plug & play - fähige Signalaufbereitung und wandlung von Messdaten IEEE 45.4 kompatibler Sensoren unter Verwendung eines programmierbaren mixed-signal Schaltkreises Oliver Reimer, Jürgen Kampe TU-Ilmenau, Deutschland Kurzfassung Im folgenden Beitrag wird die im IEEE 45.4 Standard geschaffene plug und play -fähigkeit kompatibler Sensoren genutzt um auf Basis ihres elektronischen Datenblatt () eine entsprechend optimierte Schaltungen für die Signalaufbereitung und -wandlung zu generieren und diese dann in einem elektrisch programmierbaren Analog Array (EPAA) abzulegen. Dabei können neben den Betriebsparametern des Sensors auch spezifische Kalibrierungsdaten berücksichtigt werden. Daraus ergibt sich ein universelles Schnittstellenmodul mit programmierbaren anlogen und gemischt analogen/digitalen Schaltungskomponenten zur Ansteuerung von Sensoren bzw. auch Aktuatoren. Einleitung Sensoren und Aktuatoren sind zu einem bedeutenden Bestandteil unserer technisierten Welt geworden. Neben einigen industriell verwendeten Datennetzwerken gibt es eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren. Oft können Anwender aus kompatibilitätsgründen aber nur auf einen Hersteller für eine Komplettlösung aus Netzwerk, Sensor und Steuerung zurückgreifen. Ein Umstand der mit dem IEEE 45 Standards beseitigt werden soll. Der IEEE 45 Standard gliedert sich z.zt. in vier Teile, welche sowohl einzeln als auch in Kombination mit den verschiedenen Standards aus der IEEE 45 Familie Anwendung finden können. Die wahrscheinlich fundamentalste Eigenschaft die einen Sensor zu einem smart oder intelligenten Sensor macht ist es sich selbst an einem Netzwerk identifizieren zu können. Eine Eigenschaft die insbesondere durch den IEEE 45.4 smart transducer interface standard [0] ermöglichte wird. Die Möglichkeiten die das elektronische Datenblatt bietet sowie der IEEE 45 Standard sollen in Kapitel 3 erläutert werden. Neben einer standardisierten Schnittstelle für Sensoren erfordert ein universelles Schnittstellemodul auch eine anpassbare Signalaufbereitung und wandlung. Im Gegensatz zu den üblicher Weise verwendeten data acquisition Systemen die unterschiedlich Module für verschieden Sensoren verwenden soll hier eine universell programmierbare mixed-signal Schaltung eingesetzt werden. Der hierfür verwendete Schaltkreis mit programmierbaren anlogen und gemischt analogen/digitalen Schaltungskomponenten soll nun näher erläutert werden. Im folgende sollen, der Übersicht halber, Aktuatoren nicht mehr explizit erwähnt werden. Es kann aber davon ausgegangen werden das analog zu Sensoren auch Aktuatoren verwendet werden können. 2 Elektrisch Programmierbares Analog Array (EPAA) Das EPAA ist eine in CMOS-Schaltungstechnik realisierte elektrisch programmierbare mixed-signal- Schaltung. Die Funktionalität und die Kennwerte der Schaltung lassen sich durch Programmierung der elektrischen Verbindungen zwischen den Bauelementen und durch Programmierung ihrer Dimensionierung festlegen. Der EPAA2x2 stellt somit eine universelle, integrierte Schaltungsanordnung zur Realisierung von analogen und gemischt analogen/digitalen Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Aktuatorik, Kommunikation und Signalaufbereitung dar. Die Programmierung erfolgt auf der Basis einer verifizierten aber stets erweiterbaren Bibliothek von Programmiermustern für die verfügbaren Schaltungsanordnungen. Neben analogen Funktionselementen wie Verstärkern, Filtern, Generatoren, Mischern, Multiplizierern und VCOs können auch gemischt analog/digitale Schaltungen mittels integrierter AD und DA-Module im EPAA2x2 realisiert werden. Die Struktur des EPAA ist in der Abbildung dargestellt und soll nun näher erläutert werden. In der vorliegenden Realisierung enthält der EPAA entsprechend dem Suffix 2x2 vier Cluster. Realisierungen mit mehr Clustern sind möglich. 2. Globale Verdrahtungstrassen Elektrisch konfigurierbare Verdrahtungstrassen stellen sowohl die Verbindung zur Außenwelt als auch die Verbindung unter den Zellen und zu den ADDA- Modulen her. Jede der Verdrahtungstrassen enthält ein Leitungspaar. Die Trassen wurden in ac- und dc- Trassen unterteilt. Sie unterscheiden sich u. A. in ihren äußeren Anschlüssen. So besitzen die ac-trassen konfigurierbare Treiber (Impedanzkonverter) am
