Sensoren kennen legio toepassingen. Het enige dat de inzet op grote schaal tegenhoudt, is de prijs. Die wordt grotendeels bepaald door de interface die elektrische, analoge sensorsignalen vertaalt naar digitale informatie.
Reden genoeg voor elektrotechnicus Frank van der Goes om een goedkope, multifunctionele sensorinterface te willen ontwerpen. Onlangs promoveerde hij op zijn vondst.
Figuur 1 Frank van der Goes, onterper van een elektronisch rijtjeshuis
Van de kamertemperatuur tot de waterstand in je koffiezetapparaat: een sensorelement kan het meten. ,,Er bestaan ongeveer vijftigduizend soorten sensorelementen”, weet Van der Goes, maar hoe verschillend de elementen ook zijn, een eigenschap hebben ze gemeen: ,,Sensorelementen vertalen een fysisch signaal naar een elektrisch signaal.”
Daarmee is de meting echter niet compleet. Van der Goes: ,,Het uitgangssignaal van een sensorelement is zwak en zit vol storingen. Verder maken digitale signaalverwerkers tegenwoordig standaard deel uit van een sensorsysteem. Er is dus een interface nodig die het uitgangssignaal converteert naar een digitaal signaal.”
Bij deze interface wringt de schoen. ,,Elk soort sensorelement heeft zijn eigen elektronica om het signaal te vertalen. De interface is dus sensor-specifiek”, vertelt Van der Goes. Net zoals het duurder is om een zelf ontworpen villa te realiseren dan een rijtjeshuis te kopen, zijn aan sensor-specifieke interfaces hogere kosten verbonden dan aan een universele interface. Een probleem: een goede multifunctionele interface bestond nog niet. Van der Goes: ,,Het was de uitdaging om zo’n multifunctionele interface te ontwerpen.”
Om het project haalbaar te maken, beperkte Van der Goes zich tot een aantal klassen sensorelementen die veel worden gebruikt. Voor de liefhebber: in dit assortiment zitten ondermeer platinum weerstanden, thermistors, capaciteiten en resitieve bruggen. Deze soorten sensoren hebben bovendien een aangename eigenschap. ,,In het algemeen zijn bij deze sensoren tien tot duizend uitlezingen per seconde voldoende’, verklaart Van der Goes. Deze gemeenschappelijke karakteristiek maakt een universeel ontwerp mogelijk. Van der Goes ziet daar wel de beperkingen van: ,,Wil je een hogere meetfrequentie, dan moet je uitwijken naar een ander ontwerp.”
Calibratie
Twee onderdelen van een sensorsysteem spelen in het ontwerp van Van der Goes een belangrijke rol. De Smart Signal Processor (SSP) ontvangt het oorspronkelijke sensor signaal en voert er een aantal bewerkingen op uit. De SSP produceert een signaal dat zeer geschikt is om door een zogenaamde microcontroller te worden erwerkt. Dit onderdeel maakt berekeningen, neemt beslissingen en verstuurt het signaal als bits en bytes naar computers van een hogere orde.
De SSP en de microcontroller verrichten samen een aantal functies. ,,Belangrijk zijn het versterken en het wegfilterenvan stoorsignalen”, vertelt Van der Goes. ,,Natuurlijk moet er ook een conversie plaatsvinden van het analoge signaal naar een digitaal signaal. Dat heet een A/D-conversie. Ook het lineariseren van het signaal is een taak van de interface.”
Een goede sensorinterface maakt verder handmatige calibratie (ijking) van het sensorsysteem overbodig. Met automatische calibratie is het meetresultaat onafhankelijk van veranderende omgevingsinvloeden als temperatuurvariaties. In de universele interface werd omwille van de autocalibratie de zogenaamde three-signal technique toegepast. Deze methode gaat uit van drie signalen: het meetsignaal, een nulsignaal en een bepaald referentiesignaal. ,,Het nulsignaal verkrijg je door simpelweg de ingangssignalen kort te sluiten. Het referentiesignaal komt van een sensorelement van het zelfde soort waarmee je de echte metingen verricht”, legt Van der Goes uit. ,,Een sensorsysteem bevat dus een meetelement en een referentie-element.”
Het referentiesignaal is net zo goed aan veranderende omgevingsinvloeden onderhevig als het echte meetsignaal. Relateer dit meetsignaal in de microcontroller aan het referentie- en nulsignaal en er ontstaat een signaal dat onafhankelijk is van veranderende omstandigheden. De autocalibratie is een feit. Voor de conversie van een analoog signaal naar digitale waarden paste Van der Goes ondermeer periode-modulatie toe. Hij verklaart: ,,De waarde van het analoge signaal wordt dan door een modulator omgezet in een signaal met een bepaalde periode. Verandert het analoge signaal, dan verandert de periode van het uitgangsignaal mee.”
