Inteligentne czujniki w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania

Przykładowe rozwiązania układów przetwarzania i interfejsów komunikacyjnych w czujnikach inteligentnych

Zastosowany w czujnikach inteligentnych układ przetwarzania nie jest najważniejszym elementem z punktu widzenia użytkownika, ma on jednak bardzo duże znaczenie dla projektantów i konstruktorów układów pomiarowych. Sygnałem wyjściowym czujnika inteligentnego jest najczęściej sygnał cyfrowy. Do tej grupy zaliczyć można nie tylko sygnały kodowane cyfrowo, ale także np. wyjścia częstotliwościowe, okresowe, z modulowaną szerokością impulsu (PWM) lub przesunięciem fazowym. Dalsze przetwarzanie sygnału częstotliwościowego jest niejednokrotnie łatwiejsze, a przede wszystkim tańsze niż bezpośrednie przetwarzanie sygnału analogowego na cyfrowy z wykorzystaniem przetworników analogowo-cyfrowych.

Jednym z ważnych wymagań współczesnego przemysłu jest modułowość budowy wszystkich elementów odpowiedzialnych za produkcję. Dotyczy to również układów pomiarowych. Wymóg ten nakłada na producentów czujników konieczność standaryzacji komunikacji według przyjętych rozwiązań. Wymiana danych pomiędzy układem pomiarowym i urządzeniami wejścia/wyjścia odbywa się za pomocą transmisji równoległej albo szeregowej.

W ciągu ostatnich lat widać wyraźne odchodzenie od stosowania interfejsu równoległego w transmisji. Jest to związane z możliwością uzyskiwania coraz większych prędkości transmisji szeregowej. Dotąd główną zaletą rozwiązań równoległych była wysoka prędkość transmisji. Poważną wadą jest jednak konieczność prowadzenia wielożyłowych przewodów pomiędzy urządzeniami oraz ograniczony zasięg komunikacji, a wobec nowych wymagań (m.in. sieciowej transmisji bezprzewodowej) zasadniczą rolę spełniają interfejsy szeregowe.

Oferta dotycząca protokołów sieciowych oferowanych przez producentów jest bardzo bogata. Wybór konkretnego rozwiązania zależy najczęściej od rozwiązań stosowanych już wcześniej w danej gałęzi przemysłu. Do najczęściej stosowanych interfejsów w czujnikach inteligentnych należą: ogólne (I2C, SPI, SMBus, MicroLAN 1-wire), przemysłowe (CAN, Modbus, PROFIBus) oraz dedykowane (IS2, SSI).

Z punktu widzenia czujników inteligentnych, podstawowym interfejsem komunikacyjnym jest obecnie I2C (firmy Philips) [2]. Interfejs ten występuje w różnych odmianach. Podstawową jego zaletą są niewielkie wymagania sprzętowe konieczne do zastosowania tego interfejsu, natomiast jego poważną wadą jest skomplikowany protokół transmisji danych. Interfejs I2C korzysta z linii dwuprzewodowych, gdzie jedna służy jako linia zegara (SCL), druga jest linią danych (SDA). System – dzięki adresowaniu – potrafi obsłużyć do 128 czujników. Częstotliwość transmisji wynosi maksymalnie 400 kHz (w najnowszej wersji 1,7 MHz), dlatego służy głównie do obsługi urządzeń nie wymagających dużej prędkości transmisji.

Znaną odmianą I2C jest System Management Bus (SMBus) firmy Intel [3]. Wprowadza on dodatkowo system alarmów, obsługę przerwań oraz znacznie ogranicza wymagania co do mocy układów zasilających.
Konkurencyjnym standardem jest Serial Peripheral Interface (SPI) firmy Motorola [4]. W transmisji wykorzystywane są 4 linie sygnałowe: zegar (SCLK), dwie linie danych (MOSI, MISO) oraz sygnał sterujący (SS). W porównaniu z interfejsem I2C lepiej funkcjonuje z urządzeniami korzystającymi ze strumieni danych, ale brak adresowania utrudnia wykorzystanie go w trybie master – multi slave.

