Введение
Разработка аппаратуры газового контроля для целей промышленной безопасности и экологического контроля атмосферы основана на использовании газочувствительных сенсоров (датчиков в российской технической терминологии). Для преобразования химического сигнала в электрический в датчике используются самые разные физические принципы, и потому сенсоры значительно отличаются друг от друга по электрическим параметрам, конструкции и габаритам.
Современное развитие микроэлектронных технологий позволяет производить датчики небольших размеров и с удобными для приборостроителей габаритами. Универсальная цифровая шина обеспечивает надежную связь сенсоров с измерительной электроникой прибора. Универсальность направлена, в первую очередь, на удобства пользователя и оперативной возможности замены стандартного блока — газочувствительного модуля.
В настоящее время сотни фирм предлагают свою продукцию на российском рынке газоаналитических приборов. Каждая из них старается «привязать» покупателя к своей продукции и вводит собственный стандарт на газочувствительные датчики. Не секрет, что половину прибыли фирмы получают от продажи запасных частей и датчиков к ранее поставленной аппаратуре. Учитывая значительную территорию нашей страны и не очень развитую сеть сервисных центров, потребитель вынужден длительное время дожидаться ремонта или технического обслуживания приборов, которые обычно отправляются на завод-изготовитель. В это время производство не обеспечено надлежащим контролем из-за отсутствия приборов на рабочем месте, и создаются условия для техногенных аварий. Если производство ответственное, то приобретается сменный комплект приборов, которые большую часть времени простаивают, увеличивая затраты. Учитывая общепринятый в России межповерочный интервал в 1 год и средний срок службы датчиков 3 года, расход на обслуживание парка приборов в стране превышает стоимость первоначальных приборов.
Факт, что большинство комплектующих в отечественных приборах — импортного производства. Это значит, что газоаналитическое оборудование и системы безопасности на их основе являются в значительной мере импортозависимыми. Таким образом, стратегия государственного контроля производства газочувствительных датчиков, как и любых других датчиков, относится к разделу национальной технологической безопасности. Это не отрицает стремления достичь единых международных стандартов в газоаналитике и приборостроении.
Разработка единого стандарта для России на датчики позволит не только значительно снизить затраты на эксплуатацию газоаналитических приборов, но и снизит стоимость самих приборов. Это будет способствовать ускорению отечественных разработок датчиков или использованию взаимозаменяемых стандартных блоков. Открытый протокол обмена с сенсорным модулем позволит всем оперативно воспользоваться этим стандартом, что повысит качество газоаналитических приборов в стране. С открытым протоколом можно производить регулярную калибровку и техническое обслуживание приборов в России на стандартных отечественных, а не лицензионных зарубежных программных продуктах и создавать устройства для ремонта и настройки приборов на всей территории страны. При снижении стоимости приборов отечественных производителей увеличится спрос на них и количество используемых приборов в системах безопасности. Применение электронного сенсорного модуля упрощает метрологический контроль систем безопасности, поскольку поверяется только собственно модуль, легко снимаемый и заменяемый, а не прибор и система в целом.
Концепция создания цифрового интеллектуального датчика DIS (Digital Intellectual Sensor)
1. Цель
Создание серии датчиков DIS, обладающих единым цифровым интерфейсом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки. Датчики должны обладать возможностью «горячей замены» (PnP) и функцией идентификации и конфигурации в системе при подключении.
2. Структура системы с DIS
На рисунке 1 приведена структура системы с несколькими DIS. Она состоит из управляющего процессора системы (MASTER) и нескольких DIS (SLAVE). Управляющий процессор посылает команды в DIS и принимает от DIS результат выполнения команд.
| Рис. 1. Структура системы с несколькими DIS |
 |
3. Цифровой интерфейс
Цифровой интерфейс — шина SPI. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с I2C или 1-wire. В нем предусмотрен аппаратный выбор адресата сигналом SS (Slave Select) и дуплексный синхронизированный обмен, что позволяет обеспечить надежную и быструю работу в системе с многочисленными датчиками на одной шине. Для работы шин I2C или 1-wire необходима предварительная установка уникального порядкового номера устройства на шине, что может потребовать изменения (перепрограммирования) этого номера при смене устройства (датчика). Считается нецелесообразным мультиплексирование различных типов цифровых шин цифрового интерфейса, т.к. это приводит к усложнению процедуры включения DIS в систему и, в итоге, снижает надежность идентификации датчика в системе. DIS должен содержать микроконтроллер, обеспечивающий функции обмена данными по SPI-шине, управления, преобразования сигнала чувствительного элемента, а также сохранения настроек и калибровочных данных датчика.
