Gewährleistung der Integrität von Sensordaten durch Selbstabfragen und -diagnosen

Sensortechnologien und das Internet der Dinge (IoT) sind im industriellen, im kommerziellen und sogar im privaten Bereich immer häufiger anzutreffen. Damit einher geht die wachsende Notwendigkeit, die Integrität der Daten zu gewährleisten, die von den zugehörigen Sensoren und ihren Frontend-Schnittstellenschaltungen stammen.

Das potenzielle Problem der Datenintegrität wird sogar noch schwerwiegender, wenn ein einzelner Schnittstellen-IC mehrere Sensoren unterstützt, da ein Problem mit diesem einzelnen IC dazu führen kann, dass eine ganze Gruppe von Messwerten fehlerhaft ist. Dies wiederum könnte eine falsche Bewertung der Messsituation zur Folge haben, was unter Umständen zu unangemessenen oder sogar gefährlichen Systemaktionen führen kann.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Ursachen für sowohl harte als auch weiche (transiente) Fehler und Ungenauigkeiten der Sensorablesung in der Sensor-zu-Prozessor-Signalkette beschrieben. Anschließend wird ein hochintegrierter IC von Analog Devices vorgestellt und beschrieben, wie diese Probleme mithilfe der Durchführung von Diagnosen für den Sensor, den IC selbst und seine digitale I/O gelöst werden können.

Der Signalpfad vom Sensor zum Prozessor

Für die Faktoren, die sich letztendlich auf die Integrität jedes Sensormesswerts auswirken, muss man zuerst die drei Hauptfunktionsblöcke der in Abbildung 1 gezeigten Signalkette betrachten. Diese Blöcke sind:

1. der Sensor und seine Leitungen,
2. das Analog-Frontend im IC zur Signalaufbereitung, der sich auf dem Analog/Digital-Wandler (ADC) befindet, sowie
3. die digitale I/O zum Systemprozessor.

Abbildung 1: Der grundlegende Signalpfad vom Sensor zum Prozessor umfasst an sich nur einige wenige Basisfunktionen. Ein praxisnaher und nützlicher Schnittstellen-IC bietet jedoch viele zusätzliche Funktionen und Merkmale. (Bildquelle: DigiKey)

In einem Multikanalsystem kommen häufig verschiedene Sensortypen wie Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) und Drucksensoren zum Einsatz. Natürlich kann ein Sensor jederzeit ausfallen oder seine Verbindungsleitungen können unterbrochen werden oder einen Kurzschluss mit einer benachbarten Leitung, der Stromschiene oder der Masse verursachen.

Abhängig vom Sensortyp kann ein Fehler an den Drahtanschlüssen umgehend erkennbar sein, wenn die Messwerte außerhalb des Standardbereichs liegen. Andererseits führen manche Fehlermodi zu ungenauen Signalen, die aber durchaus realistisch sein können. Außerdem erfordern manche Sensoren (z. B. RTDs) einen externen Anregungsstrom, der für gültige Messwerte innerhalb eines festgelegten Bereichs liegen muss. Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, die Kontinuität des Signalpfads zwischen Sensor und Analog-Frontend zu prüfen. Außerdem sollte geprüft werden, ob das Signal innerhalb der minimalen und maximalen Grenzwerte bleibt. Hierfür sollte vorzugsweise eine analoge Schaltung verwendet werden, die von möglichen ADC-Problemen unabhängig ist.

So erhält man Messwerte, die nicht nur exakt sind, sondern die darüber hinaus auch vertrauensvoll für die Entscheidungsfindungsalgorithmen des Systems verwendet werden können.

Alle diese zusätzlichen Kontroll- und Abgleichsmechanismen erfordern jedoch zusätzliche Komponenten, einen größeren Platzbedarf und längere Entwicklungsdauer.

Gewährleistung der Sensordatenintegrität durch einen sich selbst abfragenden IC

Um die erforderliche hohe Datenintegrität mit minimalen Auswirkungen auf Entwicklungsdauer und Platzbedarf gewährleisten zu können, hat Analog Devices speziell für Sensoren den ADC AD7124-8BCPZ-RL7 entwickelt. Er fungiert als Schnittstelle, die weit über die grundlegende Signalaufbereitung und -wandlung hinausgeht. Dieser ADC umfasst mehrere Signal- und Selbstdiagnosefunktionen, um die Datenintegrität zu gewährleisten.

