reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Fraunhofer IMS Komponenty | 29 lutego 2016

System kontroli i akwizycji danych do zastosowa艅 w temperaturze powy偶ej 250°C

Znacz膮ce zapotrzebowanie na rozwi膮zania z dziedziny elektroniki wysokotemperaturowej mo偶emy dzi艣 znale藕膰 np. w przemy艣le motoryzacyjnym czy wydobywczym. Prze艂omow膮 odpowiedzi膮 na tego typu oczekiwania, mo偶e by膰 System DACSHT.
Dzisiejsze systemy elektroniczne i mechatroniczne musz膮 sprosta膰 wzrastaj膮cym wymaganiom w stosunku do niezawodno艣ci operacji przeprowadzanych w trudnych warunkach 艣rodowiskowych. W niekt贸rych dziedzinach, takich jak detekcja przemys艂owa, elektronika motoryzacyjna czy inteligentne sieci, uk艂ady te spotykaj膮 si臋 z pewnymi ograniczeniami dotycz膮cymi poprawnego dzia艂ania w wysokich temperaturach. Poszukuje si臋 obecnie sposob贸w na poszerzenie mo偶liwo艣ci dzia艂ania w temperaturach osi膮gaj膮cych nawet 300 掳C, zachowuj膮c jednak du偶膮 g臋sto艣膰 upakowania komponent贸w w uk艂adach scalonych oraz akceptowalne koszty. Wi膮偶e si臋 to z konieczno艣ci膮 opracowania nowych metod wykonywania wysoko zintegrowanych uk艂ad贸w, z wykorzystaniem nowych technologii p贸艂przewodnikowych, nowych materia艂贸w oraz strategii monta偶u.

Wychodz膮c naprzeciw tym potrzebom, konsorcjum z艂o偶one z pi臋ciu instytut贸w Towarzystwa Fraunhofera rozpocz臋艂o prace nad projektem HOT-300. Konsorcjum tworzy uk艂ady CMOS i MEMS, kt贸re s膮 stabilne i zdolne do d艂ugotrwa艂ego dzia艂ania w temperaturach osi膮gaj膮cych 300 掳C, wykonuje si臋 je z materia艂贸w ceramicznych nowej generacji. W ramach projektu opracowywane s膮 r贸wnie偶 nowe metody analizy defekt贸w produkt贸w, oceny ich niezawodno艣ci, modelowania i przewidywania zachowa艅.

Jednym z owoc贸w bada艅 naukowc贸w Towarzystwa Fraunhofera jest system DACSHT: System kontroli i akwizycji danych do zastosowa艅 wysokotemperaturowych (DACSHT - Data Acquisition and Control System for High-Temperature Applications). Zosta艂 opracowany przez Instytut Uk艂ad贸w i System贸w Mikroelektronicznych Fraunhofera (IMS - Fraunhofer Institute of Microelectronic Circuits and Systems) w odpowiedzi na zapotrzebowanie na elektroniczne systemy pomiaru i kontroli mog膮ce pracowa膰 w temperaturach powy偶ej 250掳C.W niekt贸rych tego typu zastosowaniach mo偶liwe jest umieszczenie komponent贸w elektronicznych z dala od wysokich temperatur, jednak istnieje wiele przypadk贸w, gdzie takie rozwi膮zanie okazuje si臋 nieop艂acalne ze wzgl臋du na problemy z komunikacj膮, jako艣ci膮 sygna艂u oraz ograniczenia przestrzenne. Przyk艂adami mog膮 tu by膰 systemy obs艂ugi wykorzystywane przy odwiertach gazowych i naftowych, w silnikach lotniczych i kosmicznych, czy te偶 pierwsze z zastosowa艅 systemu DACS-HT: system chemicznego mikroreaktora.


