Analog Devices, Inc.
Avtorja: Jeff Watson in Maithil Pachchigar
2018_266_34
Robustna in precizna krmilna platforma za zajemanje podatkov za okolja z izjemno visokimi temperaturami.
Vedno večje potrebe iz industrije so privedle do večjega števila namestitev elektronike z visoko natančnostjo v bližino visokotemperaturnih območij. Za ta trend obstaja več gonilnikov, na primer pri raziskovanju energije, kjer je za dostop do težko dostopnih virov pogosto potrebna oprema, načrtovana za delovanje pri 175° C in več. Zaradi omejitev velikosti in moči aktivno hlajenje ni praktično, hkrati pa je konvekcija toplote zelo omejena. V drugih sistemih je zaželeno, da se postavijo senzorji in vozlišča za zaznavanje signalov blizu območij povišane temperature, kot so motorji, zavorni sistemi ali elektronika za pretvorbo energije za večjo moč, da se izboljša zanesljivost celotnega sistema ali zmanjšajo stroški. Vesoljska, avtomobilska, težka industrijska in druge končne aplikacije si prizadevajo za premagovanje tega razvojnega izziva.1
V preteklosti je bilo za inženirje zelo zahtevno razviti zanesljivo in visoko zmogljivo elektroniko za te aplikacije zaradi pomanjkanja razpoložljivih komponent, ki jih njihovi proizvajalci deklarirajo za te delovne pogoje. Na srečo je v zadnjih letih prišlo do vedno večjega števila komponent, IC in pasivnih komponent, ki so jih proizvajalci deklarirali za delovanje pri visoki temperaturi pri 175° C in več. Poleg tega so se nedavni referenčni projekti osredotočili tudi na zmogljivost nekaterih od teh komponent, združenih skupaj v podsistemih signalnih verig za natančno zajemanje podatkov, da bi načrtovalcem sistemov omogočili, da hitreje sprejmejo tehnologijo, kot je CN-0365 [1], in jim pomaga zmanjšati tveganja razvoja in skrajšati čas razvoja. Vendar je do zdaj obstajala vrzel za popolnoma izrazito, dobro označeno in široko dostopno platformo za izjemno natančno pridobivanje podatkov.
V tem članku predstavljamo novo visokotemperaturno, natančno platformo za zajemanje in obdelovanje podatkov, ki je zasnovana za delovanje pri 200° C. Ta platforma vključuje sklop visokotemperaturnih vezij z vezjem za zajemanje podatkov in mikrokontrolerjem, optimiziran firmware, programsko opremo za zajemanje in analizo podatkov, izvorno kodo, oblikovalskimi datotekami, spiskom komponent in poročili o preskusih. Ta platforma je primerna za referenčno zasnovo, hitro izdelavo prototipov in laboratorijsko testiranje visokotemperaturnih instrumentacijskih sistemov. Dimenzije in konstrukcija vezja sta bili zasnovani tako, da so združljivi z oljnimi in plinskimi instrumenti, čeprav jih je mogoče uporabiti tudi kot podlago za druge visokotemperaturne aplikacije.
Pregled arhitekture strojne opreme
Merilna oprema, ki se uporablja pri raziskovanju nafte in zemeljskega plina, znana tudi kot orodja za vrtine, je podobna številnim natančnim nadzornim ploščam za zajemanje podatkov in nadzor, vendar ima nekatere posebne zahteve glede zmogljivosti in zanesljivosti ter jo je zaradi tega zanimivo obravnavati kot študijo primerov za to referenčno platformo. V tej aplikaciji se vzorčijo signali iz različnih senzorjev, da se zberejo informacije o okoliških geoloških formacijah. Ti senzorji bi lahko imeli obliko elektrod, tuljav, piezoelektričnih ali drugih pretvornikov. Merilniki pospeška, magnetometri in žiroskopi zagotavljajo informacije o nagibu in hitrosti vrtajočega niza. Nekateri od teh senzorjev so zelo nizkopasovni, drugi pa so sposobni zagotavljati informacije v frekvenčnem območju avdio zvoka in višje. Potrebni so številni kanali za zajemanje, ki morajo biti zelo natančni pri visoki temperaturi – običajno 175° C in več. Poleg tega mnogi ti instrumenti delujejo na baterijskem napajanju ali imajo omejene vire energije, zato morajo imeti nizko porabo energije in več načinov delovanja za optimizacijo moči.
