I sensori intelligenti dispongono di funzionalità e caratteristiche che permettono di estendere i campi applicativi della tecnologia tradizionale dei sensori. I sensori intelligenti in particolare consentono di implementare funzionalità avanzate come il “data sheet elettronico”, l'autoidentificazione, la calibrazione intelligente, la preelaborazione dei dati, le funzioni di comunicazione per il monitoraggio remoto e la configurazione da remoto. Questa peculiarità dei sensori intelligenti è particolarmente interessante per i system integrator, particolarmente sensibili all'esigenza di minimizzare i costi del sottosistema di acquisizione e i tempi e le procedure di setup. La tecnologia dei sensori intelligenti è anche di particolare interesse per produttori di sensori che trovano in questa classe di dispositivi innumerevoli occasioni per creare valore aggiunto, trasferendo in tali tecnologie il know-how sviluppato in altri campi dell'elettronica (digitale e mixed-signal). La possibilità di mettere in rete i sensori intelligenti costituisce un'ulteriore occasione per gli sviluppatori per soddisfare applicazioni prima proibitive, soprattutto in ambito embedded. Man mano che il costo dei sensori e dei microcontrollori scende, aumentano le opportunità di integrazione di queste due tecnologie, rendendo in tal modo indistinguibile il confine tra la semplice trasduzione di grandezze fisiche in grandezze elettriche e la relativa elaborazione. Grazie a questa integrazione, le applicazioni di natura embedded hanno avuto un enorme sviluppo negli ultimi anni, in quanto non solo è stato possibile sostituire innumerevoli funzionalità meccaniche con le equivalenti elettroniche, ma soprattutto è stato possibile ottenere funzionalità prima nemmeno immaginabili in termini di efficienza funzionale ed energetica. Svariati campi applicativi stanno traendo grandi vantaggi dalla tecnologia dei sensori intelligenti. Oltre al ben noto settore della robotica, altri settori come quello automotive e quello degli automatismi industriali, sono in questo momento particolarmente attenti a questa tecnologia. In particolare i sistemi semiautomatici si avvalgono di numerosi e vari sensori intelligenti, che consentono di interagire con le persone e il mondo esterno ad alto livello e conseguentemente di gestire a basso livello le operazioni di controllo.
Come sono i sensori intelligenti?
I sensori intelligenti sono il risultato dell'integrazione tra sensore e funzionalità di elaborazione e comunicazione. La funzionalità di elaborazione del sensore intelligente può essere di natura analogica (amplificatori, filtri, convertitori tensione/frequenza, convertitori frequenza/numerico, ecc.) e di natura digitale, cioè basata sull'implementazione di algoritmi di linearizzazione e di auto calibrazione. La funzionalità di elaborazione analogica è stata introdotta all'inizio, quando sono stati realizzati i primi dispositivi sensore intelligente. L'obiettivo di questa elettronica analogica era quello di implementare la necessaria elettronica di equalizzazione. La successiva integrazione di funzionalità mixed-signal e numeriche sullo stesso incapsulamento ha consentito di realizzare sensori intelligenti con integrata all'interno funzionalità digitali come le memorie non volatili, i convertitori analogico/digitali, i convertitori digitali-analogici, le porte di comunicazione seriale, ecc. Grazie a queste funzionalità, i sensori dispongono di funzionalità di elaborazione di segnale e di comunicazione prima disponibili solo sui microcontrollori. Grazie a queste funzionalità aggiuntive, i sensori non solo diventano intelligenti, ma anche multi-sensoriali, cioè sono in grado di implementare e di gestire numerosi sensori (per esempio array di microfoni), e anche multisensoriale, cioè capaci di eseguire misure di natura differente tra loro (temperatura, pressione, umidità, ecc.). Grazie alle capacità di comunicazione integrate, il sensore intelligente multiplo rende disponibile la misura sensoriale su richiesta del sistema di acquisizione dati.
Perché i sensori intelligenti
Due sono le principali motivazioni che spingono lo sviluppo dei sensori intelligenti: rendere questi più precisi nella misura delle grandezze fisiche e fornire misure significative per l'applicazione che ne fa uso. Ottenere una maggiore precisione di misura per un sensore, significa correggere una serie di comportamenti che questo ha relativamente al processo di trasduzione, in particolare le manifestazioni di non linearità. In questo caso l'integrazione di intelligenza nel sensore consiste nell'affiancare al sensore un sistema di elaborazione della misura che consente di correggere i comportamenti non ideali di questo. In questo caso il livello di intelligenza integrato nel sensore si limita a funzionalità di signal processing (filtraggio, equalizzazione, amplificazione, ecc.). Ottenere misure significative per un sensore significa agire sulla grandezza misurata in modo da validarne il valore in tutte le condizioni operative, in particolare quelle critiche. In questo caso il sensore può avvalersi a sua volta di altri sensori per determinare in maniera affidabile il valore della misura. Il livello di intelligenza di cui necessita il sensore in questo caso è più complesso e consiste soprattutto di funzionalità tipiche dei microcontrollori (Cpu, memoria, periferiche, ecc.).