Uk艂ad przetwornika ADC

Podstaw膮 DACS-HT jest grupa zintegrowanych obwod贸w sk艂adaj膮ca si臋 z pi臋ciu uk艂ad贸w scalonych wytworzonych w technologii IMS HT-SOI CMOS. Ta technologia wysokotemperaturowego osadzania krzemu na izolatorze pozwala wykorzysta膰 niskie pr膮dy up艂ywu uk艂ad贸w SOI (Silicon-On-Insulator) do rozszerzenia zakresu pracy obwod贸w CMOS do temperatury 250掳C i wy偶szej oraz zwi臋ksza niezawodno艣膰 uk艂adu poprzez u偶ycie z艂膮czy wolframowych, odpornych na bardzo wysokie temperatury.

Wy偶ej wspomniany zestaw pi臋ciu uk艂ad贸w scalonych zawiera w sobie: bramk臋 transmisji danych, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), generator PWM, pami臋膰 EEPROM oraz uk艂ad czujnika ci艣nienia. Komunikacj臋 pomi臋dzy czterema uk艂adami umo偶liwia odmiana szyny I虏C/SMD. Wszystkie uk艂ady s膮 podpi臋te pod t臋 szyn臋. Za sterowanie szyn膮 odpowiada bramka transmisji danych. Czujnik ci艣nienia - mikromechaniczny sensor zintegrowany na jednej p艂ytce razem z obwodami przetwarzaj膮cymi sygna艂, mo偶e by膰 zamontowany z dala od innych uk艂ad贸w. Jest po艂膮czony z przetwornikiem ADC przez specjalnie przeznaczony do tego interfejs. Wszystkie uk艂ady dzia艂aj膮 na jednym zasilaczu 5V, sygna艂y cyfrowe s膮 kompatybilne z TTL. Interfejs do komputera steruj膮cego PC 艂膮czy ponad 31 bramek transmisyjnych poprzez szyn臋 realizuj膮c膮 asynchroniczy protok贸艂 half-duplex. Inne uk艂ady u偶ywaj膮 do transmisji danych podtypu popularnego protoko艂u I虏C/SMD. Dla zwi臋kszenia niezawodno艣ci komunikacji na obu szynach zastosowano system sum kontrolnych CRC (Cyclic Redundancy Check). Dodatkowe szyny alarmowe s膮 u偶ywane do obs艂ugi sytuacji wyj膮tkowych.


Diagram blokowy komunikacji pomi臋dzy poszczg贸lnymi uk艂adami

Bramka transmisji danych

Za pomoc膮 bramki transmisji danych, asynchroniczna, globalna magistrala o zr贸偶nicowanym sterowaniu przechodzi w synchroniczn膮, lokaln膮 szyn臋. Mo偶e ona obs艂ugiwa膰 transmisj臋 o sta艂ej pr臋dko艣ci, ale tak偶e wykorzystywa膰 automatyczn膮 detekcj臋 pr臋dko艣ci transmisji od 1.2 do 460.8 kBaud. Jej adres na szynie globalnej mo偶e by膰 ustawiony statycznie albo poprzez protok贸艂 ARP (Address Resolution Protocol- protok贸艂 odwzorowywania adres贸w). Ponadto zosta艂a wyposa偶ona tak偶e w programowalny, czasowy uk艂ad watchdog, cyfrowy uk艂ad we/wy oraz kontrolery szyn alarmowych. Mo偶e tak偶e generowa膰 sygna艂y zegarowe oraz resetuj膮ce dla innych uk艂ad贸w scalonych

Pami臋膰 EEPROM

W pami臋ci EEPROM mo偶e by膰 przechowywanych 128 bajt贸w danych, mog膮 to by膰 np. numery seryjne albo dane kalibracyjne. U偶ycie uk艂adu EEPROM jako pami臋ci nieulotnej w 艣rodowisku charakteryzuj膮cym si臋 bardzo wysokimi temperaturami, wi膮偶e si臋 z problemem, jakim jest kr贸tki czas retencji danych. Problem zosta艂 rozwi膮zany przez specjalne topologie po艂膮cze艅 w pami臋ci EEPROM, 艂agodz膮ce ten efekt. Ponadto kodowanie nadmiarowe, umo偶liwiaj膮ce korekcj臋 pojedynczych b艂臋d贸w oraz detekcj臋 b艂臋d贸w powtarzaj膮cych si臋 wraz ze zmiennym odczytem napi臋cia, pozwala na wczesne ostrze偶enia przed utrat膮 danych. Te cechy pami臋ci daj膮 tw贸rcom system贸w mo偶liwo艣ci konieczne do implementacji mechanizm贸w od艣wie偶ania danych 鈥瀗a 偶膮danie”, znacz膮co zwi臋kszaj膮c czas efektywnej retencji danych oraz wyd艂u偶aj膮c 偶ycie kom贸rek pami臋ci EEPROM.