Poleg zahtev za elektronske sisteme imajo aplikacije za vrtine tudi mehanske omejitve, ki lahko narekujejo velikost elektronske naprave in vplivajo tudi na ohišje in izbiro komponent. Slednje bo podrobneje razloženo v kasnejših odsekih, vendar je pomembno omeniti, da so sklopi vezij v tem segmentu običajno omejeni na širino plošče.
Elektronske naprave je potrebno namestiti v cevi pod tlakom, ki se uporabljajo pri vrtanju, kar vodi v dolge in ozke naprave. Ta oblika omejuje velikost in gostoto sestavnih delov, ki jih je mogoče postaviti, lahko pa tudi omeji postavitve komponent glede na potek signalov, kar lahko pomembno vpliva na zmogljivost zelo natančne elektronike in zato zahteva pozornost na postavitev in druge podrobnosti ohišij komponent v projektu. Na sliki 2 je prikazana tipična oblika naprave, vezje montirano v cevni tlačni posodi (prozoren, zgornji) in prerez cevne tlačne posode s ploščo (spodaj).
Robustna platforma za referenčne zasnove, predstavljena v tem članku, temelji na CN-0365 analognem vhodnem referenčnem designu s ciljem zagotoviti temelje za visoko temperaturno mikrokontrolersko rešitev z nizko porabo za natančno zajemanje podatkov in nadzor, ki izpolnjuje zahteve za mnoge vrtalne instrumente in drugo visokotemperaturno elektroniko. Narejen na osnovi AD7981 [2] analogno digitalnega SAR pretvornika je ta referenčna izvedba prikazana z dvema kanaloma za hitro zajemanje skupaj z 8 dodatnimi multipleksiranimi kanali, primernimi za zajemanje širokega spektra vrtalnih orodij (10 kanalov skupaj). Ta vhodni del je preko SPI povezan na VA10800 ARM® Cortex®-M0 mikrokontroler podjetja Alliances partners Vorago Technologies in Petromar Technologies [3]. Zasnova je najnovejši dodatek k vedno večjemu ekosistemu izdelkov in rešitev za visokotemperaturne aplikacije podjetja ADI [4].
Ko podatek enkrat zajamemo, ga lahko lokalno obdelamo ali prenesemo preko UART-a ali opcijskega RS485 komunikacijskega vmesnika. Ostale podporne komponente na plošči, vključujoč spomin, uro, močnostne in pasivne komponente, so s strani svojih dobaviteljev vse deklarirane in preverjene za delo pri visoki temperaturi pri 200° C ali višje. Sliki 1 in 2 kažeta dejansko ploščo in visokonivojski blok diagram za to visokotemperaturno referenčno platformo. Na plošči, prikazani na sliki 2, je značilna postavitev elektronike in oblika, približno 29 cm dolga in 2,8 cm široka.
Design natančnega kanala za zajemanje podatkov za to platformo je intenzivno predstavljen v aplikacijskem dokumentu CN-0365.3
Ta design služi kot osnova za 3 ADC vhode na tej platformi, čeprav so bile narejene nekatere spremembe in optimizacije, večinoma v pasivnih komponentah z namenom, da bi dosegli zahteve velikosti plošče in razširjeno zanesljivo delovanje do 200° C.