Komponenten Gewichtung result. Dimensionen Transistoren n-differenz n-stromquellen p-last (passiv) p-last (aktiv) Widerstände Gegenkopplung Hauptwiderst. 2 4 8 6 32 64 28 2 4 8 6 32 64 2 4 8 6 2 4 8 /32 /6 /8 ¼ ½ 2 4 8 Weite [μm],5-766,5,2-52,4 0,8-24,8 2, - 3,5 Länge[μm] 3,6 3,2 4,9 0,7 Widerstand [kω] 0,43-27,2 5,2-660,4 Kondensatoren Kapazität [pf] poly-poly C ½ 2 4 0.5-7.5 Schalter n-transistor p-transistor Weite [μm],2,2 Länge[μm] 0,5 0,5 Abbildung : Struktur des EPAA2x2 Ausgang, während die dc-trassen direkt mit dem Pad verbunden sind. Damit ergeben sich unterschiedliche Anwendungsfelder für die jeweiligen Trassen. dc- Trassen können für statische Versorgungsspannungen und empfindliche quasistatische Signale genutzt werden. Im Gegensatz dazu eignen sich die ac-trassen gut für hochfrequente Wechselsignale. 2.2 n- und p-zellen Hauptbestandteil des EPAA2x2 sind n- und p-zellen. In gewissen Grenzen lassen sich die elektrischen Verbindungen unter den Bauelementen und deren Dimensionierung frei programmieren. Jede Zelle enthält eine Reihe von Bauelementen, welche in Tabelle mit ihren Dimensionierungsgrenzen am Beispiel einer n- Zelle zusammengefasst sind [5]. Die je 2 n- und p-zellen eines Clusters besitzen direkte Verbindungen untereinander, um komplexere schaltungstechnischen Anordnungen aufbauen zu können. Je nach Anforderung lassen sich so aus einzelnen oder mehreren Zellen z.b. Verstärker, VCO und Filter realisieren. Durch die elektrische Programmierbarkeit des EPAA2x2 lassen sich die Schaltungen darüber hinaus im laufenden Betrieb ändern. 2.3 ADDA-Wandler Die Schnittstelle zwischen dem analogen und digitalen Teil des EPAA2x2 bilden vier ADDA-Module. Die einzelnen Module sind konfigurierbar, so dass sich eine ganze Reihe verschiedener AD- und DA Wandler realisieren lassen. Realisierbar sind unter anderem: -Bit AD-Wandler 3-Bit AD-Wandler Tabelle : Komponenten und Dimensionierungen für eine n-zelle dual-slope AD-Wandler (2..6 Bit) 3-Bit DA-Wandler 8-Bit DA-Wandler kombinierte 3-Bit ADDA-Wandler mit sample & hold Es ist darüber hinaus möglich, die einzelnen Module miteinander zu kombinieren, um z.b. eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Die vier ADDA-Module des EPAA2x2 sind über eine elektronisch programmierbare Schaltungsmatrix mit den globalen Verdrahtungstrassen verbunden. Jedes ADDA-Modul besteht aus einem 8-fachen R-2R Netzwerk, den erforderlichen Transfer-Schaltern, acht Komparatoren und vier Operationsverstärkern (OPV) in der Ausgangs- und Bezugspegelstufe. 2.4 Timing und Routing Die timing- und routing-module stellen elektrisch frei konfigurierbare Taktsignale für die Zellen und AD- DA-Module zur Verfügung. Timing bezeichnet die Formung der Taktsignale, während routing für die Zuordnung der einzelnen Taktsignale zu den Zellen oder ADDA-Modulen verantwortlich ist. 2.5 Digitalteil Der Digitalteil ist die Schnittstelle zur digitalen Außenwelt des EPAA2x2. Er stellt Ports für die Programmierung und Steuerung des EPAA2x2 zur Verfügung. Hier befinden sich die Zustandsregister, deren Belegungen die Zustände der ADDA-Module und die der Transfer-Schalter des Kerns repräsentieren. Außerdem gibt es z.b. 6-Bit Zähler für die Verwendung in den ADDA-Modulen.
