Pięć umiejętności projektowych i wskaźników technicznych czujnika

Liczba czujników stale rośnie na powierzchni Ziemi i w otaczającej nas przestrzeni, dostarczając światu danych. Te niedrogie czujniki są siłą napędową rozwoju Internetu rzeczy i rewolucji cyfrowej, z którą mierzy się nasze społeczeństwo. Jednak łączenie się z czujnikami i uzyskiwanie dostępu do danych z nich nie zawsze przebiega łatwo i bezproblemowo. W niniejszym artykule przedstawiono indeks techniczny czujników, 5 umiejętności projektowych i przedsiębiorstwa OEM.

Przede wszystkim, indeks techniczny stanowi obiektywną podstawę charakterystyki działania produktu. Zrozumienie wskaźników technicznych pomaga w prawidłowym wyborze i użytkowaniu produktu. Wskaźniki techniczne czujnika dzielą się na wskaźniki statyczne i dynamiczne. Wskaźniki statyczne badają głównie działanie czujnika w warunkach statycznej niezmienności, w tym rozdzielczość, powtarzalność, czułość, liniowość, błąd powrotu, próg, pełzanie, stabilność itd. Indeks dynamiczny bada głównie działanie czujnika w warunkach szybkich zmian, w tym odpowiedź częstotliwościową i odpowiedź skokową.

Ze względu na liczne wskaźniki techniczne czujnika, różne dane i literatura opisywane są z różnych punktów widzenia, co powoduje, że różne osoby mają różne rozumienie, a nawet nieporozumienia i niejasności. W tym celu interpretuje się kilka następujących głównych wskaźników technicznych czujnika:

1. rozdzielczość i rozdzielczość:

Definicja: Rozdzielczość odnosi się do najmniejszej mierzonej zmiany, jaką czujnik może wykryć. Rozdzielczość odnosi się do stosunku rozdzielczości do wartości pełnej skali.

Interpretacja 1: Rozdzielczość to najprostszy wskaźnik czujnika. Reprezentuje ona zdolność czujnika do rozróżniania mierzonych obiektów. Pozostałe parametry techniczne czujnika są opisywane w kategoriach rozdzielczości jako jednostki minimalnej.

W przypadku czujników i instrumentów z wyświetlaczem cyfrowym rozdzielczość określa minimalną liczbę wyświetlanych cyfr. Na przykład rozdzielczość elektronicznego suwmiarki cyfrowej wynosi 0,01 mm, a błąd wskaźnika wynosi ±0,02 mm.

Interpretacja 2: Rozdzielczość to liczba bezwzględna z jednostkami. Na przykład, rozdzielczość czujnika temperatury wynosi 0,1°C, rozdzielczość czujnika przyspieszenia wynosi 0,1g itd.

Interpretacja 3: Rozdzielczość to pojęcie pokrewne i bardzo podobne do rozdzielczości, oba oznaczają rozdzielczość czujnika w odniesieniu do pomiaru.

Główną różnicą jest to, że rozdzielczość jest wyrażona jako procent rozdzielczości czujnika. Jest ona względna i nie ma wymiaru. Na przykład, rozdzielczość czujnika temperatury wynosi 0,1°C, pełny zakres to 500°C, a rozdzielczość wynosi 0,1/500=0,02%.

2. Powtarzalność:

Definicja: Powtarzalność czujnika odnosi się do stopnia różnicy pomiędzy wynikami pomiarów, gdy pomiar jest powtarzany wielokrotnie w tym samym kierunku i w tych samych warunkach. Nazywana jest także błędem powtarzania, błędem reprodukcji itp.

Interpretacja 1: Powtarzalność czujnika to stopień różnicy między wieloma pomiarami uzyskanymi w tych samych warunkach. Jeżeli warunki pomiaru ulegną zmianie, porównywalność wyników pomiarów zaniknie, czego nie można wykorzystać jako podstawy do oceny powtarzalności.

Interpretacja 2: Powtarzalność czujnika odzwierciedla rozproszenie i losowość wyników pomiarów czujnika. Powodem takiego rozproszenia i losowości jest fakt, że wewnątrz i na zewnątrz czujnika nieuchronnie występują różne zakłócenia losowe, w wyniku czego końcowe wyniki pomiarów czujnika wykazują cechy zmiennych losowych.

Interpretacja 3: Odchylenie standardowe zmiennej losowej można wykorzystać jako powtarzalne wyrażenie ilościowe.