Un caso particolare, ma comunque significativo, è quello dei sensori multipli, cioè di sensori che forniscono contemporaneamente numerose tipologie di misura e altre informazioni derivate dalla correlazione delle singole misure. Questa tipologia di sensori è particolarmente interessante per le applicazioni automotive, dove il livello di intervento manuale deve essere ridotto al minimo, ma allo stesso tempo l'affidabilità deve essere elevata.
Sensori che integrano componenti analogici avanzati
Una classe di sensori intelligenti che trova nell'elettronica analogica avanzata quegli elementi funzionali che consentono di ottenere prestazioni superiori a quelle messe a disposizione dalla tecnologia di base dei sensori è costituita dai sensori di pressione. Questi dispositivi convertono valori fisici come la pressione dei gas e dei fluidi, il peso che agisce su una superficie, la forza, ecc., in un segnale analogo nel dominio elettrico (dell'ordine di grandezza dei mV). Le tecnologie utilizzate sono thick-film, piezo-resistivo, ceramico. I piezo-resistivi sono quelli più economici e capaci di coprire una gamma di misura abbastanza ampia (dai millibar ai bar). Il basso costo di questi dispositivi si paga in termini di comportamento fortemente non lineare, elevato offset e non stazionarietà dell'offset stesso. Il condizionamento del segnale del sensore diventa quindi una parte integrante del sensore stesso in quanto esegue le funzioni necessarie alla calibrazione, alla compensazione delle variazioni di temperatura, ad adattare la scala e a eseguire le operazioni di linearizzazione.
Un sistema completo di condizionamento del sensore ad alta precisione (fino a 24 bit), implica l'impiego di innumerevoli componenti di natura analogica, digitale e mixed-signal. Il circuito di linearizzazione è programmabile tramite codici memorizzati in memorie non volatili (Eeprom). L'utilizzo di dispositivi programmabili molto avanzati, come il PGA309 di Texas Instruments consente di ridurre considerevolmente la complessità del sistema di condizionamento del segnale.
Sensori che integrano un core processor
Una delle soluzioni più avanzate nella realizzazione di sensori intelligenti è quella di integrare all'interno del sensore un core processor più o meno avanzato. L'obiettivo in questo caso è quello di implementare all'interno del sensore stesso algoritmi abbastanza sofisticati per l'elaborazione del segnale oggetto di misura da parte del sensore stesso, e allo stesso tempo di implementare strategie di comunicazione che permettono allo sviluppatore di realizzare applicazioni avanzate.
Il sensore di livello della batteria sviluppato da Analog Devices integra all'interno del dispositivo un core ARM7TDMI ad architettura Risc 16/32 bit. Oltre al core processor, il dispositivo sensore integra anche 96 kByte di memoria Flash e 6 kByte di memoria Ram statica e una serie di risorse di comunicazione (Lin 2.0 via Uart), Spi e Gpio. Ovviamente, dovendo processare in forma digitale la misura, dispone di un Adc sigma-delta a due canali con campionamento simultaneo capace di campionare fino a 8 kHz. Il dispositivo, ADuC7036 è una soluzione completa per il monitoraggio della tensione di batteria nei sistemi automotive a 12 volt. Questo integra tutto quanto serve a monitorare, elaborare e diagnosticare i parametri di alimentazione (corrente, tensione e temperatura) in maniera precisa e intelligente. Il risultato di questo approccio, che sposta nel sensore le risorse di elaborazione, è quello di minimizzare la componentistica esterna al sensore. Il microcontrollore Arm integrato nel sensore viene utilizzato per processare i valori misurati della batteria e allo stesso tempo per gestire la comunicazione verso il sistema centrale di controllo attraverso la rete locale di interconnessione (Lin). Analog Devices rende disponibile una famiglia di dispositivi denominata Precision Analog Microcontroller, ADuC706x che integra il core ARM7 e una serie di risorse di elaborazione analogica e mixed-signal delle misure. Queste consentono di implementare su un singolo chip la parte intelligente del sensore, cioè quella che, tramite l'applicazione di algoritmi di elaborazione del segnale, permette di realizzare misure lineari e precise di grandezze fisiche e allo stesso tempo di implementare schemi di monitoraggio delle misure multisensoriali, distribuite e adattative. L'integrazione tra sensori e core processor che porta alla realizzazione di sensori intelligenti è affrontata in vario modo dai produttori di microelettronica. Un approccio opposto a quello del sensore che integra un core di Mcu è quello della Mcu che integra il sensore al suo interno. Un esempio di microcontrollore mixed-signal che integra al suo interno un sensore (di temperatura) e la necessaria elettronica mixed-signal per processare la misura è il MSP430 di Texas Instruments. Questo microcontrollore Risc ad architettura ortogonale integra al suo interno (MSP430F2x13) un convertitore a 16 bit sigma-delta che gestisce i suoi ingressi attraverso un multiplexer a 8 ingressi, di cui uno è cablato sulle uscite di un sensore. I dati misurati dal sensore sono convertiti in digitale dal convertitore sigma-delta e quindi resi disponibili alla Cpu del MSP430 per essere processati secondo algoritmi user-defined. In questo caso il livello di intelligenza del sensore viene definito dallo sviluppatore.
