Università degli Studi di Siena Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

1. Università degli Studi di Siena Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione IEEE 1451: Recente standard per trasduttori intelligenti - Applicazioni. Nicola Ulivieri Siena - Ottobre 2001

2. SOMMARIO • Introduzione • Descrizione standard IEEE1451 • Applicazioni : • sensori chimici ‘smart’ per la ricerca IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

3. Output to host input from host Transducer (sensor or actuator) Signal conditioning /amplification Signal conversion Microcontroller unit or logic circuit SENSORI INTELLIGENTI Conversione del segnale grezzo del sensore in un livello o forma che lo renda più conveniente da usare. Il termine “Smart sensor” (sensore intelligente) è stato adottato nella metà degli anni ‘80 [1]. • 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. Oggi sono richieste al trasduttore caratteristiche supplementari per essere considerato ‘Smart’. 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. [1] Frank, R., “Understanding Smart Sensors”, Artech House, Norwood, MA, 1996. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

4. IEEE1451 - Obiettivi 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. • Scopo principale dell’IEEE1451 è quello di fornire i mezzi per realizzare facile intercambiabilità dei trasduttori e loro inter-operabilità attraverso la reti. • Lo standard non impone requisiti su quali dispositivi elettronici usare. Riduzione dello sforzo dell'industria a migrare verso lo standard. 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). IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

5. IEEE1451.2 – Smart Transducer Interface Module L’IEEE 1451.2 definisceun 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. • 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. • Connessione punto-punto. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

6. IEEE1451.1 – Network Capable Application Processor L’IEEE 1451.1 definisce lo standard per la connessione del modulo STIM alla rete. • 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). IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

7. IEEE1451.3 - Transducer Bus Interface Modules . L’IEEE1451.3 definisce un bus multidrop. • L’IEEE1451.3 può essere considerato un’estensione del 1451.2. • Ancora in fase di definizione. • Esigenza delle aziende di sistemidistribuitimultidrop  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. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

8. IEEE1451.4 -Mixed-mode Transducer and Interface . 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 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. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

9. Applicazione Facendo uso dello standard appena descritto IEEE1451, sistemi distribuiti di misura e controllo possono essere progettati e sviluppati facilmente. 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. Bagno termostatato Sensore di CO Allarme IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

10. Interesse - 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 C • Cognisense Smart Sensor con accellerometro (EDI520) • Brüel & Kjær  Accellerometro e microfono 1451.4 compliant • 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. • Nestlé Research Center • FIAT, Centro Ricerche • Telecom Italia • Alpha MOS IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

11. QCM sensor Metal Oxide sensor Moduli STIM per sensori chimici • 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. • 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 • Temperatura non controllata • Segnale di eccitazione fissato • Parametro letto: resistenza • Richiesta alimentazione esterna IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

12. TEDS Campi principali del TEDS • 1 Meta TEDS per STIM • 1 Channel TEDS + 1 Calibration TEDS (opzionale) per Canale IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

13. Calibrazione modello e es: 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). Multinomial (multivariate polynomial) I coefficienti di correzione sono letti dal TEDS e resi disponibili al motore di correzione presente nell’NCAP. Es: Termistore: RT Sonda PH: I,TPH Sensore chimico: R,RH,Temp,ecc.ppm Esempio nel caso a 2 dimensioni (2 input) IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

14. 1.1 TGS2610 1 3 0.9 2 0.8 4 0.7 Normalized impedance (Z/Zo) 1 0.6 3 0.5 0 Principal component 2 2 0.4 0.3 -1 1 Principal Component 2 0.2 -2 0.1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Time (s) -3 -1 1.5 TGS2610 1 -4 -2 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0.5 Principal component 1 0 -3 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -0.5 Principal Component 1 -1 (Z-Zm)/Zmax -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time (s) Modulazione Temperatura Necessità del controllo della temperatura Maggiore selettività Misura più veloce Ricerca dei profili Elettronica complessa IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

15. Sensori per la ricerca • 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. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

16. Architetture di interconnessione • 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 IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

17. Architetture di interconnessione 2 • Utilizza gli standard approvati 1451.1 - 1451.2 • Struttura versatile • Molti NCAP • Possibili ritardi nel trigger dovuti alla rete. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

18. Architetture di interconnessione 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. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

19. CONCLUSIONI L’adozione di uno standard permetterebbe: • 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 IEEE1451 Siena - Ottobre 2001

20. INTRODUZIONE • 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’. • 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. • 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. IEEE1451 Siena - Ottobre 2001