Garantire l'integrità dei dati del sensore applicando l'auto-interrogazione e la diagnostica

Le tecnologie dei sensori e di Internet delle cose (IoT) stanno rapidamente permeando vari settori: industriale, commerciale e consumer. Di pari passo con questa diffusione cresce l'esigenza di garantire l'integrità dei dati che provengono dai sensori e dal relativo circuito di interfaccia front-end.

Il potenziale problema dell'integrità dei dati si fa ancora più serio quando un unico circuito integrato di interfaccia supporta più sensori, dato che se quel singolo CI accusa un problema, il danno potrebbe interessare un intero cluster di letture. Questo, a sua volta, potrebbe portare a una valutazione errata della situazione rilevata, inducendo azioni di sistema inadeguate o addirittura pericolose.

In questo articolo saranno analizzate le varie fonti di guasti hardware e software (transitori) e le imprecisioni di lettura dei sensori nella catena di segnali da sensore a processore. Verrà quindi presentato un CI altamente integrato di Analog Devices e verrà indicato come può essere utilizzato per superare questi problemi attraverso la diagnostica sui suoi I/O digitali e sui sensori.

Il percorso del segnale da sensore a processore

I fattori che in definitiva influenzano l'integrità di qualsiasi lettura del sensore iniziano con i tre blocchi funzionali principali della catena di segnali mostrati nella Figura 1. I blocchi sono:

1. Il sensore e i suoi conduttori
2. Il front-end analogico nel circuito integrato di condizionamento del segnale, basato su un convertitore analogico/digitale (ADC).
3. L'I/O digitale al processore di sistema

Figura 1: Il percorso di base del segnale da sensore a processore è costituito in linea di principio da poche funzioni fondamentali, ma un pratico e utile circuito di interfaccia offre molte funzioni e caratteristiche aggiuntive. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

In un sistema multicanale, i sensori sono spesso costituiti da una combinazione di vari tipi: termocoppie, termoresistenze (RTD) e sensori di pressione. Naturalmente, un sensore può guastarsi, oppure i suoi conduttori di interconnessione possono staccarsi o andare in cortocircuito con un conduttore adiacente, con un rail di alimentazione o con la messa a terra.

A seconda del tipo di sensore, un guasto dei suoi conduttori può essere visto immediatamente in quanto la lettura andrà "fuori scala". Al contrario, alcune modalità di guasto danno luogo a segnali imprecisi ma che possono apparire appropriati. Inoltre, alcuni sensori, come le RTD, hanno bisogno di una corrente di eccitazione esterna che, per una lettura valida, deve essere compresa in un intervallo prestabilito. Per questi motivi, è buona norma testare la continuità del percorso del segnale tra sensore e front-end analogico e verificare inoltre che il segnale rimanga tra i limiti minimi e massimi consentiti, preferibilmente utilizzando circuiti analogici indipendenti da possibili problemi dell'ADC.

In tal modo, si potranno avere non solo letture accurate ma anche letture in cui gli algoritmi decisionali del sistema possono essere eseguiti con un livello molto elevato di fiducia nei dati sorgente.

Tuttavia, tutti questi controlli e bilanciamenti comportano componenti aggiuntivi, un ingombro maggiore e tempi di progettazione prolungati.

Il circuito integrato dotato di "auto-interrogazione" garantisce l'integrità dei dati del sensore

Per rispondere all'esigenza di dati ad alta integrità con un impatto minimo sui tempi di progettazione e sull'ingombro, Analog Devices ha introdotto AD7124-8BCPZ-RL7, un ADC specifico per sensori e un'interfaccia che va ben oltre le funzioni basilari di condizionamento e conversione del segnale. Comprende molteplici funzioni di segnale e di autodiagnostica per garantire l'integrità dei dati.

Figura 2: AD7124 e interfaccia: un ADC in grado di eseguire funzioni ben oltre il semplice condizionamento e conversione del segnale. Comprende molteplici funzioni di segnale e di autodiagnostica per garantire l'integrità dei dati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

AD7124 è un dispositivo sigma-delta (Σ-Δ) a quattro canali, a basso rumore e basso consumo, a 24 bit. La sua frequenza di campionamento può andare da poco più di 1 campione/sec, adeguata per molti tipi di sensori e relative applicazioni, a 19.200 campioni/sec. Alla velocità di campionamento più bassa, assorbe 255 μA. La precisione delle letture di questo dispositivo è migliorata grazie all'attenzione che il progetto riserva al contenimento del rumore, sotto i 25 nV rms, e alla bassa deriva del suo riferimento di tensione interna (10 ppm/°C).

Lo stesso AD7124 è disponibile nei contenitori LFCSP a 32 conduttori e TSSOP a 24 conduttori. Il suo flessibile I/O digitale supporta - a 3 e 4 fili - SPI, QSPI, QSPI, MICROWIRE^TM e interfacce compatibili con DSP.

AD7124 risolve i problemi dei conduttori dei sensori menzionati in precedenza utilizzando due tecniche: allarmi di limite del segnale e rilevamento della corrente di arresto per surriscaldamento. Gli allarmi di limite del segnale utilizzano un monitor di allarme di sovratensione/sottotensione che controlla la tensione assoluta su ciascuna delle quattro coppie di connessioni dell'ingresso analogico (Figura 3). Tale tensione deve essere compresa in un intervallo definito per soddisfare le specifiche della scheda tecnica.

Figura 3: Una verifica di base dei conduttori dei sensori tramite allarmi di limite del segnale utilizza comparatori basati su hardware con impostazioni minimo/massimo fisse. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il rilevamento della corrente di arresto per surriscaldamento utilizza una coppia di drain e source di corrente programmabili complementari. Erogando e assorbendo una coppia di correnti predefinite nei conduttori del sensore, AD7124 può verificarne l'integrità (Figura 4). Le correnti, che sono completamente On o Off, vengono commutate sulla coppia di fili dell'ingresso analogico selezionato sottoposto a test.

