Sensor Technology and Smart Sensors - National Instruments · •I Sensori Plug and Play e National...
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Argomenti
• Andamento degli Smart Sensing• Lo standard IEEE 1451• I sensori IEEE P1451.4 Plug & Play
– Implementazione– Benefici
• I Sensori Plug and Play e National Instruments
Modello generale di un sistema Smart Sensor
TrasduttoreCondizionam
ento del segnale
A/DD/A MCU Interfaccia
segnale
• Signal processing• Correzione• Algoritmo• Salvataggio Dati
Network
• Amplificazione• Compensazione• Filtraggio
• Fisico-- Elettrico(sensori)
• Elettrico- Fisico(attuatori)
Tecnologia degli Smart Sensors
Sistema Tradizionale Sistema Distribuito
Sistema Centralizzato; singolocontrollo di misuraIl Controller accede ad un database locale perl’identificazione e calibrazione dei sensori
Diversi controllori e lettori(PCs, PDAs, etc.)Eterogenea, ad-hoc reteSistema autonomo
L’evoluzione della tecnologia Smart SensorFa
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tività
Integrazione SoftwareTrasduttori tradizionali
Trasduttori Inteligenti
SmartSensors
Sensori“Muti”
L’evoluzione della tecnologia Smart SensorFa
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Integrazione SoftwareTrasduttori tradizionali
Trasduttori Inteligenti
SmartSensors
e
• Mancanza di standard• Tecnologia complessa• Sistemi modulari ed economici
contro sistemi monolitici• Condizioni ambientali dei sensoriSensori
“Muti”
Smart Sensors in Pratica
• Gli Smart Sensor esistono gia nelle reti..– DeviceNet, Profibus, CAN, LonWorks, HART, Fieldbus
COMUNQUE….• Sono richieste le conoscenze del costruttore del SensoreTecnologie della misura, sistemi embedded, e molteplici
protocolli di comunicazione
Smart Sensor Benefici ed OstacoliBenefici per l’applicazione Ostacoli allo sviluppo• Facilità di configurazione
– Riduce le connessioni– Diminuiscono I tempi di setup
• Sistema + affidabile– Auto identificazione– Self test e diagnostica– Conversione ed analisi distribuita
• Valorizzazione della misura– Autocalibrazione– Aumento della qualità e della quantità di
informazioni– Riconfigurazione via software– Facile connessione in rete
• Costi di sviluppo– Ricerca tecnologica– Redesign del prodotto– Networking e software
• Elevati costi di produzione– Materiale– Processi produttivi
• Molto variabile l’esigenza dei sensori• Quale network supportare ?• L’installato si basa sul vecchio standard
tradizionale• Mancanza di standard
L’ IEEE 1451• IEEE 1451 ha come obbiettivo standardizzare gli Smart Sensor• IEEE 1451.2 è stato creato per eliminare l’esigenze di
molteplici protocolli di rete– I produttori di sensori sviluppano il sensore, altre aziende si occupano
dell’integrazione verso gli standard network– E’ richiesto ancora il produttore di sensore per implementare il sistema
di misura– La collaborazione tra NCAP e STIM è malfatta , inefficiente rispetto ad
una soluzione integrata.
IEEE 1451.2 - 1997Transducer to Microprocessor Communication Protocols and TEDS
TrasduttoreCondizionam
ento delsegnale
A/DD/A MCU
Interfaccia di
comunicazione
Analog
• Signal Processing• Algoritimi di conversione• Storing dei dati
• Amplificazione• Compensazione• Filtraggio
• Fisico-- Elettrico(sensori)
• Elettrico- Fisico(attuatori)
TEDS
Smart Transducer Interface Module(STIM)
Network Capable Application Processor (NCAP)
Network
interfaccia10-pin point-to-point
Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)
IEEE P1451.3Comunicazione digitale e formato TEDS per sistemi distribuiti e multidrop
Transduttore Signal Cond.
A/DD/A
TEDS
P1451.3 Interface
Transducer Bus Interface Modules(TBIMs)
Comm. Interface
NetworkMCUBus
Controller
Multi-drop transducer bus
Network Capable Application Processor(NCAP)
Transduttore Signal Cond.
