Prezentacja programu PowerPoint - Strona główna...
Transcript of Prezentacja programu PowerPoint - Strona główna...
1
Sensory w systemach wbudowanych
Wiadomości wstępne
Kontakt: [email protected]
dr inż. Wojciech Maziarz
Wydział IET, Katedra Elektroniki
C-1, p.301, tel. 12 617 30 39
2
Literatura, źródła Czujniki:
• S.M. Sze, Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons, Inc., 1994
• J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and
Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 2001
• W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors – A Comprehensive Survey, VCH
Verlagsgesellschaft mbH, 1989
• Nadim Maluf, Kirt Williams, An Introduction to Microelectromechanical
Systems Engineering, Second Edition, Artech House 2004
Jacob Fraden, AIP Handbook of modern sensors: physics, design and
applicattions, AIP New York, 1993.
• T. Pisarkiewicz, Mikrosensory gazów, Wydawnictwa AGH, Kraków 2007
• Wybrane sensory gazów. Przewodnik multimedialny: http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/
• Materiały na stronie www: http://home.agh.edu.pl/~maziarz/
3
Literatura, źródła Systemy wbudowane:
• Ed. By Richard Zurawski, Networked Embedded Systems, CRC Press, 2nd
edition, New York, London, Boca Raton , 2009
• Ed. By Richard Zurawski, Embedded Systems Design and Verification, CRC
Press, 2nd edition, New York, London, Boca Raton , 2009
Wireless sensor networks:
Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer, Fundamentals of wireless sensor
networks : theory and practice, Wiley 2010
Czasopismo w internecie:
http://www.embedded.com/design/other/4216560/Embedded-Systems-Design-magazine-archive
4
• Wykład - 30 h
• Laboratorium w formie projektu - 15 h
Prowadzący zajęcia:
dr inż. Cezary Worek ([email protected])
dr inż. Piotr Wiśniowski ([email protected])
dr inż. Wojciech Maziarz ([email protected])
Organizacja zajęć
http://syllabuskrk.agh.edu.pl/2013-2014/en/magnesite/study_plans/stacjonarne-elektronika-i-telekomunikacja-
systemy-wbudowane/module/240-iet-2-209-s-sensory-w-aplikacjach-wbudowanych.pdf?id=27046
Wykłady - terminy
5
Wykład Temat Kto
1 Zajęcia organizacyjne, plan wykładu, podział na grupy. 2h WM
2 Wprowadzenie w tematykę systemów wbudowanych: definicje,
parametry, przykładowe zastosowania, układy pracy, elementy systemu wbudowanego,
wymagania stawiane czujnikom w systemach wbudowanych. Miejsce czujnika w
systemie pomiarowym.
Przypomnienie wiadomości o współczesnych czujnikach: definicje, podział, technologie.
Charakterystyki statyczne i dynamiczne czujników. Pojęcia: czułość, zakres pomiarowy,
rozdzielczość, próg detekcji, powtarzalność charakterystyki, kalibracja, histereza,
stabilność krotko- i długoterminowa, szybkość odpowiedzi, czas życia, dopuszczalne
warunki środowiskowe oraz dopuszczalne wartości graniczne.
2h WM
3,4 Omówienie nowoczesnych czujników półprzewodnikowych stosowanych do wykrywania
wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, w szczególności wytwarzanych w
technologiach mikromechanicznych. Rynek i kierunki rozwoju sensorów i
mikrosystemów. Niskomocowe sensory półprzewodnikowe: akcelerometry, żyroskopy,
czujniki ciśnienia, aktuatory, sensory temperatury (np. termoparowe, złączowe), sensory z
powierzchniową falą akustyczną (SAW), sensory promieniowania elektromagnetycznego
(np. fotoprzewodnościowe, fotowoltaiczne, piroelektryczne, mikroanteny), sensory
chemiczne (w tym CHEMFET i biosensory), sensory w technologii CMOS, czujniki
światłowodowe i optyczne.
4h WM
Wykłady - terminy
6
Wykład Temat Kto
5 Elementy metrologii - teoria pomiaru, jednostki podstawowe, miernictwo elektroniczne,
dynamika układów pomiarowych, liniowe i nieliniowe zniekształcenia w układach
pomiarowych, szumy, elementy analizy widmowej, idealny i rzeczywisty wzmacniacz
pomiarowy, omówienie przykładowych torów pomiarowych, SPICE – użyteczne narzędzie
do analizy torów analogowych.
