Sensor Technology and Smart Sensors - National Instruments · •I Sensori Plug and Play e National...

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Sensor Technology and Smart Sensors

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

cilit

à di

C

onfig

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e co

nnet

tività

Integrazione SoftwareTrasduttori tradizionali

Trasduttori Inteligenti

SmartSensors

Sensori“Muti”

L’evoluzione della tecnologia Smart SensorFa

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C

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conn

ettiv

ità

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

onfig

uraz

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

figur

azio

nee

conn

ettiv

ità

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