4. Протокол обмена данными
Протокол обмена данными должен быть единым для всех DIS без исключения. Он состоит из запроса управляющего процессора системы и ответа датчика. Запрос состоит из поля стартового байта, байта команды, байтов данных и контрольной суммы. Ответ DIS состоит из стартового байта, байта состояния DIS, байтов данных и контрольной суммы. Состав набора команд может быть разным для разных типов DIS, но он должен быть унифицированным. Если, например, команда под номером 0х10 предписывает прочесть значение напряжения питания датчика, то эта команда для всех типов DIS должна быть под номером 0х10. Управляющий процессор системы постоянно запрашивает систему на предмет подключения новых DIS, управляет подключением новых датчиков и получает данные от уже подключенных DIS.
5. Техническая реализация системы
Следует отметить, что относительно недавно появились микроконтроллеры в миниатюрных корпусах, пригодных для использования в цифровых датчиках. Одним из них является микросхема С8051F520-IM производства Silicon Labs. Этот микроконтроллер выполнен в корпусе QFN10 и имеет габариты 3×3 мм. Микроконтроллер построен на основе ядра 8051 с RISC-архитектурой, имеет 8 Кбайт FLASH ROM команд и данных с возможностью внутрисистемного программирования (нет необходимости в EEPROM), 256 байт RAM, 12-разрядный АЦП с временем преобразования 5 мкс, встроенный температурный датчик, аппаратную реализацию SPI-интерфейса, 3 таймера, монитор питания и WDT. Производительность — до 25 MIPS при тактовой частоте 25 МГц, напряжение питания 2,7…5,5 В. Этот микроконтроллер может обеспечить большинство вариантов исполнения DIS. При необходимости введения дополнительного числа портов используются другие микроконтроллеры, например С8051F530-IM или С8051F300.
У микроконтроллера ATtiny84 производства Atmel в корпусе QFN20 — примерно те же характеристики, что и у С8051F520-IM: габариты 4×4 мм, 8 Кбайт FLASH ROM, 512 байт EEPROM и 512 байт RAM, 10-разрядный АЦП, аппаратный интерфейс SPI, 2 таймера и WDT, монитор питания. Напряжение питания — 1,8…5,5 В. Производительность — 20 MIPS при частоте 20 МГц.
В качестве управляющего контроллера системы можно применять любые серийные микроконтроллеры с аппаратным SPI-интерфейсом, необходимой производительностью и объемом памяти.
Пример реализации цифрового датчика
Одним из самых простых, с точки зрения технической реализации, является датчик кислорода на основе электрохимического чувствительного элемента O2-A3 компании ALPHASENSE (см. рис. 2).
 |
Рис. 2. Датчик кислорода компании ALPHASENSE |
Таблица 1. Основные технические характеристики датчика кислорода DIS.O2.01
|
Напряжение питания, В |
+3 ± 0,3 |
|
Потребляемый ток в рабочем режиме, не более, мкА |
1500 |
|
Потребляемый ток в спящем режиме, не более, мкА |
60 |
|
Диапазон измерения концентрации кислорода, об. |
0…30% |
|
Погрешность преобразования, не более, % |
10 |
|
Время выхода в рабочий режим, не более, с |
60 |
|
Рабочий диапазон температуры, °С |
–30…50 |
|
Межповерочный интервал, лет |
1 |
|
Срок службы, не менее, лет |
3 |
Режим работы SPI-шины датчика
1. Максимальная частота сигнала CLK — 125 кГц.
2. Начальное состояние CLK — 0.
3. Считывание бита данных происходит при переходе сигнала CLK 0 -> 1.
4. При переходе CLK 1 -> 0 происходит смена данных, появляется новый бит.
5. Количество битов в пакете — 8. Первый бит — старший (MSB — first).
6. Обмен данными с выбранным DIS начинается при переходе SS 1 -> 0. Первый строб 0 –> 1 сигнала CLK должен появиться не ранее 10 мкс после этого перехода.
7. Обмен заканчивается при переходе SS 0->1.
Схема датчика приведена на рисунке 3.
| Рис. 3. Схема датчика DIS.O2.01 |
 |
Схема датчика выполнена на основе микроконтроллера ATTINY84-20MU фирмы Atmel в корпусе QFN20 с размерами 4×4 мм. Микросхема имеет 10-разрядный АЦП с дифференциальными входами и внутренним усилителем. Включение датчика по дифференциальной схеме удобно с точки зрения использования чувствительных элементов с токовым выходом, т.к. для получения выходного сигнала по напряжению выход датчика шунтируется резистором малой величины (около 100 Ом). Микроконтроллер содержит датчик температуры, точность которого невысока (±2°С после калибровки в диапазоне температур –40…80°С), но вполне подходит для компенсации температурной зависимости чувствительного элемента. Также микроконтроллер постоянно отслеживает напряжение питание датчика. Для этого сигнал с делителя R2-R3 подается на вход АЦП ADC2.
Работы, проводимые группой инженеров ФГУП НПП «Дельта», направлены на создание и развитие концепции цифровых датчиков с открытым протоколом. Реализация проекта намечена на 2011 г. Все необходимые условия для перехода на цифровой датчик уже созданы. Планируется выпуск нескольких типов цифровых датчиков DIS с единым протоколом и форм-фактором, а также программаторов для калибровки и записи конфигурации датчика.