128-bajtowa pami臋膰 EEPROM

Przetwornik ADC

Przetwornik ADC umo偶liwia wykonanie a偶 8 r贸偶nych pomiar贸w, kt贸re mog膮 pochodzi膰 z 8 wej艣膰 analogowych albo ze specjalnego interfejsu sensora ci艣nienia. Obs艂ugiwana jest ka偶da kombinacja tych sygna艂贸w. Realizacj膮 rdzenia ADC jest proporcjonalny przetwornik algorytmiczny, dzia艂aj膮cy wed艂ug zasady RSD, w kt贸rym zaimplementowano filtr z prze艂膮czanym kondensatorem. Jego cz臋stotliwo艣膰 pr贸bkowania wynosi 1 kHz, rozdzielczo艣膰 - 鈥 12 bit贸w. Przetwornik ADC mo偶e by膰 zaprogramowany w taki spos贸b, 偶e ka偶de dwie przetwarzane warto艣ci s膮 por贸wnywane z programowaln膮 warto艣ci膮 progow膮, a urz膮dzenie mo偶e wys艂a膰 sygna艂 o wyst膮pieniu stanu alarmowego do bramki transmisji danych. Wyj艣cia pr膮dowe s膮 dost臋pne dla czterech z o艣miu wej艣膰 sygna艂贸w analogowych. Mog膮 by膰 u偶yte jako 藕r贸d艂a pr膮du dla sensor贸w rezystancyjnych np. czujnika temperatury Pt1000. Nawet dwa czujniki ci艣nienia mog膮 by膰 po艂膮czone z pojedynczym przetwornikiem ADC przez specjalny, multipleksowany interfejs. Pozwala on odczytywa膰 i zapisywa膰 zar贸wno dane kalibracyjne sensora ci艣nienia, jak r贸wnie偶 umo偶liwia analogow膮 transmisj臋 sygna艂贸w powsta艂ych na skutek zmian ci艣nienia czy temperatury.

Uk艂ad czujnika ci艣nienia

Uk艂ad czujnika ci艣nienia sk艂ada si臋 z mikromechanicznego czujnika ci艣nienia wytworzonego z zastosowaniem technik obr贸bki krzemu oraz wzmacniania i dostosowywania obwodu na pojedynczej krzemowej matrycy. Wysoki stopie艅 integracji uk艂adu umo偶liwia wyj膮tkowo niewielkie wymiary sensora. Jest dost臋pnych kilka wersji tego czujnika, zakres mierzonego ci艣nienia bezwzgl臋dnego wynosi od 1 do 60 bar贸w. Dzi臋ki specjalnemu interfejsowi, 艂膮cz膮cemu uk艂ad z przetwornikiem ADC, obwody przetwarzaj膮ce sygna艂 w uk艂adzie czujnika, mog膮 by膰 programowane w celu wzmacniania sygna艂u pochodz膮cego z mikromechanicznego czujnika ci艣nienia i wykonania linearyzacji pierwszego rz臋du. Do ka偶dego przetwornika ADC mog膮 by膰 przy艂膮czone dwa czujniki ci艣nienia.

PWM

Generator PWM wytwarza sygna艂 analogowy o rozdzielczo艣ci 8 bit贸w, w postaci impuls贸w PWM (Pulse-Width Modulation). Stopie艅 wyj艣ciowy tranzystora NMOS z otwartym drenem, kt贸ry mo偶e dostarczy膰 pr膮d o nat臋偶eniu 2A (napi臋cie 24V), umo偶liwia kontrol臋 obci膮偶e艅 rezystywnych, takich jak nagrzewaj膮ce si臋 elementy.

Foto:漏 Fraunhofer IMS
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
January 17 2019 14:20 V11.11.0-1