Sensori intelligenti e Mems
I sensori intelligenti e i Mems (Micro Electrical Mechanical Systems) sono di grande interesse per numerosi campi applicativi in area industriale, in particolare per la potenzialità che queste due tecnologie evidenziano in termini di integrazione. La combinazione delle tecnologie sensoriali con quelle del processing e dell'attuazione a livelli microscopici consente di realizzare dispositivi di trasduzione ulteriormente più avanzati degli stessi sensori intelligenti. I sensori intelligenti integrati con i Mems consentono di realizzare sistemi completi di trasduzione su singolo chip applicabili in campi particolarmente sensibili alle dimensioni e ai costi dell'applicazione finale. Fino agli inizi degli anni '90 gli accelerometri Mems erano essenzialmente limitati alla funzione sensoriale, mentre la circuiteria di elettronica a supporto e quella di interfaccia verso i microcontrollori erano forniti separatamente. Negli anni '90 lo Ieee (Institute of Electrical and Electronic Engineering) ha focalizzato i suoi sforzi di standardizzazione proprio nella direzione della funzionalità intelligente da aggiungere ai sensori. Gli accelerometri Mems sono i più noti tra i dispositivi sensori che operano misure di natura meccanica che integrano funzionalità avanzate. Un primo dispositivo Mems che ha integrato su singolo chip il sensore a tre assi e un'interfaccia verso il sistema applicativo è stato il LIS3L02 di STMicroelectronics. L'interfaccia integrata all'interno del dispositivo è una SPI/I2C, ma oltre tale funzionalità, il dispositivo è in grado di interagire con un sistema tramite una logica di controllo a interruzione di tipo programmabile. Dal lato mixed-signal, il dispositivo integra tre convertitori A/D abbinati ad altrettanti filtri di ricostruzione. La parte sensore è invece basata sulle variazioni di capacità in conseguenza del moto o dell'inclinazione. Le variazioni di capacità conseguenti vengono digitalizzate dai convertitori A/D.
Sistemi di acquisizione per sensori intelligenti
I sistemi di acquisizione dati usano i sensori come periferiche analogiche. I sensori intelligenti rappresentano un elemento di innovazione relativamente alla modalità di interfacciamento con il sistema Daq. Il nuovo standard Ieee 1451.4 è stato recepito dai produttori di hardware e di software Daq. National Instruments utilizza una piattaforma comune Teds per garantire l'interoperabilità nell'accesso a dispositivi che sono compatibili con lo standard Ieee 1451.4. Il suo software di acquisizione dati, NI-DAQmx e l'ambiente di sviluppo grafico LabView, sono stati aggiornati proprio per utilizzare la tecnologia Teds ed essere compatibile con i sensori plug&play. Tale software è completamente compatibile con lo standard Ieee 1451.4 per i sensori Teds intelligenti. La funzionalità di lettura del Teds è precostituita in Max (Measurement & Automation Explorer), in Daq Assistant e nelle librerie LabView. NI-DAQmx mette a disposizione l'interfaccia per leggere i dati da un sensore e scalare tali dati in maniera automatica su una unità funzionale, eliminando in tal modo il processo manuale di inserimento dei parametri da un data sheet. La lettura di dati da Teds è integrata in Max, mentre è a controllo di programma in LabView. Teds può essere letto, ma anche scritto e modificato.
