von David Grice, Applications Engineer

Zentrum Mikroelektronik (ZDMI), Dresden, Deutschland

 

I2C ist eine Schutzmarke von NXP. 

So viele Sensoren, so wenig Zeit

Seitdem die Nachfrage nach Anzahl, Typen und Vielfalt von Sensoren in nahezu jeder Produktkategorie gestiegen ist, ist es proportional schwieriger geworden diese zu benutzen. Dies gilt insbesondere im Automotive Bereich, welcher von Effektivität, Sicherheit und Anforderungen an die Emission getrieben ist. Bisher vorhandene Sensor Technologien sind nicht geeignet, all diese neuen und strengeren Anforderungen zu erfüllen. Dieser Umstand spornt die Entwicklung einer neuen Sensorart an, die auf Mikrosystemen basieren. Die neuen Sensoren sind kleiner, leichter, robuster, günstiger und benötigen weniger Energie, produzieren aber dennoch kleinere und nichtlinearere elektrische Signale als ihre größeren Gegenstücke.

Während die Ausgabequalität von Wandlern sinkt um die Anforderungen der Anwendungen zu erfüllen steigen die Systemanforderungen wie Messbereich, Genauigkeit, Geschwindigkeit und Stromverbrauch weiter an. Dies quetscht die Leistung der Sensor Signal-Aufbereitungsmodulen (englisch: sensor signal conditioner, kurz SSC) an beiden Enden aus und macht das Designen neuer SSCs exponentiell schwieriger.

"Flexibilität ist eines der Hauptmerkmale der nächsten SSC Generation."

Die nächste Generation kommt zur Hilfe

In gleiche Weise wie durch die steigenden Anforderungen die Entwicklung der neuen Sensor Art vorangetrieben wurde, entwickelt das Zentrum Mikroelektronik (ZMDI) eine neue Generation von SSC Produkten und Technologien und stellt diese auf dem Sensormarkt vor. Dieser Artikel beschreibt einige der wichtigsten und vorteilhaftesten neuen Merkmale dieser neuen SSCs.

Flexibilität ist wunderbar

Flexibilität ist eines der Hauptmerkmale der nächsten SSC Generation. Die Typen und Kombinationen der physikalischen Messgrößen welche für Produkte gemessen werden müssen, wächst rapide und neue SSCs müssen eine schnellere Entwicklung von komplexen Sensormodulen, die wenige Bauteile enthalten, erleichtern und eine Benutzerschnittstelle anbieten, die leicht zu erlernen und zu benutzen ist. Dies erfordert eine Signal-Schnittstelle, die für einen großen Bereich an Signalen konfigurierbar ist, sowie einen korrekten Algorithmus, der weitaus komplizierter ist, als eine Kurvenanpassung mit Hilfe eines Polynoms des zweiten oder dritten Grades bietet, welche bei vorherige SSC Generationen zum Einsatz kommt. Ein Beispiel: Eine einfache Applikation erfordert zwei Temperatureingaben, eine davon eine Diode, die andere ein Thermoelement, sowie zwei resistive Druckbrücken mit sehr stark veränderbaren Ausgangspegeln, die beide linearisiert und kalibriert werden müssen.

Flexibilität wird jedoch nicht nur bei den Signalarten und Signalbereichen benötigt. Eine andere Dimension der Konfigurierbarkeit wird bei Prozessen der Signalverarbeitung benötigt. Üblicherweise müssen manche Signale mit einer sehr viel höheren Rate erfasst werden wie andere und die Quantifizierung sowie der richtige Algorithmus müssen schnell, von einer Messung zur anderen, sowie durch Programmierung veränderbar sein. Weiter ist es manchmal nötig, zwischen den Signalen mathematische Operationen durchzuführen. Dies kann beispielsweise die Subtraktion zweier einkommender Drücke sein, um die Differenz dieser am Ausgang auszugeben. Der SSC muss eine vom Benutzer programmierbare Sequenz generieren, die den Eingang in einer definierten Reihenfolge und Geschwindigkeit abtastet, jedes Signal entsprechend dem vom Benutzer festgelegten Kalibrierungsalgorithmus korrigieren und die aufbereiteten Ausgaben in einen geordneten Datenstrom zusammenführen.

Letztendlich muss Flexibilität die Anzahl und Art der Ausgangssignale sowie die Protokolle umfassen. Weiter treiben Zuverlässigkeit, Sicherheit, Gewicht und Lärmschutz Auflagen die Erfindung neuer innovativer Ausgangsprotokolle, wie beispielsweise die Single-Edge Nibble Transmission (kurz SENT), die im Automotive Umfeld eingesetzt wird, an. Die nächste SSC Generation muss neue Schnittstellen wie SENT genauso unterstützen wie die traditionellen Ein-Kabel Lösungen und seriellen Schnittstellen wie I2C und SPI. Genau genommen wird die SENT Schnittstelle nur für die Ausgabe der Daten genutzt und benötigt zum Konfigurieren und Kalibrieren des SSCs eine zusätzliche Schnittstelle wie I2C.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der nächsten SSC Generation ist, dass diese mit Selbsttest und Diagnose Funktionalitäten ausgestattet sind um kritische Sicherheitsstandards zu erfüllen, wie beispielsweise dem Automotive Safety Integrity Level (ASIL), der aus dem Automotive Umfeld stammt. Diese Anforderungen beinhalten das Entdecken und die Benachrichtigung bei Kurzschlüssen und Offenen Schaltungen, Parameter, die außerhalb des zulässigen Bereichs liegen, alternden Sensoren sowie überhöhter Luftfeuchtigkeit. Zusätzlich zu den genannten Funktionen muss der SSC Fehlertolerant gegenüber Kurzschlüssen zur Erdung oder der Betriebsspannung, einer Überspannung des Netzteils oder einer umgekehrten Batteriepolarität sein.