2h CW
6 Wzmacniacze operacyjnego elektronicznych w układach pomiarowych – wzmacniacz
operacyjny idealny, wzmacniacz operacyjne rzeczywisty, typy i klasyfikacja wzmacniaczy
operacyjnych, podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych, podstawowe
konfiguracje stopni wejściowych i wyjściowych wzmacniaczy operacyjnych.
2h CW
7 Analogowa filtracja sygnałów – klasyfikacja filtrów analogowych o stałych skupionych,
podstawowe konfiguracje filtrów pasywnych, przykładowe realizacje filtrów pasywnych,
filtry aktywne, klasyfikacja filtrów aktywnych, przykładowe realizacje filtrów aktywnych,
wykorzystanie programu SPICE do analizy torów analogowych.
2h CW
8 Praktyczne realizacje torów pomiarowych – analogowa transmisja sygnałów, układy
kondycjonujące dla czujników: termometrycznych (Pt100, Pt1000, termistory,
termopara), światłoczułych, sił, ciśnień i naprężeń, przesunięcia i położenia, tory
pomiarowe w eksperymentach o wysokich wymaganiach - potencjostaty,
pikoamperomierze, pH-metry, pomiary próżni, mega, giga i mikro-omomierze, pomiary
małych i wysokich napięć, pomiary pojemności i indukcyjności, pomiary napięć i prądów
zmiennych.
2h CW
Wykłady - terminy
7
Wykład Temat Kto
Wprowadzenie
Idea działania,
Zastosowania-przykłady
Najczęściej stosowane typy czujników w systemach wbudowanych
Pole magnetyczne
Typy sensorów magnetycznych
1h PW
Sensory Halla
Zasada działania, budowa
Właściwości metrologiczne/parametry (charakteryzacja, kalibracja)
Rodzaje
Przykłady zastosowania czujników w SW
1h PW
Sensory AMR
Zasada działania, budowa
Właściwości metrologiczne/Parametry(charakteryzacja, kalibracja)
Rodzaje
Przykłady zastosowania czujników AMR w SW
1h PW
Dobór czujników do aplikacji
Kryteria doboru
Karty katalogowe- kluczowe właściwości, parametry
1h PW
Wykłady - terminy
8
Wykład Temat Kto
Czujniki inteligentne: definicje, wymagania, standardy, przykłady. Standard IEEE
1451.X obejmujący moduł czujnika inteligentnego (STIM), układ komunikacji
(NCAP), tablicę TEDS, stos serwisowy i komunikacyjny modułów STIM i
NCAP, ramkę transmisyjną, dwu- i wieloprzewodowy interfejs czujnikowy w
standardzie IEEE1451.4.
2h WM
Języki opisu sprzętowego czujników, modelowanie zachowania czujników
(Sensor Model Language – SensorML) i transduserow (Transducer Model
Language – TransducerML).
1h WM
Pojęcie sieci czujnikowej: podział, konfiguracje pracy, wymagania,
zastosowania, przykłady. Systemy sensorowe do ciągłego monitoringu otoczenia.
Problemy związane z zasilaniem sensorowych układów wbudowanych.
2h WM
Laboratorium
9
Strona www: http://home.agh.edu.pl/~maziarz/?Dydaktyka:Sensory_w_systemach_wbudowanych
Login:
Hasło:
Podane na
wykładzie
Laboratorium - terminy
10
Laborat
orium
Temat Data
1 Podział na grupy, rozdanie tematów
2 Spotkanie 1
3 Spotkanie 2
4 Spotkanie 3
5 Spotkanie 4
6 Spotkanie 5
7 Odbiór prac
Strona www: http://home.agh.edu.pl/~maziarz/
Potrzebna lista studentów!
11
• rolnictwo
• budownictwo, inżynieria środowiska
• procesy przemysłowe
• zapewnienie jakości w produkcji
(miernictwo)
• motoryzacja, transport
• lotnictwo i przestrzeń kosmiczna
• medycyna i ochrona zdrowia
• ochrona środowiska, meteorologia
• elektronika osobista
• telekomunikacja, informatyka
• urządzenia domowe,
• przetwarzanie/odzysk energii
• gospodarka morska
• przestrzeń kosmiczna,
• badania naukowe
Zastosowania czujników
Ilość produkowanych sensorów i ich różnorodność ciągle rosną.