Patent
De schakeling van de modulator ziet er verbazend overzichtelijk uit. ,,Dat is ook de bedoeling”, zegt Van der Goes. ,,De schakeling vormt het analoge gedeelte van de interface. Dat gedeelte hou je het liefst zo eenvoudig mogelijk.” Maar niet alle complexiteit was vermijdbaar: ,,Iedere klasse sensoren heeft in de modulator zijn eigen specifieke front-end. Op sommige gedeeltes daarvan is zelfs patent aangevraagd.”
Een eenvoudige schakeling wil overigens niet zeggen dat we met een ‘domme’ interface te maken hebben. ,,De modulator wordt slim door de wijze van aansturing.” Voor het aansturen maakte Van der Goes gebruik van een ‘besturingsblokje’, volgepropt met digitale electronica. De modulator bevindt zich in de SSP, maar het periode-gemoduleerde signaal is bedoeld voor de microcontroller. Aangezien voor de three-signal technique drie signalen nodig zijn, moet er voor iedere meting een trio signalen van SSP naar microcontroller reizen. ,,Dat gaat allemaal met één draadje, want dat is goedkoper dan drie”, weet Van der Goes. Om drie signalen door een draad te sturen, maakt Van der Goes gebruik van time-sharing: binnen een meetcyclus krijgt ieder signaal een bepaalde tijd om het draadje te gebruiken. De microcontroller weet meetsignaal, referentiesignaal en nulsignaal van elkaar te onderscheiden, zodat op dat punt geen verwarring plaatsvindt.
Nou is theorie is, maar echt leuk wordt het natuurlijk pas als het ontwerp ook werkelijk wordt gerealiseerd. Dat is Van derGoes gelukt. Gesteund door EG-financiering en Smartec, het bedrijf waarvoor hij het onderzoek verrichte, liet de elektrotechnicus een aantal proefchips bakken. Van der Goes: ,,Dat gebeurde deels bij Dimes en deels bij een bedrijf in België, Mitec. De uiteindelijke chip is gemaakt door Mitec, omdat zij over CMOS-technologie beschikten. Bij Dimes kon ik die techniek destijds niet toepassen.”
Op de chips werden veel metingen losgelaten, die allemaal gunstig uitpakten. ,,Smartec zal de interface binnen een jaar gaan verkopen. De financiering voor de marktintroductie is al rond”, vertelt Van der Goes trots. Heeft hij het ei van Columbus voor de sensor-markt bedacht? Van der Goes twijfelt: ,,Op dit moment misschien wel, maar de ontwikkelingen gaan snel. Ik verwacht dat mijn ontwerp over tien jaar een gepasseerd station is.”
Sensoren kennen legio toepassingen. Het enige dat de inzet op grote schaal tegenhoudt, is de prijs. Die wordt grotendeels bepaald door de interface die elektrische, analoge sensorsignalen vertaalt naar digitale informatie. Reden genoeg voor elektrotechnicus Frank van der Goes om een goedkope, multifunctionele sensorinterface te willen ontwerpen. Onlangs promoveerde hij op zijn vondst.
Figuur 1 Frank van der Goes, onterper van een elektronisch rijtjeshuis
Van de kamertemperatuur tot de waterstand in je koffiezetapparaat: een sensorelement kan het meten. ,,Er bestaan ongeveer vijftigduizend soorten sensorelementen”, weet Van der Goes, maar hoe verschillend de elementen ook zijn, een eigenschap hebben ze gemeen: ,,Sensorelementen vertalen een fysisch signaal naar een elektrisch signaal.”
Daarmee is de meting echter niet compleet. Van der Goes: ,,Het uitgangssignaal van een sensorelement is zwak en zit vol storingen. Verder maken digitale signaalverwerkers tegenwoordig standaard deel uit van een sensorsysteem. Er is dus een interface nodig die het uitgangssignaal converteert naar een digitaal signaal.”
Bij deze interface wringt de schoen. ,,Elk soort sensorelement heeft zijn eigen elektronica om het signaal te vertalen. De interface is dus sensor-specifiek”, vertelt Van der Goes. Net zoals het duurder is om een zelf ontworpen villa te realiseren dan een rijtjeshuis te kopen, zijn aan sensor-specifieke interfaces hogere kosten verbonden dan aan een universele interface. Een probleem: een goede multifunctionele interface bestond nog niet. Van der Goes: ,,Het was de uitdaging om zo’n multifunctionele interface te ontwerpen.”
Om het project haalbaar te maken, beperkte Van der Goes zich tot een aantal klassen sensorelementen die veel worden gebruikt. Voor de liefhebber: in dit assortiment zitten ondermeer platinum weerstanden, thermistors, capaciteiten en resitieve bruggen. Deze soorten sensoren hebben bovendien een aangename eigenschap. ,,In het algemeen zijn bij deze sensoren tien tot duizend uitlezingen per seconde voldoende’, verklaart Van der Goes. Deze gemeenschappelijke karakteristiek maakt een universeel ontwerp mogelijk. Van der Goes ziet daar wel de beperkingen van: ,,Wil je een hogere meetfrequentie, dan moet je uitwijken naar een ander ontwerp.”
