System kontroli i akwizycji danych do zastosowań w temperaturze powyżej 250°C

Dzisiejsze systemy elektroniczne i mechatroniczne muszą sprostać wzrastającym wymaganiom w stosunku do niezawodności operacji przeprowadzanych w trudnych warunkach środowiskowych. W niektórych dziedzinach, takich jak detekcja przemysłowa, elektronika motoryzacyjna czy inteligentne sieci, układy te spotykają się z pewnymi ograniczeniami dotyczącymi poprawnego działania w wysokich temperaturach. Poszukuje się obecnie sposobów na poszerzenie możliwości działania w temperaturach osiągających nawet 300 °C, zachowując jednak dużą gęstość upakowania komponentów w układach scalonych oraz akceptowalne koszty. Wiąże się to z koniecznością opracowania nowych metod wykonywania wysoko zintegrowanych układów, z wykorzystaniem nowych technologii półprzewodnikowych, nowych materiałów oraz strategii montażu. Wychodząc naprzeciw tym potrzebom, konsorcjum złożone z pięciu instytutów Towarzystwa Fraunhofera rozpoczęło prace nad projektem HOT-300. Konsorcjum tworzy układy CMOS i MEMS, które są stabilne i zdolne do długotrwałego działania w temperaturach osiągających 300 °C, wykonuje się je z materiałów ceramicznych nowej generacji. W ramach projektu opracowywane są również nowe metody analizy defektów produktów, oceny ich niezawodności, modelowania i przewidywania zachowań. Jednym z owoców badań naukowców Towarzystwa Fraunhofera jest system DACSHT: System kontroli i akwizycji danych do zastosowań wysokotemperaturowych (DACSHT - Data Acquisition and Control System for High-Temperature Applications). Został opracowany przez Instytut Układów i Systemów Mikroelektronicznych Fraunhofera (IMS - Fraunhofer Institute of Microelectronic Circuits and Systems) w odpowiedzi na zapotrzebowanie na elektroniczne systemy pomiaru i kontroli mogące pracować w temperaturach powyżej 250°C.W niektórych tego typu zastosowaniach możliwe jest umieszczenie komponentów elektronicznych z dala od wysokich temperatur, jednak istnieje wiele przypadków, gdzie takie rozwiązanie okazuje się nieopłacalne ze względu na problemy z komunikacją, jakością sygnału oraz ograniczenia przestrzenne. Przykładami mogą tu być systemy obsługi wykorzystywane przy odwiertach gazowych i naftowych, w silnikach lotniczych i kosmicznych, czy też pierwsze z zastosowań systemu DACS-HT: system chemicznego mikroreaktora. Układ przetwornika ADC Podstawą DACS-HT jest grupa zintegrowanych obwodów składająca się z pięciu układów scalonych wytworzonych w technologii IMS HT-SOI CMOS. Ta technologia wysokotemperaturowego osadzania krzemu na izolatorze pozwala wykorzystać niskie prądy upływu układów SOI (Silicon-On-Insulator) do rozszerzenia zakresu pracy obwodów CMOS do temperatury 250°C i wyższej oraz zwiększa niezawodność układu poprzez użycie złączy wolframowych, odpornych na bardzo wysokie temperatury. Wyżej wspomniany zestaw pięciu układów scalonych zawiera w sobie: bramkę transmisji danych, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), generator PWM, pamięć EEPROM oraz układ czujnika ciśnienia. Komunikację pomiędzy czterema układami umożliwia odmiana szyny I²C/SMD. Wszystkie układy są podpięte pod tę szynę. Za sterowanie szyną odpowiada bramka transmisji danych. Czujnik ciśnienia - mikromechaniczny sensor zintegrowany na jednej płytce razem z obwodami przetwarzającymi sygnał, może być zamontowany z dala od innych układów. Jest połączony z przetwornikiem ADC przez specjalnie przeznaczony do tego interfejs. Wszystkie układy działają na jednym zasilaczu 5V, sygnały cyfrowe są kompatybilne z TTL. Interfejs do komputera sterującego PC łączy ponad 31 bramek transmisyjnych poprzez szynę realizującą asynchroniczy protokół half-duplex. Inne układy używają do transmisji danych podtypu popularnego protokołu I²C/SMD. Dla zwiększenia niezawodności komunikacji na obu szynach zastosowano system sum kontrolnych CRC (Cyclic Redundancy