Componentistica intelligente per sensori
Oltre all'approccio di natura system-on-chip nella realizzazione dei sensori intelligenti, c'è anche un approccio basato sulla realizzazione di componentistica avanzata per la realizzazione di sensori intelligenti partendo dal sensore di base. In pratica si tratta di componenti che integrano in un unico chip la funzionalità necessaria al sensore intelligente, tranne il sensore stesso. Un esempio di tale soluzione è MAX1460 di Maxim, un signal conditioner completamente digitale applicabile ai sensori per compensarne gli errori. MAX1460 è un componente ad elevata integrazione inteso a svolgere la funzione di condizionamento del segnale per una vasta gamma di sensori, in particolare quelli basati sul classico ponte Wheatstone. Il dispositivo include un amplificatore a guadagno programmabile, un convertitore a 16 bit, una serie di registri interni sia per la misura, sia per la configurazione e correzione del comportamento del sensore. Tutti questi registri sono accessibili da parte di un processore digitale di segnale a 16 bit. Questo a sua volta dispone di tutte le risorse necessarie per essere programmato (Rom istruzioni) e delle funzionalità di comunicazione necessarie a scambiare dati e informazioni con l'esterno. Di particolare interesse è la disponibilità del convertitore digitale-analogico, che consente a questo dispositivo di poter comunicare anche informazioni in formato analogico. Un'interfaccia a 16 bit consente al dispositivo di interfacciarsi verso l'esterno per le necessarie funzioni di controllo. La memoria Eeprom permette di tenere tutte le informazioni di configurazione e di taratura in maniera non volatile e aggiornabile dall'esterno.
Programmare facilmente i sensori intelligenti
I sensori intelligenti affidano molta della loro funzionalità avanzata a sistemi di natura programmabile, in particolare le Mcu. Chi si occupa di questa attività di programmazione (algoritmi di signal processing, calibrazione e comunicazione) della Mcu non sono programmatori, ma ingegneri elettromeccanici o ingegneri dell'automazione. Questi non hanno l'esperienza del programmatore (ingegnere elettronico o informatico) e conseguentemente esitano nel ricorrere a soluzioni di natura programmabile in campo sensoriale, malgrado queste soluzioni siano in grado di offrire evidenti vantaggi: elevata integrazione, flessibilità, ecc. L'aspetto poco amichevole della componente intelligente dei sensori, quando è basata su architetture di computing digitale, scoraggia lo sviluppatore, soprattutto se di cultura “analogica”. Sicuramente tali sviluppatori sono però abituati a utilizzare strumenti di sviluppo assistiti da calcolatore in svariate fasi della progettazione, anche quella più strettamente analogica. La disponibilità di uno strumento di progettazione grafica della componente intelligente del sensore è conseguentemente accettata positivamente dagli sviluppatori ingegneri elettromeccanici e automatici. STMicroelectronics ha reso disponibile un toolbox, ST6-Realizer, che consente la descrizione grafica del sistema, la generazione automatica del codice di programmazione, la simulazione e il debug. Il tool si applica alla famiglia di microcontrollori ST52 proprio in quanto caratterizzata delle risorse di sistema tipicamente utili alla realizzazione della parte “intelligente” dei sistemi sensoriali: dispone di convertitori A/D, è capace di produrre correnti elevate in uscita ed è incapsulato in un piccolo package, condizione questa molto interessate per ottenere realizzazioni molto compatte dei sistemi sensore intelligenti. L'aspetto più interessante di questo strumento di sviluppo è il sistema grafico di modellazione del sistema di elaborazione front-end del sensore. Il linguaggio grafico di descrizione è di natura system-oriented, basato su simboli che rappresentano funzioni come l'Input/Output, gli operatori logici e aritmetici, i dispositivi di temporizzazione e quelli di sequenzializzazione. La descrizione grafica consiste nella decomposizione dell'applicazione in funzioni di base come la conversione analogico/digitale (A/D), il riferimento di tensione, le unità di calcolo, ecc. e altre unità funzionali che il sistema mette a disposizione in forma grafica interconnettibile. La generazione dello schema di elaborazione del segnale sensoriale porta alla cosiddetta catture dello schema (schematics capture) che consente eseguire l'analisi funzionale e la generazione del codice simbolico (macro-assembler) e del conseguente codice binario eseguibile dal microcontrollore. La generazione del codice è quindi una operazione completamente trasparente per lo sviluppatore, il quale si limita praticamente a eseguire solo un'azione di comando dell'esecuzione. Il controllo funzionale del codice prodotto è ottenuta tramite simulazione. Gli input del sensore possono essere simulati e i risultati nei vari punti della catena di elaborazione sono osservabili ai fini della validazione. Alla fine dell'intero processo di validazione il progettista ottiene un codice binario eseguibile dal microcontrollore che può essere fissato nella memoria non volatile allo scopo di rendere custom la componente di controllo del sensore integrando quest'ultimo nel progetto finale. L'utilizzo di un simile tool consente all'ingegnere elettromeccanico e automatico di concentrarsi principalmente sulla componente sensoriale e allo stesso tempo di ricorrere alla tecnologia digitale per la realizzazione della componente intelligente del sottosistema sensoriale, senza devastanti impieghi di tempo legati alla conoscenza del sistema digitale e della relativa programmazione.