Interpretacja 4: W przypadku wielokrotnych, powtarzanych pomiarów można uzyskać wyższą dokładność pomiaru, jeżeli jako ostateczny wynik pomiaru przyjmie się średnią wszystkich pomiarów. Dzieje się tak, ponieważ odchylenie standardowe średniej jest znacznie mniejsze niż odchylenie standardowe każdego pomiaru.

3. Liniowość:

Definicja: Liniowość (Linearity) odnosi się do odchylenia krzywej wejściowej i wyjściowej czujnika od idealnej linii prostej.

Interpretacja 1: Idealna zależność między wejściem/wyjściem czujnika powinna być liniowa, a jej krzywa wejścia/wyjścia powinna być linią prostą (czerwona linia na poniższym rysunku).

Jednak sam czujnik ma wiele błędów, w wyniku czego rzeczywista krzywa wejściowa i wyjściowa nie jest idealną linią prostą, lecz krzywą (zielona krzywa na poniższym rysunku).

Liniowość to stopień różnicy między rzeczywistą krzywą charakterystyczną czujnika a linią offline, znany również jako nieliniowość lub błąd nieliniowy.

Interpretacja 2: Ponieważ różnica między rzeczywistą krzywą charakterystyczną czujnika a linią idealną jest różna dla różnych rozmiarów pomiaru, w pełnym zakresie często stosuje się stosunek maksymalnej wartości różnicy do wartości pełnego zakresu. Oczywiste jest, że liniowość jest również wielkością względną.

Interpretacja 3: Ponieważ dla ogólnej sytuacji pomiarowej nieznana jest idealna linia czujnika, nie można jej uzyskać. Z tego powodu często stosuje się metodę kompromisową, czyli bezpośrednie wykorzystanie wyników pomiarów czujnika do obliczenia linii dopasowania, która jest bliska linii idealnej. Konkretne metody obliczeń obejmują metodę linii końcowej, metodę najlepszej linii, metodę najmniejszych kwadratów i tak dalej.

4. Stabilność:

Definicja: Stabilność to zdolność czujnika do utrzymania swojej wydajności przez określony czas.

Interpretacja 1: Stabilność to główny wskaźnik pozwalający sprawdzić, czy czujnik pracuje stabilnie w pewnym zakresie czasu. Czynniki powodujące niestabilność czujnika to głównie dryft temperaturowy i uwalnianie naprężeń wewnętrznych. Dlatego też pomocne jest zwiększenie kompensacji temperaturowej i poddanie obróbce starzeniowej w celu poprawy stabilności.

Interpretacja 2: Stabilność można podzielić na stabilność krótkoterminową i długoterminową w zależności od długości okresu. Gdy czas obserwacji jest zbyt krótki, stabilność i powtarzalność są bliskie. Dlatego indeks stabilności bada głównie stabilność długoterminową. Konkretny okres czasu, w zależności od wykorzystania środowiska i wymagań, należy określić.

Interpretacja 3: Do ilościowego wyrażenia wskaźnika stabilności można użyć zarówno błędu bezwzględnego, jak i błędu względnego. Na przykład czujnik siły typu odkształcenia ma stabilność równą 0,02%/12 godz.

5. Częstotliwość pobierania próbek:

Definicja: Częstotliwość próbkowania odnosi się do liczby wyników pomiarów, które czujnik może pobrać w jednostce czasu.

Interpretacja 1: Częstotliwość próbkowania jest najważniejszym wskaźnikiem dynamicznych cech czujnika, odzwierciedlającym zdolność czujnika do szybkiej reakcji. Częstotliwość próbkowania jest jednym ze wskaźników technicznych, które należy w pełni uwzględnić w przypadku szybkich zmian pomiaru. Zgodnie z prawem próbkowania Shannona, częstotliwość próbkowania czujnika nie powinna być mniejsza niż dwukrotność częstotliwości zmian mierzonej wartości.

Interpretacja 2: Wraz ze zmianą częstotliwości zmienia się również dokładność czujnika. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa częstotliwość próbkowania, tym niższa dokładność pomiaru.

Największą dokładność czujnika uzyskuje się często przy najniższej prędkości próbkowania lub nawet w warunkach statycznych. Dlatego przy wyborze czujnika należy wziąć pod uwagę precyzję i prędkość.