Check). Dodatkowe szyny alarmowe są używane do obsługi sytuacji wyjątkowych. Diagram blokowy komunikacji pomiędzy poszczgólnymi układami Bramka transmisji danych Za pomocą bramki transmisji danych, asynchroniczna, globalna magistrala o zróżnicowanym sterowaniu przechodzi w synchroniczną, lokalną szynę. Może ona obsługiwać transmisję o stałej prędkości, ale także wykorzystywać automatyczną detekcję prędkości transmisji od 1.2 do 460.8 kBaud. Jej adres na szynie globalnej może być ustawiony statycznie albo poprzez protokół ARP (Address Resolution Protocol- protokół odwzorowywania adresów). Ponadto została wyposażona także w programowalny, czasowy układ watchdog, cyfrowy układ we/wy oraz kontrolery szyn alarmowych. Może także generować sygnały zegarowe oraz resetujące dla innych układów scalonych Pamięć EEPROM W pamięci EEPROM może być przechowywanych 128 bajtów danych, mogą to być np. numery seryjne albo dane kalibracyjne. Użycie układu EEPROM jako pamięci nieulotnej w środowisku charakteryzującym się bardzo wysokimi temperaturami, wiąże się z problemem, jakim jest krótki czas retencji danych. Problem został rozwiązany przez specjalne topologie połączeń w pamięci EEPROM, łagodzące ten efekt. Ponadto kodowanie nadmiarowe, umożliwiające korekcję pojedynczych błędów oraz detekcję błędów powtarzających się wraz ze zmiennym odczytem napięcia, pozwala na wczesne ostrzeżenia przed utratą danych. Te cechy pamięci dają twórcom systemów możliwości konieczne do implementacji mechanizmów odświeżania danych „na żądanie”, znacząco zwiększając czas efektywnej retencji danych oraz wydłużając życie komórek pamięci EEPROM. 128-bajtowa pamięć EEPROM Przetwornik ADC Przetwornik ADC umożliwia wykonanie aż 8 różnych pomiarów, które mogą pochodzić z 8 wejść analogowych albo ze specjalnego interfejsu sensora ciśnienia. Obsługiwana jest każda kombinacja tych sygnałów. Realizacją rdzenia ADC jest proporcjonalny przetwornik algorytmiczny, działający według zasady RSD, w którym zaimplementowano filtr z przełączanym kondensatorem. Jego częstotliwość próbkowania wynosi 1 kHz, rozdzielczość - – 12 bitów. Przetwornik ADC może być zaprogramowany w taki sposób, że każde dwie przetwarzane wartości są porównywane z programowalną wartością progową, a urządzenie może wysłać sygnał o wystąpieniu stanu alarmowego do bramki transmisji danych. Wyjścia prądowe są dostępne dla czterech z ośmiu wejść sygnałów analogowych. Mogą być użyte jako źródła prądu dla sensorów rezystancyjnych np. czujnika temperatury Pt1000. Nawet dwa czujniki ciśnienia mogą być połączone z pojedynczym przetwornikiem ADC przez specjalny, multipleksowany interfejs. Pozwala on odczytywać i zapisywać zarówno dane kalibracyjne sensora ciśnienia, jak również umożliwia analogową transmisję sygnałów powstałych na skutek zmian ciśnienia czy temperatury. Układ czujnika ciśnienia Układ czujnika ciśnienia składa się z mikromechanicznego czujnika ciśnienia wytworzonego z zastosowaniem technik obróbki krzemu oraz wzmacniania i dostosowywania obwodu na pojedynczej krzemowej matrycy. Wysoki stopień integracji układu umożliwia wyjątkowo niewielkie wymiary sensora. Jest dostępnych kilka wersji tego czujnika, zakres mierzonego ciśnienia bezwzględnego wynosi od 1 do 60 barów. Dzięki specjalnemu interfejsowi, łączącemu układ z przetwornikiem ADC, obwody przetwarzające sygnał w układzie czujnika, mogą być programowane w celu wzmacniania sygnału pochodzącego z mikromechanicznego czujnika ciśnienia i wykonania linearyzacji pierwszego rzędu. Do każdego przetwornika ADC mogą być przyłączone dwa czujniki ciśnienia. PWM Generator PWM wytwarza sygnał analogowy o rozdzielczości 8 bitów, w postaci impulsów PWM (Pulse-Width Modulation). Stopień wyjściowy tranzystora NMOS z otwartym drenem, który może dostarczyć prąd o natężeniu 2A (napięcie 24V), umożliwia kontrolę obciążeń rezystywnych, takich jak nagrzewające się elementy. Foto:© Fraunhofer IMS