Sensori Plug&Play: Ieee 1451.4 standard
Una delle problematiche applicative dei sensori riguarda la configurazione. Il nuovo standard Ieee 1451.4 risolve questa problematica e consente di realizzare la cosiddetta funzionalità plug&play tipica dei dispositivi digitali. Alla base di questo standard c'è la definizione di un meccanismo che consente di aggiungere al sensore la sua auto descrizione attraverso un'interfaccia mixed-mode (analogica e digitale). Il sensore viene a disporre di un data sheet elettronico (Teds) in cui è riportata tutta la descrizione funzionale del sensore. Il Teds è accessibile al sistema di acquisizione dati, consentendo a questo di identificarlo e configurarsi automaticamente. Lo standard Ieee 1451.4, denominato “Mixed-Mode Interface for Smart Transducers”, definisce il meccanismo per aggiungere la tecnologia di auto identificazione ai sensori e agli attuatori. A tale standard hanno contribuito sia i produttori di sensori, sia i produttori di software di acquisizione dati, oltre a importanti utilizzatori finali. Un sensore che è conforme a questo standard si identifica come Ieee 1451.4 smart Teds sensor, indicando con Teds il fatto che il sensore contiene una memoria con tutte le informazioni identificative (produttore, numero di serie, modello, gamma di misura, sensibilità e dati di calibrazione) accessibile tramite interfaccia seriale. Rispetto ad altre tecnologie che consentono di eseguire la connessione automatica del sensore al sistema di sviluppo, i sensori Teds affiancano all'interfaccia digitale anche quella analogica (mixed-signal interface). Il Teds può essere interno al dispositivo sensore su una memoria non volatile (tipicamente una Eeprom), oppure esterno al dispositivo su un file. La struttura del Teds consiste di tre sezioni di una tabella di dati: basic Teds, estended Teds e user area. L'interfaccia mixed-signal può essere utilizzata in due modi diversi, detti Classi (Classe 1 e Classe 2). La modalità Classe 1 è quella più semplice in quanto consente di accedere ai dati analogici (segnale del sensore) e a quelli digitali (dati Teds) in modalità commutata su una sola linea di interfaccia tra sensore e sistema di acquisizione. La modalità Classe 2 implica un'interfaccia a più linee, parte di natura analogica e parte di natura digitale. Questa è la modalità che consente di rendere conformi a questo standard anche sensori esistenti, in quanto la componente digitale Teds è completamente separata da quella analogica del sensore. Inoltre, l'interfaccia digitale è quella standard a 1 filo definito da Maxim/Dallas. La disponibilità di memorie Eeprom seriali a 1 solo filo, consente di rendere compatibile con lo standard qualsiasi sensore a costi minimi. La definizione del Teds (data sheet elettronico) ha rappresentato un importantissimo passo avanti nell'evoluzione dei sensori, soprattutto quelli intelligenti, in quanto, indipendentemente dal fatto che il Teds sia su una memoria non volatile integrata nel dispositivo sensore oppure che sia fuori dal dispositivo (in un file del sistema di acquisizione dati), la modalità plug&play è sempre disponibile. Il Teds è l'equivalente di un driver di una periferica plug&play per un sistema operativo di computer: quando la periferica viene connessa, prima di tutto i dati identificativi della periferica vengono richiesti alla periferica stessa e se non disponibili sulla periferica vengono cercati nella directory dei driver di periferiche. Se anche la ricerca del file di descrizione della periferica (driver) fallisce (il driver non è nel computer), allora la ricerca viene fatta su Web, ove lo rende comunque disponibile il costruttore della periferica. Il Teds di un sensore (Ieee 1451.4 compatibile) è disponibile anche su Web.
La disponibilità in rete del Teds apre innumerevoli campi applicativi dei sensori e risolve problematiche come l'impossibilità di integrare l'elettronica digitale con quella del sensore.