Abbildung 2: Der als Schnittstelle fungierende ADC AD7124 bietet weit mehr als eine grundlegende Signalaufbereitung und -wandlung, indem er mit mehreren Signal- und Selbstdiagnosefunktionen die Integrität der Daten gewährleistet. (Bildquelle: Analog Devices)

Der AD7124 ist ein rauscharmer 24-Bit-Sigma-Delta(Σ-Δ)-ADC mit vier Kanälen und geringem Energieverbrauch. Seine Abtastrate reicht von etwas über 1 Abtastung/Sekunde (angemessen für viele Sensorklassen und ihre Anwendungen) bis zu 19.200 Abtastungen/Sekunde. Bei der niedrigsten Abtastrate zieht er 255 Mikroampere (μA). Die Genauigkeit der mit dieser Komponente gemessenen Werte wird dadurch erhöht, dass bei diesem Design besonders auf geringes Rauschen geachtet wird (weniger als 25 nV (Nanovolt)) und die interne Spannungsreferenz eine geringe Drift aufweist (10 ppm/°C).

Der AD7124 wird im 32-poligen LFCSP- und im 24-poligen TSSOP-Gehäuse angeboten. Seine flexible digitale I/O unterstützt SPI-3- und SPI-4-Draht-, QSPI-, MICROWIRE^TM- und DSP-kompatible Schnittstellen.

Zur Vermeidung der zuvor erwähnten Sensorleitungsprobleme verwendet der AD7124 Alarme zu Signalgrenzwerten und ein Verfahren zur Erkennung von Brennschlussströmen. Für die Alarme zu Signalgrenzwerten wird ein Alarmmonitor für Über-/Unterspannungen verwendet, um die absolute Spannung an jedem der vier analogen Eingangsanschlusspaare zu prüfen (Abbildung 3). Diese Spannung muss innerhalb eines definierten Fensters liegen, um den Spezifikationen im Datenblatt zu entsprechen.

Abbildung 3: Für eine grundlegende Verifikation der Sensorleitungen mit Alarmen zu Signalgrenzwerten werden hardwarebasierte Komparatoren mit fest vorgegebenen Minimum- und Maximumeinstellungen verwendet. (Bildquelle: Analog Devices)

Für die Erkennung von Brennschlussströmen werden ein Paar komplementärer, programmierbarer Stromsenken und -quellen verwendet. Bei einem vordefinierten Paar von Quell- und Senkströmen in den Sensorleitungen kann der AD7124 ihre Integrität verifizieren (Abbildung 4). Die Ströme, die entweder „full-on“ oder „full-off“ sind, werden durch das zu prüfende analoge Eingangsleiterpaar geleitet.

Abbildung 4: Bei einem vordefinierten Paar von Quell- und Senkströmen in den Sensorleitungen kann der AD7124 ihre Integrität verifizieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein (annähernd) vollständiger Ausschlag des Messgeräts kann bedeuten, dass der Schaltkreis des Frontend-Sensors offen ist. Wird eine Spannung von 0 Volt gemessen, kann dies darauf hindeuten, dass der Messumformer kurzgeschlossen ist. Im Fehlerregister wird ein entsprechendes Markierungsbit gesetzt, um Auftreten und Art des Fehlers anzuzeigen.

Für Anwendungen schließlich, bei denen der Benutzer nicht die interne Referenz verwendet, sondern die Referenz extern bereitstellt (was häufig bei RTDs oder Dehnungsmessern der Fall ist), prüft der AD7124 für jede externe Wandlungsreferenz, ob sie korrekt ist.

Überprüfung von Frontend und ADC

Obwohl die externen Sensoren und ihre Leitungen die wahrscheinlichste Quelle für Probleme darstellen, ist es unerlässlich, auch die Leistung des Frontend-/Wandler-ICs zu prüfen. Zu den Funktionen, die eventuell außerhalb der Spezifikationen liegen oder die komplett ausgefallen sind, gehören:

• die Interne ADC-Spannungsreferenz,
• der programmierbare Verstärker (PGA), der das Eingangssignal verstärkt, damit es dem ADC-Bereich für die höchste Auflösung entspricht,
• der Low-Dropout-Regler (LDO), von dem die erforderliche Sensorerregung bereitgestellt wird,
• die internen Stromschienen des IC sowie
• der ADC selbst.

Um den analogen Bereich der Signalkette zu prüfen, ruft der AD7124 hardware- und firmwarebasierte Selbsttests auf. Er erzeugt ein Signal von 20 Millivolt (mV), das intern mit jedem seiner vier differenziellen Eingangskanäle verbunden und anschließend digitalisiert werden kann. Diese Vorgehensweise dient mehreren Zielen: Sie prüft den grundlegenden Betrieb des Eingangskanal-Multiplexers und des ADC. Außerdem ermöglicht sie die Bewertung des programmierbaren Verstärkers, indem sie seine Verstärkungseinstellungen ändert und die sich ergebenden ADC-Messwerte prüft.

Auch der ADC stellt eine mögliche Quelle für Probleme dar. Der AD7124 verwendet die bewährte Σ-Δ-Wandlerarchitektur mit ihrem 1-Bit-Modulator und den notwendigen digitalen Filtern. Eine vollständige Prüfung der ADC-Leistung erfordert sowohl analoge als auch digitale Verfahren.