A/DD/A
TEDS
P1451.3 Interface
Transducer Bus Interface Modules(TBIMs)
Potenzialità e limitazioni dello standard IEEE P1451.3• Soddisfa alcune nicchie per sistemi sincornizzati, distribuiti e per misure dinamiche
• Velocità e multi-drop minimizzano I costi di connessione
• I costi di NCAP ammortizzati rispetto ai diversi sensori• MA!! Richiede ancora che che I costruttori di sensoriintegrino le funzioni di misura nel sensore!!
Keep it simple
• Ritorno alle origini: Valore aggiunto senza aumento dei costi– Benefici per applicazione distribuite e non– Minimizza le conoscenze dei costruttori dei sensori– Compatibile con I sistemi gia esistenti
• IEEE P1451.4– Focalizzato sugli aspetti Plug and Play di uno smart sensor
IEEE P1451.4Protocollo di comunicazione Mixed-Mode e formato TEDS
TrasduttoreSignal Cond.
(opzionale)A/DD/A MCU Interfacci
aNetwork
TEDS
Compact Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)
Signal Cond.
Sensore Plug and Play Strumento o NCAP
Mixed-Mode Interface • analog data signal• digital transmission of TEDS
Sensori Plug and Play
IEEE 1451.4 Automatico aggiornamento di tutte le informazioniAutomatico setup del software e dell’ hardwareAutomatico utilizzo delle informazioni di calibrazioneCapacità di storing dei dati
Segnale AnalogicoSensoreIEEE P1451.4
Tesnione, Corrente, Resistenza,..
TrasduttoreTrasduttore
Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)
Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)
(EEPROM)
Mixed-Mode
Digitale (TEDS)000101011111010101010010100100101001
• Costruttore• Modello• Numero seriale• Range di misura• Funzione di trasferimento• Informazioni di
calirazione• Info dell’utilizzatore• …..etc….etc…
Quanto è prezioso il Plug & Play?Prima:
Collegare I sensoriCalibrazione del sensoreInserire nel software le informazioni relative ai sensori utilizzati
– Unità ingegneristica, range, linearizzazioneConfigurare ogni canale di misura: guadagno, range, condizionamento del segnalePronto alla misura
Dopo:Collegare il sensore plug & play al canale di misura− Il sistema di misura rileverà automaticamente il
sensore configurando tutti I parametri.
Pronto alla misura
Quanto è prezioso il Plug & Play?
• Affidabilità delle informazioni relative al sensore– Automatica identificazione del dispositivo elimina errori
umani durante l’inserimento delle informazioni• Gestione delle informazioni del sensore
– Identificazione, Parametri chiave, Calibrazione ed informazioni di scala sono tutti SALVATI nel sensore;
Come lo standard IEEE P1451.4 lavora
• Ad un trasduttore analogico di tipo tradizionale vieneaggiunta una EEPROM che fornisce le informazioni del sensore
• EEPROM utilizza MicroLAN, La quale fornisce i 5 V di alimentazione e i dati in una singola linea
IEEE P1451.4 Classi Hardware• Class 1: Le linee Analogiche e digitali condividono I
collegamenti– Principalmente utilizzato per gli accelerometri ICP a 2 fili
• Class 2: Le linee Analogiche sono untouched in più ci sono 2 linee digitali
• Entrambe le classi sono compatibili con I sensori gia presenti sul mercato ed i sistemi di misura.
IEEE P1451.4 Classi Hardware
TEDSSensing Element
Dispositivi Classe 1 – Shared Wires for Analog and DigitalIEEE 1451.4 Sensor
Analog Signal
Data Acquisition Instrument
Controlled by Current
DirectionDigital Signal
two wires (analog + digital)
Sig Con
Sensing Element
Dispositivi Classe 2 – Independent Digital TEDS InterfaceIEEE 1451.4 Sensor Data Acquisition Instrument
TEDS
Analog SignalSig. Cond.