Referenčno vezje za zajemanje signala je prikazano na Sliki 4. Obstajata dva digitalna multipleksirana kanala, od katerih vsak vsebuje celoten kanal za zajemanje podatkov, podoben kot pri CN-0365, ki je sposoben delovati s hitrim zajemanjem vzorcev. Obstaja tudi analogni multipleksirani kanal, ki dodaja ADG798 multiplekser pred vhodi, ki je optimiziran za počasnejše vhode. R1 in R3 zagotavljata prednapetost 1,25 V za neinvertirani vhod na U1 in mu preprečujeta, da bi zaplaval do napajalne napetosti v primeru, če je analogni vhod nepriključen ali če multiplekser ni izbran. R8 in R9 lahko spremenite tako, da povečate ojačenje U1. R4, R7 in C1 predstavljajo filter zrcalnih frekvenc, vendar jih je mogoče konfigurirati kot slabilnik ali nadomestni filter. R5, R6 in C4 tvorijo RC filter med ADC krmilnikom in vhodom ADC, ki omejuje količino šuma izven frekvenčnega področja, ki prihaja do ADC vhoda, in zmanjša povratno napetost iz stikalnih kondenzatorjev v vhodu ADC4.4
Ta platforma je bila zasnovana tako, da izkorišča več ključnih funkcij AD7981 ADC-ja. Ta 16-bitni, 600 kSPS pretvornik zmore doseči več kot 85 dB tipično SINAD in ± 0,6 LSB tipično INL z referenco 2,5 V in brez manjkajočih kod. Več kot 90 dB SINAD je mogoče doseči s 5 V referenco, čeprav to ni bilo izbrano za to platformo, da bi ohranili združljivost z nižjenapetostnimi sistemi. Ker se jedro ADC med cikli pretvorbe samodejno izklopi, se poraba moči ADC samodejno poravna linearno s pretokom. To omogoča prihranek energije pri uporabi pretvornika pri nižjih stopnjah vzorčenja.
Pregled programske opreme
Programje
Programje za platformo temelji na operacijskem sistemu FreeRTOS in omogoča preprosto vključitev nalog, kot so obdelava podatkov in druge oblike komunikacije. Koda je optimizirana za učinkovito dokončanje hitrih ADC konverzij za nemultipleksirane kanale 0 in 1 ter do 10 μs za multipleksirane kanale od 2 do 9. Rezultate konverzij je mogoče obdelati lokalno ali sprejeti iz UART kanala pri 2 Mb/s. Predpomnilnik rezultatov preusmeritve je 16 kB (8 k vzorcev), ki jih lahko razdelite med več kanalov ali posvečate enemu samemu kanalu. Ta vdelana programska oprema je na voljo v odprtokodni obliki, ki omogoča končnemu uporabniku prilagoditev in je lahko podlaga za končne aplikacije.
Zajem podatkov in programska oprema za analizo
Slika 5 prikazuje programsko opremo za zajemanje in analizo podatkov, ki je bil zasnovana v .NET za povezovanje z vezjem prek USB-UART-TTL pretvornika nivojev. Dobro definiran protokol omogoča komunikacijo s strojno opremo, vključno s krmiljenjem in pretakanjem podatkov. Podatke je mogoče zajeti enkratno in tudi neprekinjeno. Poleg tega so funkcije analize podatkov vključene za analizo in preverjanje SNR, THD in SINAD v časovnih in frekvenčnih domenah (na primer FFT). Podatke je mogoče shraniti tudi v datoteke (na primer, izvožene v Excelu) za shranjevanje ali obdelavo v drugih aplikacijah. Kot pri strojni opremi je izvorna koda programske opreme za zajem podatkov prosto dostopna za prilagajanje s strani končnega uporabnika.
Visokotemperaturna konstrukcija
Ta referenčna platforma je bila izdelana z uporabo komponent in drugih materialov, primernih za delovanje pri 200° C. Vse sestavne dele so proizvajalci deklarirali za visokotemperaturno obratovanje (razen če ni drugače navedeno) in so na zalogi pri svetovnih distributerjih. Celotne datoteke BOM, PCB in montažne risbe so prosto dostopne kot del paketa referenčnega projekta.
