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Von Automotive bis IoT

Digitalisierung treibt Nachfrage nach Drucksensoren

16. Oktober 2018, 15:42 Uhr   |  Von Thomas Kupfer, Marketing Manager E-Mech CE bei Avnet Abacus


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Anforderungen an einen Drucksensor

Ändern sich die Anforderungen an einen Drucksensor im Laufe der Zeit, z.B. wenn neue IoT-basierte Anwendungen aufkommen, ist eine Datenverarbeitung am Front-End sinnvoll – sofern es die jeweilige Anwendung erlaubt. Damit lässt sich das Front-End direkt in das Sensorgehäuse integrieren. Das Signal so nahe wie möglich am Sensor in den Digitalbereich zu übertragen hat weitere Vorteile. Zwischen den Operationsverstärkern (OP) für die Signalaufbereitung und den Front-End-Verstärkern, die den A/D-Wandler speisen, besteht oft eine komplexe Beziehung. Sensorentwickler verfügen über das Know-how, um festzulegen, welche Kombination von Front-End-Komponenten die beste Wandlung für die meisten Zielanwendungen ermöglicht. Indem die A/D-Wandlung direkt in das Sensormodul integriert wird, steht dieses Know-how dem Kunden zur Verfügung. Darüber hinaus verringert sich der Aufwand, eine enge Kopplung zwischen Sensor und A/D-Wandler herzustellen, sowie das Risiko der Einkopplung von Störungen in die Schnittstelle. Dies gewährleistet eine hohe Qualität der Messwerte.

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Blockdiagramm einer Anwendung mit digitalem Drucksensor

Der Stromverbrauch ist ein weiterer Vorteil, wenn sich digitale Ausgänge so nah wie möglich am Sensor befinden. Immer kleinere integrierte Schaltkreise erhöhen die Energieeffizienz, da niedrigere Spannungen verwendet werden. Die Leistungsaufnahme ist quadratisch proportional zur Versorgungsspannung, sodass jeder Bruchteil eines Volts, der mit einer neuen Schaltungstechnologie eingespart wird, oft deutlich mehr Energieeffizienz ausmacht. Viele IoT-Sensorknoten verlegen sich darauf, den Strom in großen Bereichen der Leiterplatte abzuschalten, um wertvolle Batterieenergie zwischen den Betriebsphasen einzusparen. Sie werden nur eingeschaltet, wenn Messungen durchzuführen und die resultierenden Daten zu verarbeiten sind. Einige von ihnen bleiben möglicherweise aktiv, damit sie auf asynchrone Ereignisse reagieren können. Durch die Integration von A/D-Wandlung und Steuerlogik in den Sensor lässt sich mehr Intelligenz in das jeweilige Subsystem packen. Das System kann selbst entscheiden, Daten aus dem Pufferspeicher zu nutzen, bis sich eine wesentliche Änderung der Bedingungen ergibt, die ein Eingreifen des Mikroprozessors im Knoten erfordert.

Die Einbindung analoger Sensoren in kleine Subsysteme, die über einen digitalen Bus oder eine serielle Verbindung vernetzt sind, erleichtert die systemweite, fein abgestufte Steuerung des Stromverbrauchs. Damit verbessert sich die Energieeffizienz des gesamten IoT-Knotens, was Systeme mit Energy-Harvesting ermöglicht, statt sich nur auf Batterien zu verlassen. Eine digitale Sensorschnittstelle bietet aber noch weitere Vorteile. Mit der Verlagerung digitaler Funktionen in die Sensor-Subsysteme verringert sich bei laufendem Betrieb der Rechenaufwand für den Mikroprozessor. Müssen die Prozessorkerne ihre eigenen A/D-Wandler ansteuern, muss auch interne Firmware eingerichtet werden, um Wandlungen in präzisen Intervallen durchzuführen und die resultierenden Daten zeitnah in einen Puffer zu verschieben, um nachteilige Auswirkungen des Timing-Jitters zu minimieren. Ein digitaler Sensor kann seine eigene Steuerlogik verwenden, um Messungen zu organisieren und zu verarbeiten.

Der Host-Mikroprozessor kann Parameter wie Abtastintervalle anpassen, wenn sich die Anforderungen ändern, sodass die Flexibilität der Softwaresteuerung erhalten bleibt. Mit einem Standard-Kommunikationsbus (I2C oder SPI) für den Datenaustausch mit dem Host-Mikrocontroller können Entwickler vorhandene Firmware-Bibliotheken nutzen, um den Datenfluss jedes Sensors zu verwalten. Das beschleunigt die Markteinführung komplexer Multisensor-Designs.

Das Sensormodul lässt sich so ausgelegen, dass es die aufgezeichneten Daten puffert, bis der Host-Prozessor oder das Speicher-Subsystem bereit ist, die Information zu empfangen. Das führt zu weniger strengen Timing-Anforderungen an die Software des Mikroprozessors, was sich durch weniger Timer-Interrupts bemerkbar macht.

Damit kann ein kostengünstigerer Mikroprozessor anstelle eines Bausteins verwendet werden, der den Betrieb aller Sensorkomponenten im Detail verwalten muss. Somit verringern sich die Systemkosten.

Jede Messung, die innerhalb des IoT durchgeführt wird, ist nur von Nutzen, wenn wir wissen, wie, wann und wo diese Messung durchgeführt wurde. Entscheidend bei IoT-Sensorknoten ist deshalb, jede aufgezeichnete oder verarbeitete Messung, die an die Cloud weitergeleitet werden soll, mit beschreibenden Metadaten und den Bedingungen, unter denen die Messung durchgeführt wurde, zu kennzeichnen. Daher ist die Digitalisierung von grundlegender Bedeutung für das Wachstum im Bereich Drucksensoren und wird dazu beitragen, die vielen potenziellen Märkte für Sensorknoten weltweit voranzutreiben. Viele neue Anwendungen warten auf uns.

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