet M4 ΔI = U M L ΔT U L U M Stromabfall Bremswirkung Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 10

11 Zusammenfassung Mikrocontroller werden in Produkte eingebettet um Abläufe intelligent zu steuern. Sensoren sind die Augen & Ohren des technischen Systems Aktoren sind die Arme & Beine des technisches Anschluss von Sensoren an µc: Verstärker, Filter, A/D Wandler Anschluss von Aktoren an µc: Schalter, Treiber, D/A Wandler Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 11

12 Beispiel: SingleSlope AnalogDigital Wandler Discharge C U ref R u o U in Hit Control Reset Enable Counter N u o SOC EOC U in U in2 u o = U ref T t U in = U ref T t mess Hit t mess2 t mess t t mess = T U ref U in = N T Takt Clk 0 T Takt N = T T Takt U ref U in Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren Prof. Dr.Ing. Michael Karagounis Folie 12