3 Der IEEE 45 Standard Der Smart Transducer Interface Standard IEEE 45 wurde vom Technical Committee on Sensor Technology, einem Teil der Instrumentation and Measurement Society, welche zum Institute of Eletrical and Electronic Engineers (IEEE) gehört, verabschiedet. Abbildung 2 gibt einen schematischen Überblick der z.zt. verabschiedeten einzelnen Standards. Die wohl treffendste Übersetzung aus dem Englischen für das Wort Transducer ist Umsetzer, wobei damit sowohl Sensoren als auch Aktuatoren gemeint sein können. Ein Sensor ist ein elektronisches Bauteil, das bestimmte physikalische Eigenschaften (z.b. Temperatur, Druck, Beschleunigung, Kraft) oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Aktuatoren stellen das wandlerbezogene Gegenstück zu Sensoren dar. Sie setzen elektrische Signale in eine mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen (z.b. Druck oder Temperatur) um und greifen so regulierend in ein System ein und/oder geben Sollgrößen vor. Die Bezeichnung Smart Transducer beschreibt nun einen Sensor bzw. Aktuator, der neben der ermittelten oder eingestellten physikalischen Größe auch die Signalaufbereitung und wandlung übernimmt sowie Verarbeitungsfunktionen und Datenspeicher zur Verfügung stellt. Die eingebauten Funktionen sollen die Integration des Umsetzers in ein Netzwerk vereinfachen. Die mit dem IEEE 45 eingeführten Standards sind wie folgt: 3. IEEE 45. Network Capable Application Processor (NCAP) Information Model []: Beschreibt ein allgemeines Objektmodell für netzwerkfähige Sensoren und Aktuatoren. Es werden flexible, modulare Objekte z.b. für die Netzwerkschnittstelle, Steuer- und Messfunktionen und eine Standard Sensor- und Aktuatorschnittstelle bereitgestellt. Damit ist es möglich, einen Sensor oder Aktuator über einen netzwerkfähigen Applikationsprozessor (NCAP) an ein beliebiges Netzwerk anzuschließen. 3.2 IEEE 45.2 Abbildung 2: Übersicht IEEE 45 Standard Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet () Formats [2]: Definiert ein serielles Sensor und Aktuator zu Mikroprozessor - Kommunikationsprotokoll und erlaubt damit einem Sensor bzw. Aktuator, digitale Daten über eine standardisierte Schnittstelle (Transducer Independent Interface (TII)) zu senden oder zu empfangen. Jeder beliebige Sensor oder Aktuator lässt sich konform zu dem IEEE 45.2 Standard über ein Smart Transducer Interface Modul (STIM) benutzen. 3.3 IEEE 45.3 Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet () Formats for Distributed Multidrop Systems [3]: Ermöglicht den Anschluss verteilter Sensoren oder Aktuatoren über eine gemeinsame Datenleitung. Die Sensoren oder Aktuatoren werden hierbei über ein Transducer Bus Interface Modul (TBIM) angeschlossen. 3.4 IEEE 45.4 Mixed-Mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet () Formats [4]: Dieser Teil beschreibt eine mixed-signal Schnittstelle zwischen dem Sensor oder Aktuator und dem NCAP, die neben den analogen Signalen auch digitale Daten zur Selbstbeschreibung des Sensors überträgt. Der Standard beschreibt hierfür zwei Klassen von Schnittstellen. Bei der Klasse Schnittstelle werden mixedsignal Sensoren oder Aktuatoren über ein einziges Leitungspaar angeschlossen, während bei der Klasse 2 Schnittstelle