"Ein höchst effektiver und leistungsstarker Computer mit reduziertem Befehlssatz koordiniert zahlreiche Kontroll - und Rechenaufgaben."

  

Abbildung 1. Ein Beispiel Blockdiagramm eines SSCs der nächsten Generation von ZMDI.

 

Zusammenfassung

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm eines SSCs der neuen Generation. In diesem speziellen Fallen unterstützt der SSC zwei Eingänge für Temperaturen – einer mit Eingangswiderstand, der andere mit einer Diode – sowie zwei resistive Eingangsbrücken. Die Signalaufbereitung beinhaltet die Überprüfung des Sensors und Gleichtaktkorrekturen (SCCM), Multiplexing (MUX), programmierbare Verstärker (PGA), die sich von 1 bis 200 Volt regeln lassen, sowie einem Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einer regelbaren Abtastrate und Auflösung von 12 bis 18 Bit.

Der SSC in Abbildung 1 ist anderen derzeit erhältlichen SSCs ähnlich, das größte Potenzial und Flexibilität ist jedoch im Kalibrierungsmikrocontroller (CMC) zu finden. Ein hocheffizienter und leistungsstarker Computer mit beschränktem Befehlssatz (RISC) steuert die Vielzahl der Kontroll- und Rechentätigkeiten, um die enorme Flexibilität bereitzustellen, die bei der neuen SSC Generation benötigt wird. Der Kontroller führt mehrere Ausgangsdatenpakete in einen strukturierten Stream zusammen. Dieser kann in einer Vielzahl von analogen oder digitalen Formaten ausgegeben werden. Der Ablauf der Aufgaben des RISC Computers besteht aus drei Hauptteilen: Messen, Aufbereiten und Ausgeben. Der Arbeitsschritt Messen beinhaltet unter anderem das Auswählen des Multiplexer Eingangs und Signalpolaritäten, die Verstärkung und die Verschiebung des Signalpfades, die Geschwindigkeit und Auflösung des Größenwandlers und weitere Aufgaben wie beispielsweise die automatische Nullstellung der Verstärkungsstufen. Die Ausgabewerte aller Hauptmessaufgaben werden in Register gespeichert um diese im Aufbereitungsschritt verarbeiten zu können. Diese Aufgaben reichen von einfachen Verschieben und Synchronisieren bis hin zu einfachen mathematischen Funktionen wie addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren sowie komplexen Funktionen wie Logarithmen, Polynomauswertungen, Spline-Kurven-Anpassungen und digitaler Filterung. Die Ausgabeaufgaben beinhalten die Synchronisierung der Datenströme, Formatierungen, Zusammenführungen, Fehlererkennung beim Enkodieren und Sicherheitsmerkmale wie Redundanz oder Umkehrung.

Der SSC, der in Abbildung 1 zu sehen ist, bietet die Möglichkeit, 20 Messungen und 62 Aufbereitungen gleichzeitig auszuführen, was dazu führt, dass man mehrere tausende unterschiedliche Kombinationen von Signalverarbeitungssequenzen für jeden der vier Eingänge einstellen kann. Die Anzahl der Ausgangsaufgaben variiert und kommt stark auf die Art der Ausgaben an, für ein kompliziertes Protokoll wie SENT kann diese Dutzende betragen.

Leicht gemacht

Allerdings ist es äußerst wichtig, dass die Flexibilität, Leistungsfähigkeit und Komplexität des SSCs der nächsten Generation den System Designern beim Implementieren eine mit der Leistung der Sensoren verglichen niedrige Zeit sowie wenige Materialien kostet. Das Beispiel, das in Abbildung 1 gezeigt ist, ist aus einer Produktfamilie die vom Hersteller mit einer entsprechend dem Einsatzzweck vorkonfigurierten Firmware ausgeliefert wird. Alle Messungen, Aufbereitungen und Ausgaben sind bereits programmiert, deshalb muss sich der Designer nur auf das Festlegen der Verstärkung, Auflösungs- und Kalibrierungskoeffizienten für den korrekten Algorithmus konzentrieren muss. Diese lassen sich alle mit einer Software einstellen, die einfach zu benutzen ist und für jedes Bauteil dieser Produktlinie gleich ist. Sollte bei speziellen Einsatzzwecken eine Änderung der Firmware notwendig sein, ändert der Hersteller diese ab, die voreingestellte Konfiguration deckt jedoch die meisten Einsatzszenarien ab. Zusätzlich sind Mitglieder einer Produktfamilie für verschiedene Anzahlen und Arten von Eingängen und Ausgängen optimiert und für den vorgesehenen Einsatz vorkonfiguriert.

Letztendlich gibt es jedoch ein Merkmal, dass nicht flexibel sein soll: die Benutzeroberfläche, welche die physikalischen Dimensionen, die Lage der Pins und Kontaktstellen aufzeigt und die Software Benutzerschnittstelle enthält. Die in Abbildung 1 veranschaulichte Produktfamilie hat eine standardisierte Gehäusegeometrie und Belegung der Pins, sowie eine Software Benutzerschnittstelle um die Kosten, Zeit und Rohstoffe, die für das Platinen Layout und Kalibrieren notwendig sind, niedrig zu halten und die Lernkurve schneller ansteigen zu lassen.

"Die Benutzerschnittstelle der nächsten SSC Generation sollte nicht flexibel sein."

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