Wart uwagi jest również wprowadzony przez firmę Dallas Semiconductor standard MicroLAN, nazywany również 1-wire. Umożliwia komunikację w trybie jeden master – multi slave [4].

Standardem sieciowym w przemyśle jest Controller Area Network (CAN) wdrożony przez firmę Bosch [4]. Pierwotnie był on zaprojektowany dla przemysłu motoryzacyjnego i miał umożliwiać komunikację wielu urządzeń za pomocą jednej centralnej magistrali danych. Liczba komponentów sieci nie jest ograniczona, istnieje zatem możliwość dołączania i odłączania poszczególnych części bez wpływu na jej funkcjonowanie. Sprawiło to, że system CAN rozpowszechnił się również na inne dziedziny przemysłu, a także znalazł zastosowanie m.in. w automatyzacji budynków. Jest systemem bazowym dla wielu nowych standardów komunikacyjnych (np. Smart Distributed Systems firmy Honeywell).

Innymi popularnymi interfejsami stosowanymi w przemysłowych, rozproszonych systemach automatyki do sterowania i pomiaru są PROFIbus oraz Modbus firmy Modicon. Umożliwia podłączenie nawet ponad 250 urządzeń w ramach jednej sieci. Prędkość transmisji – do 12 Mb/s. Dodatkową zaletą jest  współpraca z szeroką gamą urządzeń, m.in. ze sterownikami PLC. Oferowane są również kablowe sieci sensorowe o bardzo dużej niezawodności i odporności na zakłócenia, oparte na oryginalnych modułach czujników inteligentnych [5].

Rozległe systemy pomiarowe korzystają coraz częściej z transmisji bezprzewodowej. Do transmisji na duże odległości wykorzystuje się technologie znane z telefonii GSM – pakietową transmisję danych w wersjach podstawowej GPRS (ok. 50 kb/s) i rozszerzonej EDGE (ok. 250 kb/s) oraz najnowszą technologię UMTS (do 2 Mb/s). W transmisji na niewielkie odległości wykorzystuje się technologie Bluetooth (< 100 m i do 2 Mb/s) oraz IEEE802.11 (WLAN) o zasięgu do 1 km i prędkości transmisji sięgającej 108 Mb/s.

Nowe, innowacyjne systemy telemetryczne dotyczą rozproszonych sieci sensorowych bez ustalonej formalnej topologii, obejmującej dużą liczbę miniaturowych inteligentnych czujników, komunikujących się między sobą drogą radiową. Możliwości w zakresie monitorowania parametrów środowiskowych i kontroli procesów technologicznych stają się bardziej realne dla szerszego grona odbiorców. Twórcy tej koncepcji nadali nazwę roboczą tej technologii – smart dust (inteligentny kurz) [6].

Interfejsami specjalnie dedykowanymi dla czujników inteligentnych są: Integrated Smart Sensor Bus (IS2) oraz Simple Sensor Interface (SSI) [7]. Pierwszy powstał na bazie I2C i tak jak on, w transmisji korzysta z linii dwuprzewodowych, gdzie jedna służy jako linia zegara, druga jest linią danych. Zaletą interfejsu IS2 jest nieokreślona długość „słowa” danych, uproszczony protokół komunikacji oraz możliwość przerwania nadawania – zarówno przez urządzenie nadrzędne (komputer), jak i czujnik. Interfejs SSI zawiera prosty protokół komunikacyjny, zapewniający cykliczne „odpytywanie” i strumieniowanie danych z czujników. Wykorzystywany jest w komunikacji typu point-to-point w  niesynchronicznej transmisji szeregowej (UART) oraz w systemach wbudowanych opartych na technologii nanoIP (ograniczona wersja TCP/IP).