Intelligente Sensorvernetzung

IO-Link-Kommunikation für Sensoren und Aktoren

| Autor / Redakteur: Rich Miron * / Gerd Kucera

Signale kleiner Amplitude erfassen und aufbereiten

Eine bedeutende Herausforderung bei der Realisierung von Sensor-Lösungen, insbesondere in industriellen Anwendungen, liegt in der Erfassung und Aufbereitung von Signalen sehr kleiner Amplitude, die durch das erfassende Element erzeugt wurden.

Insbesondere neigen industrielle Anwendungen dazu, hohen elektrischen Störungen und Überspannungen zu unterliegen, sodass präzise Analogschaltungen nötig sind, die die erfassten Sensorwerte in relevante digitale Signale konvertieren, die vom Mikrocontroller oder digitalen Signalprozessor verarbeitet werden können.

Texas Instruments hat eine Reihe solcher analogen Frontend-ICs als Ein-Chip-Lösung für verschiedene Erfassungsanwendungen entwickelt. Der ADS1248 ist ein Analog/Digital-Converter mit 24 Bit und 2 kS/s. Er ist für den Einsatz in Temperatursensoren optimiert und integriert neben einer Präzisionsstromquelle einen rauscharmen PGA (Programmable Gain Amplifier), einen Präzisions-ADC (Deta-Sigma-Wandler) mit digitalem Filter und eine Spannungsreferenz mit niedriger Drift.

Die Präzisions-Stromquelle lässt sich verwenden, um einen Thermistor oder anderen Temperaturfühler vom RTD-Typ zu versorgen. Der Mikrocontroller kann die Netzwerkschnittstellen- und Host-Kommunikation, sowie bei Bedarf andere Funktionen, etwa die Ansteuerung einer lokalen Anzeige, übernehmen.

Mit der Bezeichnung PGA309 gibt es von Texas einen Sensorkonditionierer (Signalkonditionierer) mit programmierbarer Ausgangsspannung, der für die Verwendung mit beispielsweise piezoresistiven Sensoren oder Keramikfolien-Drucksensoren optimiert ist. Er verfügt über eine eingebaute Schaltung zur Kompensation von Linearisierungsfehlern, Bereichs-, Offset- und Temperaturdrift sowie zur Kalibrierung.

Der Konditionierer ist auch in der Lage zu erkennen, ob der Sensor einen Fehler aufweist. Darüber hinaus entwickelte Texas eine Vielzahl diskreter Präzisions-ADCs, wie den ADS1274, der Abtastungen bis zu 144 kS/s vorzunehmen kann, was die Verwendung mit Sensoren wie Durchflussmessern ermöglicht.

Standardisierte Schnittstellen zur Sensor-Vernetzung

Es gibt einige Hürden, die eine schnelle Entwicklung von innovativen Sensoren bremst. Dazu gehören verschiedene Inkompatibilitäten zwischen Sensormaterialien bzw. Sensortechniken und ihre enge Integration in das Chip-Gehäuse. Vielleicht noch wichtiger ist die Tatsache, dass Sensor-Produzenten nicht unbedingt mehrere Varianten für den Anschluss an zahlreiche Netzwerkstandards wie Ethernet, Profibus oder andere entwickeln wollen.

Möglicherweise will der Hersteller es auch vermeiden, sich mit den komplexen Aspekten der Netzwerk-Konnektivität auseinandersetzen. Doch um diese Probleme zu beheben, wurden die IEEE-1451-Standards etabliert; sie beschreiben einheitliche Schnittstellen zwischen den Sensor- und Netzwerkverbindungsfunktionen eines intelligenten Sensor. Bild 3 zeigt, wie die IEEE-1451-Initiative den Sensor in Module unterteilt, um die Standardisierung zu ermöglichen.

Diese Unterteilung sorgt für ein konformes Sensormodul eines beliebigen Herstellers, das in ein kompatibles Netzwerk-Schnittstellenmodul eines beliebigen anderen Herstellers integriert werden kann. Das Netzwerk-Schnittstellenmodul unterstützt dann Ethernet, Profibus oder eine andere Art von Konnektivität.

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