Digital Signal
two wires(digital)
analog sensor wires
OpzioniIl componente TEDS è facilmente aggiungibile al sensore− Quindi costruttori, systems integrators, laboratori di metrologia ed utilizzatori finali
possono integrare le funzionalità TEDS al sensore
Neltrasduttore
TEDS
Nel connettoreTEDS TEDS
Evoluzione della tecnologia Smart Sensor Fa
cilit
à di
C
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ione
e co
nnet
tività
Integrazione del sensoreTrasduttori tradizionali
Trasduttori inteligenti
• Esiste uno STANDARD• Semplici• Riduzione dei costi di
implementazione• Compatibili con I prodotti già esistenti
P1451.4Sensors
SmartSensors
Sensori“Muti”
Concetti di base dell’implementazione TEDS
• I TEDS data associano il valore ad una tag• EEPROM mantiene un bitstream compresso, spesso < 256 bits• Un file Template è utilizzato per interpretare il TEDS ed
associare il valore con il nome di una tag• Lo standard definisce un set di tag e un set di Templates, ma i
costruttori possono eventualmente crearsene degli altri.
Componenti dei TEDS IEEE P1451.4• Basic TEDS (Richiesto)
– Identifica il costruttore,il modello,ed ilseriale
• Standard TEDS (0 o 1)– Da uno standard IEEE P1451.4 definisce
un templates• Extended TEDS (0 o più)
– Costruttore, utente, o qualcun’altro definiscono un extended templates
• User field (0 o 1)– Informazioni arbitrarie dell’utente
Basic TEDS (64 bits)
Standard TEDS (often <192 bits)
Extended TEDS
Extended TEDS
User Field
Potenziali prodotti NI per l’IEEE P1451.4
• Hardware NI con capacità di lettura da TEDS– Possiamo includere le schede DSA, I FieldPoint™, tutti I
sistemi di condizionamento dei segnali (SCXI,SCC,etc..), schede DAQ ed ovviamente I nuovi prodotti.
• I Vis LabVIEW per leggere dai TEDS• I Vis LabVIEW per creare e scrivere nei TEDS data• Channel Wizard
Dimostrazione Plug-and-Play + DAQScheda DAQ SoftwareCondizionamento dei
segnali
ADC
Digital and Timing I/O
Digital and Timing I/O
1-W
ire In
terfa
ce
(to S
PI)
Voltage InputBridge InputResist. Input
ICP InputSC ModuleSC ModuleSC Module
SC Module…
MUX ADC PCI Interface
PCI Interface
NI-DAQLabVIEW
TEDS R/W/Parse
HMIDAQ
Sensore Plug & Play
Segnale analogico
TEDS
‘1-Wire’ Digital
Il concetto Virtual TEDS
I/O Devices and Controllers
Trasduttore
TEDS 0 1
0-10V
TEDS1 10 0 0
±10 VTrasduttore
TEDS Database
WWW
Sistema di automazione e
misuraSensori Plug & Play
P1451.4 Sensor
Vecchio Standard TEDS.xml
Virtual TEDS
Il Concetto del Channel Wizard Plug and Play Sensors:Facendo il refresh il sensore con il TEDS viene riconosciuto automaticamente e viene creato automaticamente un canale virtualeVirtual TEDS:Quando si crea un nuovocanale virtuale, l’utente scarica le informazioni del sensore da un database, piuttosto che inserirli a mano
Evoluzione della tecnologia Smart Sensor
Sensori“Muti”
Faci
lità
di
Con
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Integrazione SoftwareTrasduttori Trasduttori Inteligenti
• Virtual TEDS: Link al database via Web per ottenere le informazioni TEDS
• I benefici TEDS ottenuti subito• Il percorso al TEDS è + facile• I costruttori di Sensori possono velocemente
supportare i Virtual TEDS con piccoli costi aggiuntivi
P1451.4Sensors
Virtual TEDS
SmartSensors
Plug and Play: Benefici senza Barriere• Easy Configuration
– Reduced wiring– Decreased setup time
• More reliable systems– Self identification– Self test and diagnostics– Distributed conversion and processing
• Improved measurements– Self calibration– Increased quality and quantity of
measurements– Software reconfiguration– Easier networking connectivity
• Development Cost, Complexity– Technology research– Product re-design– Networking and software
• Higher Production Cost– Material– Production Processes
• Widely varying sensor needs• Which network to support?• Installed base of legacy systems
(sensors and instrumentation)• Lack of standardization