Kondenzatorji
Dielektrični kondenzatorji C0G ali NP0 se uporabljajo za filtriranje in ločevanje enosmerne napetosti. Ti dielektriki imajo zelo raven temperaturni koeficient preko območja temperature in so na splošno bolj trpežni na upogibanje na tiskanem vezju.5 Poleg tega se kondenzatorji tipa C0G ali NP0 priporočajo za RC-filter, ki ima visok Q, nizek temperaturni koeficient in stabilne električne lastnosti pri različnih napetostih. Za zmanjšanje CTE neusklajenosti med komponento in PCB se uporablja majhno ohišje 0805 ali še manjše. Visokotemperaturni tantal kondenzatorji so izbrani za skladiščenje energije z upoštevanjem kompromisov med velikostjo ohišja in ESR.
Upori
Tankoplastni SMT upori za avtomobilsko industrijo PATT serije so uporabljeni za večino naprav in so že na voljo na trgu. Nekateri debeloplastni SMT upori se tudi uporabljajo za posebne vrednosti in velikosti glede na potrebo v napravi.
Konektorji
Plošča je priključena na mikro-D, ki je deklariran na 200° C, kar je običajno v industriji z visoko zanesljivostjo. Za zmanjšanje presluha so naredili oklop, ki je ozemljen na TIV. Pri aplikacijah, kjer je potrebna najvišja integriteta signala in najnižji presluh, je treba uporabiti posebne visokotemperaturne konektorje (ali brez konektorja) in koaksialne ali oklopljene simetrične vhode, da bi zmanjšali presluh.
Načrtovanje TIV in razpored elementov
Dolg in ozek TIV je bil izbran zaradi skladnosti tiskanih vezij z omejitvami vrtalne opreme in tlaka ohišja. Izbrani material vezja je visokotemperaturni halogenski poliaimid. Debelina pločevine 2,36 mm je bila določena za dodano togost in ploskovnost namesto standardnih plošč z debelino 1,5 mm.
Uporablja se površinski premaz iz nikelj-zlato kovin, kjer nikelj zagotavlja oviro, ki se upira intermetalni rasti, zlato pa zagotavlja dobro površino za spajkanje.
Za izbrano 2,36 mm debelino plošče bo tipično 4-slojno vezje vsebovalo ~ 13 mil bakreno plast za ločitev z velikim 60 mil notranjim jedrom. Pri šestslojih vezjih je ločevanje slojev tipično 9,5 mil in 28 mil. Zaradi tega je bila uporabljena 6-slojna zasnova, ki omogoča maso poleg vsake signalne plasti za boljšo učinkovitost glede šuma.
Močnostni in digitalni komunikacijski signali so speljani v en konektor, analogni signali pa prihajajo v nasprotni konektor. To zagotavlja dobro izolacijo in pretok signala med digitalnimi in analognimi domenami. Delitev signalov je narejena na srednji plošči, s filtri napajanja, ki se nahajajo blizu delitve. Digitalne krmilne linije, ki sekajo delitev, so minimizirane, zaključna terminacija linije pa je zagotovljena tako, da se zmanjša vpliv digitalnega šuma. Digitalne in analogne ozemljitvene ravnine so povezane na eni točki z bakrenim mrežnim spojem, da zagotovijo nizko povratno impedanco do krmilnih virov.
Kontrolni signali multipleksirne enote potekajo po dolžini analognega odseka, vendar so speljani tako, da so umaknjeni stran od kritičnih analognih signalnih poti. V praksi se te multipleksne krmilne linije sinhrono spreminjajo z meritvami zajemanja in učinki presluha so tako zmanjšani.
Spajka
Sn95/Sb05 je bil izbran zato, da zagotavlja dovolj visoko temperaturo taljenja (>230°C) namesto 200°C, kar je delovna temperatura in ker omogoča dobro obdelovanje ter ker je na voljo v podjetju.
