15 мая 2016г.
В настоящее время происходит бурное развитие беспроводных сенсорных сетей, которые представляют собой сеть, состоящую из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств — сенсорных узлов [1]. В настоящее время на промышленных объектах требуется внедрение беспроводных сенсорных сетей [2], которые позволяют организовать круглосуточный мониторинг давления. Для разработки беспроводного сенсорного узла (БСУ) с возможностью проводить мониторинг давления в режиме реального времени, требуется использование универсальных цифровых датчиков давления, которые не зависят от особенностей каждого тензомодуля. Разработка такого универсального цифрового датчика абсолютного давления (ЦДАД) с единым протоколом обмена позволяет увеличить надёжность сенсорных сетей и сократить время замены отдельного датчика. Разработанный ЦДАД может применяться в системах автоматизации различных отраслей, таких, как энергетика, нефтяная и газовая отрасль [3]. Актуальность создания ЦДАД подтверждается наличием проблемы уникальности каждого тензомодуля. Происходит это из-за невозможности технологического создания абсолютно одинаковых чувствительных элементов давления (ЧЭД). ЦДАД решает эту проблему при помощи универсального протокола обмена.
Цифровой датчик абсолютного давления (ЦДАД) состоит из тензомодуля (преобразователя) абсолютного давления ТДМ-203 (НПК «Технологический Центр») и микроконтроллера 1986ВЕ4У1. ЦДАД сконструирован на отечественной элементно-компонентной базе, имеет диапазон рабочих температур: от минус 50°С до + 80°С, а также способен функционировать при предельной пониженной и повышенной температуре среды – минус 60°С и + 125°С. При разработке программного обеспечения микроконтроллера ЦДАД был создан специализированный протокол обмена по SPI с внешним цифровым устройством. Разработанный ЦДАД имеет следующие технические характеристики: давление от 0 до 0,63 МПа, интерфейс внешнего пользователя – SPI, интерфейс для программирования – JTAG, напряжение питания 5В. Микроконтроллер ЦДАД тактируется внутренним генератором HSI 8 MГц, измерение сигнала ЧЭД проводится ратиометрическим методом. Также программно- аппаратное решение поддерживает температурную компенсацию чувствительности, начального смещения и нелинейности тензомодуля давления. Габариты ЦДАД 45x30x25 мм.
Технические характеристики тензомодуля ТДМ-203, входящего в состав цифрового датчика абсолютного давления, представлены в Табл.1. Основная часть преобразователя давления – это преобразовательный чувствительный элемент давления, от работы которого зависит чувствительность всего датчика. Тензочувствительный кристалл интегрального преобразователя давления (ИПД) монтируется в корпус в составе сборки (чувствительного элемента давления), обеспечивающей механическую развязку от корпуса. Между кристаллом ИПД и кремниевой крышкой (прокладкой защитной) в процессе сборки образована вакуумная полость. Кремниевые детали ЧЭД соединены в вакууме стеклом. Конструкция тензомодуля обеспечивает защиту электрической схемы кристалла ИПД и выводов от воздействия влаги. Выходная характеристика нескольких ЧЭД представлена на Рисунке 1, как видно каждая из кривых имеет существенные отличия от остальных.
В качестве микроконтроллера управления ЦДАД был выбран отечественный 32-разрядный 1986ВЕ4У со встроенной Flash памятью программ, который построен на базе низкопотребляемого процессорного RISC ядра ARM Cortex-M0. Весомым аргументом в пользу выбора данного микроконтроллера является наличие 8 каналов 24- х битных независимых ΣΔ АЦП. Каждый такой канал ΣΔ АЦП может быть включен или отключен независимо от других каналов, и имеет отдельный канал прямого доступа в память, что позволяет точно измерять выходной сигнал с тензомодуля.
Таблица 1
Технические характеристики тензомодуля ТДМ-203
|
Верхний предел давления, Рном, МПа
|
0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63
|
|
Выходное напряжение при Р=0, мВ
|
- 6 ... + 6
|
|
Диапазон изменения выходного напряжения При Р=Рном, мB
|
40 ... 150
|
|
Нелинейность выходной характеристики, %
|
не более 0,25
|
|
Температурный коэффициент «нуля», %/10°С
|
не более 0,25
|
|
Температурный коэффициент чувствительности,
%/10°С
|
не более 0,25
|
Для программирования и калибровки ЦДАД разработан специальный программатор, который представляет собой цифровую плату 5 слотами для ЦДАД. Данный программатор работает с ПК через USB порт. Один из 5 слотов функционирует, как программатор микроконтроллера входящего в состав ЦДАД, остальные используются для калибровки. В состав программатора ЦДАД входит коммуникационный микроконтроллер 1986ВЕ93, построенный на базе высокопроизводительного процессорного RISC ядра ARM Cortex-M3, содержат встроенную 128 Кбайт Flash-память программ и 32 Кбайт ОЗУ.
Программатор имеет два разъёма JTAG, один из которых используется для зашивки нужной конфигурации единственного программируемого слота. Габаритные размеры программатора-отладчика 265x70x65 мм. На Рисунках 2 и 3 представлены фотографии ЦДАД вместе с отладочной платой как в сборе, так и отдельно.
В ходе работы был создан макетный образец ЦДАД, который позволяет измерять давление газовых сред. Было создано специальное программное обеспечение микроконтроллера ЦДАД, а также разработан универсальный протокол обмена данными по SPI с внешним устройством. Был создан прототип программатора, который позволяет отлаживать данные сенсоры. Разработка универсального цифрового датчика абсолютного давления с использованием отечественной ЭКБ позволит использовать такие модули
в беспроводных сенсорных сетях на объектах промышленности.
Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0134, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0134) с использованием
оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика
микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр».
Список литературы
1.
A.V. Sukhanov, A.I. Artemova, A.V. Ivanov .Development Of Autonomous Sensor Node Using Gas Sensor For Systems Of Industrial
Safety And Ecological Monitoring. International Journal of Applied Engineering Research , ISSN 0973-4562 Volume 10, Number 21 (2015). Pp. 42672-42676
2.
Суханов А.В., Прокофьев И.В., Гусев Д.В. Мультиагентная система мониторинга web-датчиков, созданная на основе наносенсорики // Нано- и микросистемная техника. -2014. №6. –С. 42-45
3.
Тиняков Ю. Н., Милешин С. А., Андреев К. А., Цыганков В. Ю. Анализ конструкций зарубежных прототипов датчиков давления // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана . 2011. №09. С.4.