Pięć wskazówek dotyczących projektowania czujników

1. Zacznij od narzędzia autobusowego

Na początek inżynier powinien podłączyć czujnik za pomocą narzędzia magistrali, aby ograniczyć nieznane. Narzędzie magistrali łączy komputer osobisty (PC), a następnie z protokołem I2C, SPI lub innym protokołem czujnika, który umożliwia czujnikowi „komunikację”. Aplikacja komputerowa powiązana z narzędziem magistrali, która zapewnia znane i działające źródło do wysyłania i odbierania danych, a nie jest nieznanym, nieuwierzytelnionym sterownikiem wbudowanego mikrokontrolera (MCU). W kontekście narzędzia magistrali, deweloper może wysyłać i odbierać wiadomości, aby zrozumieć, jak działa sekcja, zanim spróbuje działać na poziomie wbudowanym.

2. Napisz kod interfejsu transmisyjnego w Pythonie

Gdy deweloper spróbuje już użyć czujników narzędzia magistrali, następnym krokiem jest napisanie kodu aplikacji dla czujników. Zamiast przechodzić bezpośrednio do kodu mikrokontrolera, napisz kod aplikacji w Pythonie. Wiele narzędzi magistrali konfiguruje wtyczki i przykładowy kod podczas pisania skryptów, które Python zazwyczaj obsługuje .NET, jeden z języków dostępnych w .NET. Pisanie aplikacji w Pythonie jest szybkie i łatwe, a także umożliwia testowanie czujników w aplikacjach, które nie są tak złożone, jak testowanie w środowisku wbudowanym. Posiadanie kodu wysokiego poziomu ułatwi inżynierom nie zajmującym się systemami wbudowanymi analizowanie skryptów i testów czujników bez konieczności angażowania inżyniera oprogramowania wbudowanego.

3. Przetestuj czujnik za pomocą Micro Python

Jedną z zalet pisania pierwszego kodu aplikacji w Pythonie jest to, że wywołania aplikacji do interfejsu programowania aplikacji (API) narzędzia Bus-utility można łatwo zamienić, wywołując Micro Python. Micro Python działa w oprogramowaniu wbudowanym w czasie rzeczywistym, które wykorzystuje wiele czujników, pozwalających inżynierom zrozumieć jego wartość. Micro Python działa na procesorze Cortex-M4 i stanowi dobre środowisko do debugowania kodu aplikacji. Jest nie tylko prosty, ale także nie wymaga pisania sterowników I2C ani SPI, ponieważ są one już uwzględnione w bibliotece funkcji Micro Pythona.

4. Użyj kodu dostawcy czujnika

Każdy przykładowy kod, który uda się „zeskrobać” od producenta czujników, sprawi, że inżynierowie będą musieli przejść długą drogę, aby zrozumieć, jak działa czujnik. Niestety, wielu dostawców czujników nie jest ekspertami w projektowaniu oprogramowania wbudowanego, więc nie spodziewaj się znaleźć gotowego do produkcji przykładu pięknej architektury i elegancji. Wystarczy wykorzystać kod dostawcy, nauczyć się, jak działa ta część, a frustracja związana z refaktoryzacją wzrośnie, dopóki nie będzie można go czysto zintegrować z oprogramowaniem wbudowanym. Może się to zacząć jako „spaghetti”, ale wykorzystanie wiedzy producentów na temat działania ich czujników pomoże ograniczyć wiele zmarnowanych weekendów przed wprowadzeniem produktu na rynek.

5. Użyj biblioteki funkcji łączenia czujników

Istnieje prawdopodobieństwo, że interfejs transmisyjny czujnika nie jest nowy i nie był wcześniej wykorzystywany. Znane biblioteki wszystkich funkcji, takie jak „Sensor Fusion function Library” udostępniane przez wielu producentów układów scalonych, pomagają programistom szybko się uczyć, a nawet lepiej, i uniknąć cyklu ponownego opracowywania lub drastycznej modyfikacji architektury produktu. Wiele czujników można zintegrować w ogólne typy lub kategorie, a te typy lub kategorie umożliwią płynny rozwój sterowników, które, jeśli zostaną prawidłowo obsłużone, będą niemal uniwersalne lub mniej nadające się do ponownego wykorzystania. Znajdź te biblioteki funkcji łączenia czujników i poznaj ich mocne i słabe strony.

Gdy czujniki są zintegrowane z systemami wbudowanymi, istnieje wiele sposobów na skrócenie czasu projektowania i zwiększenie łatwości użytkowania. Programiści nigdy nie popełnią „błędu”, jeśli poznają zasady działania czujników na wysokim poziomie abstrakcji na początku projektowania i przed zintegrowaniem ich z systemem niższego poziomu. Wiele dostępnych obecnie zasobów pomoże programistom „od razu zacząć działać”, bez konieczności zaczynania od zera.