1

Sensory w systemach wbudowanych

Wiadomości wstępne

Kontakt: Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl

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 (worek@agh.edu.pl)

dr inż. Piotr Wiśniowski (pwis@agh.edu.pl)

dr inż. Wojciech Maziarz (maziarz@agh.edu.pl)

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