hierfür separate Leitungen vorgesehen sind. 3.5 Das elektronische Datenblatt () Das vom IEEE 45.4 spezifizierte Datenblatt für Sensoren soll nun näher erläutert werden Das Datenblatt wird in einem EEPROM (üblicher Weise lediglich 256 Bit groß) gespeichert welcher physisch mit dem Sensor verbunden ist. Entsprechend der Schnittstellen Klasse wird das Datenblatt beim anschließen des Sensors ausgelesen und ermöglicht so dem Messsystem den Sensor zu identifizieren und sich auf seien spezifischen Eigenschaften einzustellen. Abbildung 3 zeigt den Grundlegenden Aufbau des. Neben den allgemeinen Information zu dem
Abbildung 3: Sensor wie Hersteller, Typ und Seriennummer (Basic ) können auch Sensortyp spezifische Daten gespeichert werden. Hierfür wurden in dem Standard Templates definiert. Die Templates des IEEE 45.4 Standard unterstützt bereits eine Vielzahl von etablierten Sensoren (z.b. Widerstandssensoren, Brückensensoren und Sensoren mit mv Ausgangsspannung). Abbildung 4 zeigt das Template für Sensoren mit resistiven Ausgang. Durch eine offene Gestaltung ist es aber auch jeder Zeit möglich, auch spezielle Sensoren hinzuzufügen. Für den gezeigten Sensor lassen sich so z.b. der minimale und maximale Ausgangswiederstand und ihre physikalische Entsprechung speichern. In den nachfolgenden Block (Calibration ) lassen sich Kalibrierungsdaten für den spezifischen Sensor z.b mit Hilfe von Wertetabellen oder Polynomen- Funktionen speichern. Diese Daten lassen sich bei einer Neukalibrierung des Sensors ändern. Die so erhaltenen Kennwerte des angeschlossenen Sensors lassen sich nun in der Programmierung der Signalaufbereitung und -wandlung im EPAA berücksichtigen. 3 programmierbare Signalaufbereitung und -wandlung Um die universelle Einsatzmöglichkeit des EPAA zu zeigen soll eine mögliche Programmierung anhand einer Beispielschaltung erläutert werden, wie sie unterandere für die Signalverstärkung eingesetzt werden kann. B ac2 A ac2 i 22 i 2 R2 p+ A B Sq2 Sq (N) 2 Di (N) Abbildung 4: Template für Sensoren mit resistiven Ausgang Zweistufiger OTA n-zelle Abbildung 5: zweistufiger OTA Die Realisierung des zweistufigen OTA (Abbildung 5) erfolgt im folgenden Beispiel unter Verwendung von zwei komplementären Zellen, um sowohl p- also auch n-transistoren in der Ausgangsstufe verwenden zu können. Die Differenzeingangsstufe ist in einer n- Zelle realisiert. Die Ausgangsstufe ist durch eine pole splitting- Kompensation für v u = und eine Lastkapazität von C L =2pF kompensiert. Die Schaltung ist damit für alle Lastkapazitäten < 2pF stabil dieser Wert wird innerhalb des EPAA i.d.r. nicht überschritten. Andernfalls ist eine Korrektur durch Veränderung der Dimensionierung der Kompensationskapazität jederzeit und selbst im laufenden Betrieb möglich. Bei einer Dimensionierung des Querstroms in der Eingangsstufe auf 25µA ergeben sich für die Bauelemente folgende Dimensionierungen: Di GK al (P ) GK i Sq22 Sq (N) 22 B al (P) 2 GK 2 I A p C GK 2 Di 2 Di (N) 2 al (P) 2 al 2 i 2 I C al 2 al 22 A al (P 22 ) al 22 al (N) 2 al (N) 22 p-zelle B ac