12
Wymagania odnośnie współczesnych sensorów:
niska cena
odporność na uszkodzenia
odporność na zakłócenia (EMC)
małe rozmiary
niezawodność
możliwość produkcji wielkoseryjnej
Wymagania te spełniają technologie:
mikromechanika + mikroelektronika
Wytwarza się tzw. struktury
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
13
Współczesna elektronika
- MEMS
Source: Janusz Bryzek, Fairchild Semiconductor
Warto zajrzeć: Top 12 MEMS Chips Pioneering New Markets
http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319601&image_number=1
„The market for MEMS chips
(green) is growing slightly
faster than the semiconductor
market (blue) and will reach
the trillion unit mark circa
2023.”
14
Rynek MEMS dla motoryzacji
(WTC report, 2007)
Obroty na rynku akcelerometrów MEMS
do poduszek powietrznych w mln dol.
i mln sztuk (Frost & Sullivan)
15 Źródło: http://edageek.com/2007/04/12/wtc-mems/
Firmy wytwarzające układy MEMS – ranking 2006
(wg WTC – Wicht Technologie Consulting)
16 Źródło: http://edageek.com/2007/04/12/wtc-mems/
Firmy wytwarzające układy MEMS – ranking 2006
(wg WTC – Wicht Technologie Consulting)
17
Czujnik - definicja… Sensor (czujnik) - urządzenie, które odpowiada na fizyczny lub
chemiczny czynnik pobudzający (np. ciepło, światło, dźwięk,
ciśnienie, pole magnetyczne) i przekazuje wynikający z tego
oddziaływania sygnał. Sygnał ten może być zmierzony lub użyty
do sterowania.
Sensor odbiera sygnał wejściowy i zamienia go na sygnał
wyjściowy, przetwarza jeden rodzaj energii w drugi.
Przykłady:
czujnik rezystancyjny,
optyczny, fizyczny,
chemiczny, bioczujnik itd.
Czujnik O2 – samochodowa sonda lambda
Czujnik
przysp.
18
Transducer - definicje…
Transducer (łac. transducere) - urządzenie, które przekazuje
energię z jednego układu do drugiego w tej samej lub innej
formie.
Urządzenie, które przekształca wielkość fizyczną w wielkość
elektryczną.
Urządzenie, którego zasadą pomiaru jest przekształcenie
wielkość fizycznej w elektryczną, a relacje między jego we/wy
oraz wy/we są przewidywalne z określoną dokładnością w
określonych warunkach środowiskowych.
Przykłady: termopara, tr. piezoelektryczny, magnetostrykcyjny,
pojemnościowy, indukcyjny, LDR (Light Dependent Resistor), LVDT
(Linear Variable Differential Transformer)
19
Sensor czy Transducer?
Oba określenie używane często synonimicznie, ale…
Każdy czujnik jest transducerem
(przetwornikiem)
ale
Nie każdy transducer jest czujnikiem.
20
Aktuator
Urządzenie wykonawcze, element wykonawczy (ang. actuator)
– w technice, określenie urządzenia mechanicznego,
występującego w układach regulacji, które na podstawie
sygnału sterującego wypracowuje sygnał wejściowy do
obiektu regulacji.
W automatyce budynków:
aktuator lub wyrobnik (zgodnie ze standardem KNX).
Przykładu aktuatorów:
w mechanice – siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, silniki,
dźwignie hydrauliczne, wzmacniacze elektrohydrauliczne,
(również ręce, dłonie, nogi, palce człowieka).
21
System wbudowany (SW)
System wbudowany (ang. embedded system) – dedykowany system
komputerowy (specjalnego przeznaczenia), który staje się
integralną częścią obsługiwanego przez niego sprzętu
komputerowego (hardware).
- Spełnia określone wymagania, zdefiniowane do zadań, które ma
wykonywać.
- Zawsze oparty na mikroprocesorze (lub mikrokontrolerze), ew.
układzie specjalizowanym.
- Zaprogramowany do wykonywania skończonej ilości zadań lub
nawet tylko do jednego.
Komputer PC NIE JEST systemem wbudowanym (jest uniwersalny).
Co nim jest?
22
System wbudowany
Przykłady SW: komputery pokładowe w samochodach (BSI, BSM, ECU itd.)