Calibratie
Twee onderdelen van een sensorsysteem spelen in het ontwerp van Van der Goes een belangrijke rol. De Smart Signal Processor (SSP) ontvangt het oorspronkelijke sensor signaal en voert er een aantal bewerkingen op uit. De SSP produceert een signaal dat zeer geschikt is om door een zogenaamde microcontroller te worden erwerkt. Dit onderdeel maakt berekeningen, neemt beslissingen en verstuurt het signaal als bits en bytes naar computers van een hogere orde.
De SSP en de microcontroller verrichten samen een aantal functies. ,,Belangrijk zijn het versterken en het wegfilterenvan stoorsignalen”, vertelt Van der Goes. ,,Natuurlijk moet er ook een conversie plaatsvinden van het analoge signaal naar een digitaal signaal. Dat heet een A/D-conversie. Ook het lineariseren van het signaal is een taak van de interface.”
Een goede sensorinterface maakt verder handmatige calibratie (ijking) van het sensorsysteem overbodig. Met automatische calibratie is het meetresultaat onafhankelijk van veranderende omgevingsinvloeden als temperatuurvariaties. In de universele interface werd omwille van de autocalibratie de zogenaamde three-signal technique toegepast. Deze methode gaat uit van drie signalen: het meetsignaal, een nulsignaal en een bepaald referentiesignaal. ,,Het nulsignaal verkrijg je door simpelweg de ingangssignalen kort te sluiten. Het referentiesignaal komt van een sensorelement van het zelfde soort waarmee je de echte metingen verricht”, legt Van der Goes uit. ,,Een sensorsysteem bevat dus een meetelement en een referentie-element.”
Het referentiesignaal is net zo goed aan veranderende omgevingsinvloeden onderhevig als het echte meetsignaal. Relateer dit meetsignaal in de microcontroller aan het referentie- en nulsignaal en er ontstaat een signaal dat onafhankelijk is van veranderende omstandigheden. De autocalibratie is een feit. Voor de conversie van een analoog signaal naar digitale waarden paste Van der Goes ondermeer periode-modulatie toe. Hij verklaart: ,,De waarde van het analoge signaal wordt dan door een modulator omgezet in een signaal met een bepaalde periode. Verandert het analoge signaal, dan verandert de periode van het uitgangsignaal mee.”
Patent
De schakeling van de modulator ziet er verbazend overzichtelijk uit. ,,Dat is ook de bedoeling”, zegt Van der Goes. ,,De schakeling vormt het analoge gedeelte van de interface. Dat gedeelte hou je het liefst zo eenvoudig mogelijk.” Maar niet alle complexiteit was vermijdbaar: ,,Iedere klasse sensoren heeft in de modulator zijn eigen specifieke front-end. Op sommige gedeeltes daarvan is zelfs patent aangevraagd.”
Een eenvoudige schakeling wil overigens niet zeggen dat we met een ‘domme’ interface te maken hebben. ,,De modulator wordt slim door de wijze van aansturing.” Voor het aansturen maakte Van der Goes gebruik van een ‘besturingsblokje’, volgepropt met digitale electronica. De modulator bevindt zich in de SSP, maar het periode-gemoduleerde signaal is bedoeld voor de microcontroller. Aangezien voor de three-signal technique drie signalen nodig zijn, moet er voor iedere meting een trio signalen van SSP naar microcontroller reizen. ,,Dat gaat allemaal met één draadje, want dat is goedkoper dan drie”, weet Van der Goes. Om drie signalen door een draad te sturen, maakt Van der Goes gebruik van time-sharing: binnen een meetcyclus krijgt ieder signaal een bepaalde tijd om het draadje te gebruiken. De microcontroller weet meetsignaal, referentiesignaal en nulsignaal van elkaar te onderscheiden, zodat op dat punt geen verwarring plaatsvindt.
Nou is theorie is, maar echt leuk wordt het natuurlijk pas als het ontwerp ook werkelijk wordt gerealiseerd. Dat is Van derGoes gelukt. Gesteund door EG-financiering en Smartec, het bedrijf waarvoor hij het onderzoek verrichte, liet de elektrotechnicus een aantal proefchips bakken. Van der Goes: ,,Dat gebeurde deels bij Dimes en deels bij een bedrijf in België, Mitec. De uiteindelijke chip is gemaakt door Mitec, omdat zij over CMOS-technologie beschikten. Bij Dimes kon ik die techniek destijds niet toepassen.”
Op de chips werden veel metingen losgelaten, die allemaal gunstig uitpakten. ,,Smartec zal de interface binnen een jaar gaan verkopen. De financiering voor de marktintroductie is al rond”, vertelt Van der Goes trots. Heeft hij het ei van Columbus voor de sensor-markt bedacht? Van der Goes twijfelt: ,,Op dit moment misschien wel, maar de ontwikkelingen gaan snel. Ik verwacht dat mijn ontwerp over tien jaar een gepasseerd station is.”
Comments are closed.