Beim AD7124 wird durch einen Modulatorausgang von 20 aufeinanderfolgenden Einsen oder Nullen angezeigt, dass der Modulator zur einen oder anderen Stromschiene hin gesättigt ist, und es wird ein Markierungsbit für einen Fehler gesetzt. Auf ähnliche Weise prüft der IC, ob der ADC-Offset-Koeffizient nach der selbst veranlassten Offset-Kalibrierung zwischen 0x7FFFF und 0xF80000 liegt. Liegt er außerhalb dieses Bereichs, wird ein weiteres Markierungsbit für einen Fehler gesetzt. Schließlich wird während einer Gesamtskalenkalibrierung durch jeden Überlauf des digitalen Filters ein weiteres Markierungsbit für einen Fehler gesetzt.

Interne und externe Stromquellen und -schienen können ebenfalls Probleme verursachen. Viele Sensoren erfordern eine geringe Erregerleistung, die häufig von einem kleinen, rauscharmen LDO im Analog-Frontend-IC bereitgestellt wird.

Der AD7124 verwendet zur Prüfung der Ausgänge des LDO zwei Methoden. Bei der ersten wird der Ausgang des LDO intern zum ADC geleitet und mit dem erwarteten Wert verglichen. Bei der zweiten Methode wird der LDO von einem Hardwarekomparator, der vom ADC unabhängig ist, kontinuierlich überwacht und mit der Referenz des IC verglichen. Wird ein voreingestellter Schwellenwert unterschritten, wird ein Markierungsbit für einen Fehler gesetzt. Dadurch kann der LDO während der Initialisierung bewertet werden, und zwar auch kontinuierlich, ohne dabei ständig Prozessorressourcen zu belegen.

Zur weiteren Absicherung kann die zur Überwachung der Stromversorgung verwendete Prüfschaltung (teilweise) überprüft werden, indem ihr Eingang mit der Masse (Nennspannung von 0 Volt) verbunden und anschließend der digitale Messwert überprüft wird. Der AD7124 geht bei dieser Gewährleistung der Datenintegrität noch einen Schritt weiter, indem er prüft, ob die erforderlichen Entkopplungskondensatoren mit 0,1 Mikrofarad (µF) vorhanden und angeschlossen sind. Hierfür wird der AD7124 angewiesen, den Entkopplungskondensator über seinen internen Schalter physisch zu trennen und anschließend den LDO-Ausgang zu prüfen. Falls die LDO-Spannung fällt, ist der Entkopplungskondensator elektrisch nicht vorhanden. Hierdurch wird erneut ein Markierungsbit für einen Fehler gesetzt.

Selbstverständlich gilt für jeden IC eine maximale Nenntemperatur. Wird diese überschritten, erfüllt der IC die erforderlichen Spezifikationen nicht mehr oder fällt sogar vollständig aus. Aus diesem Grund ist in den AD7124 ein Sensor integriert, um kontinuierlich die Temperatur zu messen, und zwar mit einer typischen Genauigkeit von ±0,5 °C.

Wie steht es mit digitalen Fehlern?

Bis jetzt haben wir zur Gewährleistung der Leistung und der Genauigkeit nur die analogen Server- und Wandlerfunktionen betrachtet. In den rauen Industrieumgebungen, in denen viele dieser Sensoren zum Einsatz kommen, treten jedoch Probleme durch Rauschen, EMI/RFI sowie Transienten auf, die Auswirkungen auf die digitale Elektronik haben. Aus diesem Grund muss auf Folgendes besonders geachtet werden: die Leistung des internen digitalen Schaltkreises, die Schnittstelle zum Systemprozessor für den Erhalt zuverlässiger Daten sowie jegliche Lese-/Schreibvorgänge.

Im AD7124 kommt hierfür ein mehrgleisiger Ansatz mit unter anderem folgenden Vorgängen und Funktionen zum Einsatz:

• Die Leistung des zentralen Taktgebers wird überprüft. Der zentrale Taktgeber wird benötigt, um die Ausgangsdatenrate, die Einschwingzeit des Filters und die Kerbfrequenzen des Filters festzulegen. Überprüft wird er über ein unabhängiges, aufwärts zählendes Register, das jederzeit zurückgelesen werden kann.
• Die Anzahl der SCLK-Impulse für jeden SPI-Lese- oder -Schreibvorgang wird über einen speziellen Taktzähler geprüft. Die Anzahl sollte ein Vielfaches von 8 sein (alle SPI-Vorgänge verwenden 8, 16, 32, 40 oder 48 Taktimpulse).
• Der AD7124 sorgt dafür, dass die Lese- und Schreibvorgänge ausschließlich gültige Registeradressen adressieren.