Montaža plošče
Montažni nosilci na tej plošči so samo začasni in so uporabni le za montažo v preskusni napravi ali laboratorijskih situacijah. To niso primerni nosilci za okolja z visokimi šoki in vibracijami. Za uporabo v okoljih z visokimi šoki in vibracijami lahko ploščo pripravimo tako, da elemente na ploščo pritrdimo z epoksidnim lepilom. Občutljive elemente, kot so IDC konektorji, lahko zaščitite ali jih sploh ne dodate. Tipična pritrditev za vrtine ali druga zahtevna okolja bi vključevala sistem za pritrditev na tirnico, s katero se fiksira obod plošče s prožnimi podložkami. Druga možnost je, da je sklop v celoti vgrajen v notranjost namestitvene strojne opreme, ki se nato pritrdi na šasijo ali ohišje.
Več informacij o ustreznih delih najdete v članku “Rešitev za zajemanje podatkov za aplikacije za visoko temperaturno elektroniko z nizko porabo.” [5]2
Performanse in testni rezultati
Obsežne teste smo izvedli na več ploščah, da smo ocenili značilne karakteristike pri povišani temperaturi, skupaj s 200-urnim temperaturnim preizkušanjem v okolju z 200 ° C, da bi lahko ocenili proces montaže in zanesljivost plošče.
Zmogljivost signalne AC in DC verige je ključna metoda merjenja natančnosti sistema za natančno zajemanje podatkov, ki temelji na SAR ADC. Ratiometrična in robustna platforma doseže nad -100 dB presluha in ± 60 mV maksimalnega odmika pri 200 ° C, ko deluje ADC pri 600 kSPS. Za AC preizkus se kot vhodni signal uporablja ton 1 kHz z nizkim popačenjem, plošča pa se napaja z analognimi napajalniki +5 VDC / -2,5 VDC. FFT tega tona, pridobljenega pri 400 kSPS s preračunavanjem spektra, je prikazan na sliki 6.
Bolje kot 84 dB SNR in -96 dB THD dobimo pri 200° C. Slika 7 prikazuje SNR in SINAD, slika 8 prikazuje THD prewko temperaturnega območja za nemultipleksirane kanale z istim vhodnim tonom.
Poraba toka na analognih in digitalnih vodih je bila izmerjena na temperaturnem področju, kot je prikazano na sliki 9. Celotna poraba energije pri sobni temperaturi je 155 mW in se poveča na 225 mW pri 200° C. Poraba moči na 3,3 V vodu je večinoma zaradi mikrokontrolerja, ki deluje pri najvišji frekvenci in natančnem oscilatorju. Pretvorniki so bili nastavljeni na zajemanje 8192 vzorcev na vsako sekundo.
Rezultati preskusov dodatnih parametrov so na voljo na referenčni platformi [6], ki je usposobljena in karakterizirana za delovanje pri 200° C.
Primeri uporabe
V številnih aplikacijah na področju raziskav nafte in plina, vesoljske in težke industrijske se uporabljajo merilniki pospeška za usmerjanje in zaznavanje vibracij. Merilniki pospeška z analognimi izhodi lahko zagotavljajo najvišjo stopnjo natančnosti in fleksibilnostjo, da se izhod senzorja ustrezno prilagodi uporabi.
ADXL206 [7] je precizni iMEMS® merilnik pospeška v dveh oseh z nizko porabo in je primeren za uporabo v visokotemperaturnih okoljih. Zagotavlja ± 5 g razpon in 0,5 Hz ≤ pasovno širino ≤ 2,5 kHz. Izhod ADXL206 je centriran približno ½ VCC in je proporcionalen glede na VCC. Če se ADXL206 in EV-HT-200CDAQ1 [8] napajata iz iste VCC (na voljo na priključku), lahko za izničenje enosmernih prednapetosti in drsenje napajalne napetosti uporabimo referenčno napetost, ki je na voljo na kanalu S7 multiplekserja.