Tabelle 2: Dimensionierung für zweistufigen OTA Bauelement Dimensionierung Zelle Hauptwiderstand (R 2 ) 2+4+6+32 n Stromquellentransistor (Sq 2,22 ) 32+64 n Gegenkopplung Widerstand (GK,2 ) +2+4+8+6+32 Differenztransistor (Di,2 ) 32+64+28 n Aktiv-Lasttransistor (al,2 ) 4 n Aktiv-Lasttransistor (al 2,22 ) 4+8 n Aktiv-Lasttransistor (al 2,22 ) 2 p Kondensator (C ) +2 n Kondensator (C ) +2 p Aus einer spice3-simulation ergeben sich auszugsweise folgende Kennwerte: Tabelle 3: Eigenschaften des zweistufigen OTA Kennwert Wert Betriebsspannung 3,3V Stromaufnahme 4µA Leerlaufverstärkung 83dB Offset 2µV slew rate 2V/µs Aussteuerbereich 0,5-3V Grenzfrequenz. Stufe 620Hz Grenzfrequenz 2. Stufe 700kHz Transitfrequenz 7,5MHz Phasenrand 50 n 6 Der EPAA als universelle Sensorschnittstelle Im folgenden Abschnitt soll eine Anwendung des EPAA2x2 in Verbindung mit dem IEEE 45.4 Standards beschrieben werden. Auf den durch den IEEE 45. Standard beschriebenen universellen netzwerkseitigen Anschluss soll hier nicht näher eingegangen werden. Ein 45.-fähiger NCAP kann aber einen Netzwerkanschluss realisiert werden [] und ermöglicht bei Bedarf den Zugang zu unterschiedlichen Netzwerken (z.b. CAN-Bus, TCP/IP oder USB). Abbildung 7 gibt einen funktionellen Überblick der Komponenten eines solchen IEEE 45.4 S. der EPAA2x2 übernimmt die analoge Signalaufbereitung und -wandlung. Die vier einzelnen Kanäle lassen sich zum Anschluss komplizierter Sensoren oder Aktuatoren kombinieren. die Aufgabe des Mikrokontrollers teilt sich in die Grundfunktionen des Moduls, also das Lesen und Schreiben des und Programmieren des EPAA2x2, sowie in die kanalspezifische Steuerung der angeschlossenen Sensoren oder Aktuatoren. in einem EEPROM werden neben dem Betriebssystem auch die -Daten der jeweiligen Sensoren oder Aktuatoren gespeichert. Der modulare Aufbau des IEEE 45 Standards ermöglicht es, mehrere Standards miteinander zu kombinieren. So lässt sich nun in die bereits verwendeten IEEE 45.- und 45.2-Implementierungen der Standard IEEE 45.4 einfügen. Der Aufbau der in Abbildung 3 gezeigten Realisierung ändert sich dabei nur geringfügig. Hinzu kommt eine Schnittstelle, mit der es möglich ist, die auf dem Sensor gespeicherten virtuelle TII NCAP Funktionen STIM µc Basisfunktionen EPAA Kontrollfunktionen EPAA2x2 Signalwandlung Signalaufbereitung 4 3 2 Aktuator Sensor 2 Sensor Netzwerk Netzwerk Treiber OS meta EEPROM -Wire tm Mixed-Signal Schnittstelle IEEE 45.4 3 3 4 Abbildung 6
-Daten auszulesen. Die Programmierung des EPAA2x2 kann daraufhin automatisch aus einer Datenbank gelesen oder aus den Sensorparametern generiert werden. Das Ergebnis ist ein STIM, welches zusätzlich die Selbstidentifikation von Sensoren und Aktuatoren ermöglicht und somit auf dieser Seite um eine plug & play Fähigkeit erweitert wird. Die Verwendung von IEEE 45.4-konformen Sensoren oder Aktuatoren ist dabei keine Pflicht. Es lassen sich also auch weiterhin Sensoren oder Aktuatoren ohne eigenes anschließen und betreiben. Um den Hardwareaufwand klein zu halten, ist es möglich, die NCAP-Funktionalität in den Mikrokontroller des STIM zu integrieren [8]. Dabei wird das Transducer Independent Interface (TII) zu einer Software Schnittstelle. Die plug & play Fähigkeit bleibt, soweit netzwerkseitig unterstützt, dabei erhalten. 