Diese Schritte betreffen interne Vorgänge, gewährleisten jedoch nicht die Integrität der Prozessorschnittstelle und ihrer Daten. Für äußerste Zuverlässigkeit der Daten kann der Benutzer den AD7124 anweisen, einen polynomialen Prüfsummenalgorithmus für eien zyklische Redundanzprüfung (CRC) zu implementieren. Die Prüfsumme sorgt dafür, dass nur gültige Daten in ein Register geschrieben werden und ermöglicht die Validierung von aus einem Register gelesenen Daten (Abbildung 5). Beachten Sie, dass es sich bei Prüfsummen um ein sehr vertrauenswürdiges Verfahren handelt, mit dem selbst Einzelbitfehler erkannt, aber nicht korrigiert werden können.

Abbildung 5: Zur Erkennung von Einzelbitfehlern wird den Schreib- (links) und den Lesetransaktionen (rechts) der SPI-Schnittstelle eine per Polynomdivision ermittelte Prüfsumme hinzugefügt. (Bildquelle: Analog Devices)

Bei Aktivierung berechnet dieser Vorgang eine Prüfsumme für den Datenblock und hängt diese an das Ende jeder Lese- und Schreibtransaktion an. Um sicherzustellen, dass der Schreibvorgang für das Register erfolgreich war, muss das Register zurückgelesen werden, um die gespeicherte Prüfsumme mit dem aus den Daten berechneten Wert zu vergleichen.

In einer elektrisch anspruchsvollen Umgebung können selbst im Speicher Bitfehler auftreten. Für eine zuverlässige Prüfung auf solche Fehler in den On-Chip-Registern berechnet der AD7124 für verschiedene Vorgänge jedesmal die Prüfsumme, wenn:

• ein Schreibzyklus für ein Register durchgeführt wird.
• eine Offset-/Gesamtskalenkalibrierung durchgeführt wird.
• die Komponente einen einzelnen Konvertierungszyklus durchführt und der ADC nach Abschluss der Konvertierung in den Standby-Modus wechselt.
• der ADC den kontinuierlichen Lesemodus verlässt.

Für mehr Robustheit wird auch der Festwertspeicher (ROM) evaluiert. Beim Einschalten werden alle Register mit Standardwerten initialisiert, die im ROM gespeichert sind. Für die ROM-Inhalte wird beim Einschalten eine CRC-Berechnung durchgeführt. Unterscheidet sich der Wert vom gespeicherten CRC-Ergebnis, deutet dies auf das Vorhandensein von mindestens einem Einzelbitfehler hin.

Der AD7124 bietet außerdem Erregung für viele Sensortypen sowie eine Signalaufbereitung und -skalierung für das Ausgangssignal des Sensors über Verstärker und einen PGA. Seine extreme Robustheit ist auf eine Vielzahl interner Register zur Initialisierung, zur Einrichtung gewünschter Funktionsmodi und Parameter sowie zur Markierung verschiedener Fehler und Störungen zurückzuführen.

Verwendung der Evaluierungskarte für AD7124-Designs

Der AD7124 ist ein komplexes System, das verschiedenste Entwicklungsmöglichkeiten und Leistungsfunktionen bietet. Sie ist mehr als ein Sensorschnittstellen-IC, der einfach nur eingesetzt wird. Damit die Entwickler sich rasch mit den Möglichkeiten dieser Komponente vertraut machen können, bietet Analog Devices außerdem die Evaluierungskarte EVAL-CN0376-SDPZ an (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Evaluierungskarte EVAL-CN0376-SDPZ beschleunigt die Entwicklung und ermöglicht die Ausführung sämtlicher Funktionen und Merkmale des AD7124. (Bildquelle: Analog Devices)

Auf der Evaluierungskarte befinden sich die Stromversorgung und die externen Komponenten, die für das Anschließend des AD7124 an verschiedene Sensoren sowie einen Prozessor benötigt werden. Sie wird von der Evaluierungssoftware CN-0376 für Windows-PCs unterstützt, die über einen USB-Anschluss die Konfiguration der Evaluierungskarte sowie die Erfassung von Daten ermöglicht.

Fazit

Hochentwickelte, in Systemprozessoren eingebettete Algorithmen, die häufig noch um künstliche Intelligenz (KI) erweitert werden, müssen viele kritische Entscheidungen treffen. Daher müssen die Rohdaten, die von diesen Algorithmen für Entscheidungen und Aktionen verwendet werden, eine sehr hohe Integrität aufweisen. ICs wie der AD7124 sorgen auf vielfältige Weise für das nötige Vertrauen in die Daten und gewährleisten so, dass alle Verbindungen in der Signalkette, von den Leistungen und der Sensorschnittstelle bis hin zu den eigenen Funktionen, wie erwartet funktionieren und nicht fehlerhaft sind.