Primer vezja je prikazan na sliki 10. Razpon signala 0 V do 5 V ADXL206 je treba zmanjšati za ½, da ustreza obsegu od 0 V do 2,5 V in je primeren za sistem za natančno zajemanje podatkov. To se doseže tako, da najprej ojačimo izhode in nato uporabimo atenuatorje znotraj sistema za zajemanje podatkov. C2 in C3 nastavita pasovno širino ADXL206; primer na sliki 9 prikazuje pasovno širino 33 Hz. Aplikacije z nizko pasovno širino lahko uporabljajo vhodne naprave za multipleksiranje; za največjo pasovno širino in točnost lahko uporabite dva nemultipleksirana vhodna kanala.
Povzetek
Ta članek je predstavil novo visoko integrirano robustno referenčno platformo EV-HT-200CDAQ1, ki je primerna za delovanje pri 200° C. Ta platforma omogoča oblikovalcem elektronskih sistemov, ki delujejo pri visokih temperaturah, da uporabijo najnovejše in najsodobnejše komponente za hitro izdelavo prototipov in vrednotenje, kar zmanjšuje čas razvoja in čas dostave na trg. Na naslovu [9] lahko najdete več informacij o platformi, vključno s celotnim paketom in programsko opremo.
Viri:
- http://www.analog.com/media/en/reference-design-documentation/reference-designs/CN0365.pdf
- http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/ad7981.html
- http://www.analog.com/en/about-adi/alliances/partner/petromar-technologies-inc.html
- http://www.analog.com/en/applications/markets/instrumentation-and-measurement-pavilion-home/high-temperature.html
- http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/data-acquisition-solution.html
- http://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EV-HT-200CDAQ1.html
- http://www.analog.com/en/products/mems/accelerometers/adxl206.html
- http://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EV-HT-200CDAQ1.html
- http://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EV-HT-200CDAQ1.html
Reference
Jeff Watson in Gustavo Castro. “High Temperature Electronics Pose Design and Reliability Challenges.” Analog Dialogue Vol. 46, No. 4, April 2012.
Jeff Watson in Maithil Pachchigar. “A Low Power Data Acquisition Solution for High Temperature Applications.” Analog Dialogue, Vol. 49, No. 3, August 2015.
CN-0365: 16-Bit, 600 kSPS, Low Power Data Acquisition System for High Temperature Environments. Analog Devices, Inc., June 2015.
Alan Walsh. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue, Vol. 46, No. 4, December 2012.
John L. Evans, James R. Thompson, Mark Christopher, Peter Jacobsen, in R. Wayne Johnson. “The Changing Automotive Environment: High Temperature Electronics.” IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 27, No. 3, July 2004.
Jeff Watson [jeff.watson@analog.com] je strateški vodja trženja v skupini instrumentacijskih tržišč pri Analog Devices, s poudarkom na preciznih elektronskih testih in meritvah ter visokotemperaturnih aplikacijah. Preden se je pridružil ADI, je bil razvojni inženir v industriji naftnih in plinskih instrumentov v vrtinah ter industriji avtomobilskih instrumentov / nadzornih naprav izven urejenih cest. Jeff je prejel diplomo in magistrski naziv iz elektrotehnike na Univerzi Penn State.
Maithil Pachchigar [maithil.pachchigar@analog.com] je aplikacijski inženir v oddelku Instrumentation and Precision Technology Business Unit podjetja Analog Devices v Wilmington, MA. Od vstopa v Analog Devices leta 2010 se je osredotočil na portfelj natančnih pretvornikov in podpiral stranke v instrumentalnih, industrijskih in zdravstvenih sektorjih. Po delu v polprevodniški industriji od leta 2005 je avtor in soavtor številnih tehničnih člankov. Maithil je prejel diplomo iz elektronskega inženirstva S.V. Nacionalnega inštituta za tehnologijo, Indija v letu 2003, M.S.E.E. diplomo iz državne univerze San Jose leta 2006 in M.B.A. iz Univerze v Silicon Valley v letu 2010.