Źródło: http://www.ecufocus.com/cd-productsview.asp?ID=318
23
System wbudowany
Źródło: http://www.ecufocus.com/cd-productsview.asp?ID=318
24
System wbudowany
Przykłady SW: Sprzęt sterujący rakietami, samolotami, pociskami
http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/gimbaled.html
Sterowanie rakiet księżycowych Space Shuttle, Saturn V
http://sdsurocketproject.blogspot.com/
25
System wbudowany
Przykłady SW:
Sterowniki PLC Klimatyzatory i termostaty
Bankomaty
centrale telefoniczne
26
http://hacknmod.com/hack/iphone-disassembly/
System wbudowany
Przykłady SW:
Telefony komórkowe
zegarki
http://www.mytriadventure.com/2011/11/16/garmin-forerunner-305-gps-watch-repair/
27 MEMS & Sensors for Smartphones Report: http://www.prlog.org/10792126-mems-sensors-for-smartphones-report.html
System wbudowany
Przykłady SW: Sprzęt
+ dedykowane
aplikacje: gry,
Więcej: http://developer.android.com/
guide/topics/sensors/sensors_
overview.html
28
System wbudowany
Przykłady SW:
- Systemy alarmowe, elementy „inteligentnych
budynków”
- Sprzęt komputerowy i sieciowy (HDD, firewalle,
systemy czasu, routery/modemy)
- Sprzęt AGD: kuchenki mikrofalowe, zmywarki, pralki
(fuzzy logic), lodówki itp..
- sprzęt medyczny (ciśnieniomierze, monitory czynności
pacjenta, aparaty Holltera, pulsoksymetry itp.)
Gadżety, zabawki, konsole do gier, automaty do gier, roboty
29
System wbudowany
Przykłady SW:
http://www.yeitechnology.com http://www.parallax.com
Czujniki gazu
Czujniki IR Moduł kompasu
30
System wbudowany
SW może zawierać oprogramowanie dedykowane wyłącznie temu
urządzeniu (firmware) lub może to być system operacyjny wraz
ze specjalizowanym oprogramowaniem.
Im mniej złożone i specjalizowane oprogramowanie, tym bardziej
niezawodny system. Może on też szybciej reagować na zdarzenia.
Zwiększenie niezawodności:
- rozdzielenie zadań na mniejsze podsystemy,
- Redundancja (użycie dwóch identycznych urządzeń do jednego
zadania; w razie awarii przejmują swoje zadania).
31
System wbudowany
– internet rzeczy - system wbudowany dla każdego
- Minikomputery w chmurze
- Możliwość odbierania sygnałów (sensory) i sterowania sygnału (gniazdka sieciowe,
światła, aktuatory itp.)
- Kody, schematy, itd. dostępne dla zainteresowanych (Open Hardware)
- Forum dyskusyjne http://beagleboard.org/project/NinjaBlocks/
http://ninjablocks.com/
Więcej o projekcie:
http://www.youtube.com/watch?v=geW1rz
xBp5M&feature=player_detailpage
32
System wbudowany
– internet rzeczy Twine firmy Supermechanical - system wbudowany dla każdego
http://store.supermechanical.com/
„Programowanie przez www”: WHEN
moisture sensor gets wet THEN text "The
basement is flooding!"
33
System wbudowany
– internet rzeczy Wovyn
http://www.wovyn.com/
Sensor list:
•Temperature (w/ and w/o probe)
•Humidity (low and high accuracy)
•Water
•Infrared Motion
•Digital ID
•Dry Contact
•Light (on/off)
•Light (lux)
•Magnetic Door/Window
•Magnetic Presence
•Activity
•Accelerometer
•0-20mA Current
•0-1.25v Analog Voltage
•120VAC Analog Voltage Detection
•500 VAC/VDC Analog Voltage Measurement
•Wireless Button
•Flex
•Liquid Level
•Pressure
Film:
http://www.youtube.com/watch?v=yc2Yb4JDtu8
Do poczytania…
• http://pandodaily.com/2013/05/24/enter-the-ninja-a-startup-attempts-world-
domination-on-internet-of-things-from-australia/
• Kickstarter - Bring creativity to life: http://www.kickstarter.com/
• Pebble: E-Paper Watch for iPhone and Android: http://getpebble.com/
• Nest – „learning thermostat” : http://nest.com/
• Philips Hue – personal wireless lightning : http://www.meethue.com/en-US
• Internet of Things: http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things
34