6 Zusammenfassung Es wurde gezeigt, dass der EPAA2x2 als universell konfigurierbare Schnittstelle zu Sensoren und Aktuatoren eingesetzt werden kann. Er übernimmt hierbei die Signalaufbereitung und -wandlung in einem intelligenten Sensor- und Aktuatormodul (STIM). Die Besonderheit bei einem solchen Modul liegt in der sensor- oder aktuatorabhängigen Konfigurierbarkeit der Signalwandlung und aufbereitung und der damit verbundenen Möglichkeit, verschiedene Sensoren und Aktuatoren an ein und dem selben Modul zu betreiben. Die universelle Einsetzbarkeit des EPAA2x2 wurde an Hand von möglichen programmierbaren Schaltungen gezeigt. Mit Hilfe des IEEE 45.2 Standards lassen sich eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren an ein digitales Steuernetzwerk anschließen sowie unter Ausnutzung des EPAA2x2 an einer gemeinsamen Hardwarebasis betreiben. Durch die Verwendung einer IEEE 45.4 konformen mixed-signal Schnittstelle auf Sensorbzw. Aktuatorseite wird außerdem die Selbstidentifikation und -konfiguration von Sensoren (Aktuatoren) ermöglicht. Das in diesem Beitrag gezeigte, universell konfigurierbare Sensor/Aktuator Schnittstellenmodul auf Basis des EPAA2x2 kann die Produktivität bei der Herstellung und Benutzung von sensor-/aktuatorbasierenden Anwendungen erheblich steigern. Die Berücksichtigung der unter der IEEE 45 Familie gebildeten Standards ermöglicht darüber hinaus eine einfache Vernetzung und die plug & play Fähigkeit einer solchen Anwendung. 3 Literatur [] [IEEE Std 45.-999, IEEE Standard for a Network Capable Application Processor (NCAP) Information Model, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Juni 999. [2] IEEE Std 45.2-997, IEEE Standard for a Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet () Formats, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, September 997. [3] IEEE Std 45.3-2003, IEEE Standard for a Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet () Formats for Distributed Multidrop Systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, September 2003. [4] IEEE Std 45.4-2004, IEEE Standard for A Mixed-Mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet () Formats, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, März 2004. [5] Kampe, Jürgen; Ponca, Marek; Heiber, Uwe; Rummler, Andreas; Wisser, Christiane, Elektrisch-Programmierbares Analoges Array, ANALOG 05, Fachbeiträge der 8. ITG/GMM- Diskussionssitzung Entwicklung von Analogschaltungen mit CAE-Methoden, S. 45-50 [6] Reimer, Oliver, Konzeption einer universellen plug-and-play-fähigen Schnittstelle für Sensoren und Aktoren auf der Grundlage des elektrisch programmierbaren Analog-Array EPAA2x2, Diplomarbeit, August 2005. [7] Reimer, Oliver; Kampe, Jürgen, Verwendung eines elektrisch programmierbaren analogen Array zur Ansteuerung IEEE 45 kompatibler Sensoren und Aktuatoren ANALOG 06, Fachbeiträge der 9. ITG/GMM-Fachtagung Entwicklung von Analogschaltungen mit CAE- Methoden, S. 79-83 [8] Wall, Richard W.; Ekpruke, E: Developing an IEEE 45.2 Compliant Sensor for Real-time Distributed Measurement and Control in an Autonomous Log Skidder, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2002. [9] Jones, Charles H.: IEEE 45.4 smart transducers template description language, 2004 [0] Mark, John; Hufnagel, Paul; The IEEE 45.4 Standard for Smart Transducers, 2004