Figura 4: Erogando e assorbendo una coppia predefinita di correnti nei conduttori del sensore, AD7124 può verificarne l'integrità. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Una lettura a fondo scala (o quasi) può significare che il sensore front-end è un circuito aperto. Se invece la tensione misurata è di 0 V, può indicare che il trasduttore è in cortocircuito. Un bit di flag corrispondente viene immesso nel registro degli errori per indicare l'evento e il tipo di errore.

Infine, per le applicazioni in cui invece di utilizzare il riferimento interno l'utente ne fornisce uno esterno, spesso con RTD o estensimetri, AD7124 controlla che qualsiasi tensione di riferimento di conversione esterna sia corretta.

Verifica del front-end e dell'ADC

Sebbene i sensori esterni e i relativi conduttori costituiscano la più probabile fonte di problemi, è essenziale verificare anche le prestazioni dello stesso CI di front-end/conversione. Tra le funzioni che possono essere fuori specifica o che accusano un malfunzionamento totale possiamo trovare:

• Riferimento di tensione interno dell'ADC
• L'amplificatore a guadagno programmabile (PGA) che amplifica il segnale di ingresso in modo che corrisponda all'intervallo ADC per la massima risoluzione.
• Il regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) che fornisce la necessaria eccitazione del sensore.
• I rail di alimentazione interni del circuito integrato
• L'ADC stesso

Per testare la sezione analogica della catena di segnali, AD7124 richiama l'autotest basato su hardware e firmware. Genera un segnale di 20 mV che può essere collegato internamente a uno qualsiasi dei suoi quattro canali di ingresso differenziale e quindi digitalizzato. Questo sistema consente di centrare diversi obiettivi: verifica il funzionamento di base del multiplexer del canale di ingresso e dell'ADC; permette inoltre di valutare il PGA modificando le impostazioni del suo guadagno e controllando le letture dell'ADC risultanti.

Anche l'ADC è fonte di possibili problemi. AD7124 utilizza la consolidata architettura di conversione Σ-Δ con il suo modulatore a 1 bit e i necessari filtri digitali. Il test completo delle prestazioni dell'ADC impiega tecniche sia analogiche che digitali.

In AD7124, se l'uscita del modulatore contiene 20 cifre 1 o 0 consecutive, significa che il modulatore si è saturato su un rail o sull'altro, e viene impostato un bit di flag di errore. Analogamente, il circuito controlla che il coefficiente di offset dell'ADC sia compreso tra 0x7FFFF e 0xF80000 dopo la calibrazione dell'offset inizializzata automaticamente. Se si trova al di fuori di questo intervallo, viene impostato un altro bit di flag di errore. Infine, durante una calibrazione di fondo scala, tutti gli overflow del filtro digitale impostano un altro bit di flag di errore.

Anche le fonti di alimentazione interna ed esterna e i rail costituiscono potenziali origini di problemi. Molti sensori richiedono una piccola quantità di corrente di eccitazione, spesso fornita da un piccolo LDO a basso rumore all'interno del circuito integrato front-end analogico.

AD7124 controlla le sue uscite LDO in due modi. In primo luogo, l'uscita dell'LDO può essere indirizzata internamente all'ADC e confrontata con il suo valore atteso. In secondo luogo, un comparatore hardware indipendente dall'ADC monitora continuamente l'LDO rispetto al riferimento del circuito. Se scende al di sotto di una soglia prestabilita, viene impostato un bit di flag di errore. Di conseguenza, l'LDO può essere valutato durante l'inizializzazione, e questo può anche avvenire su base continuativa senza consumare costantemente le risorse del processore.

Per maggiore sicurezza, il circuito di prova utilizzato per il monitoraggio dell'alimentazione può essere controllato (in una certa misura) collegando l'ingresso a terra (0 V nominali), e controllando poi la lettura digitale. AD7124 garantisce l'integrità dei dati a un livello superiore rispetto al consueto, controllando che i condensatori di disaccoppiamento da 0,1 µF siano presenti e collegati. A tale scopo, AD7124 è indotto a scollegare fisicamente il condensatore di disaccoppiamento tramite il suo interruttore interno, controllando quindi l'uscita dell'LDO. Se la tensione dell'LDO scende, il condensatore di disaccoppiamento è elettricamente assente. Anche in questo caso, viene impostato un bit di flag di errore.

Ovviamente, ogni circuito integrato ha una temperatura nominale massima oltre la quale andrà fuori specifica, o addirittura si guasterà. Pertanto, in AD7124 è integrato un sensore che fornisce letture della temperatura del die in qualsiasi momento, con una precisione tipica di ±0,5 °C.

Cosa dire degli errori digitali?

Fino a questo punto abbiamo visto come garantire prestazioni e precisione per quanto riguarda il sensore analogico o le funzioni di conversione. Tuttavia, negli ambienti industriali elettricamente difficili in cui vengono impiegati molti di questi sensori, ci sono problemi di rumore, EMI/RFI e transitori che influenzano l'elettronica digitale. Pertanto è importante garantire le prestazioni della circuiteria digitale interna, nonché il collegamento dell'interfaccia con il processore di sistema per assicurare l'affidabilità dei dati e delle operazioni di lettura/scrittura.

AD7124 raggiunge questo obiettivo grazie a un approccio multidimensionale che inizia con le operazioni e le funzioni seguenti:

• Le prestazioni del master clock vengono controllate. Il master clock è necessario per impostare la velocità dei dati di uscita, il tempo di assestamento del filtro e le frequenze di taglio del filtro. Viene controllato da un registro di conteggio indipendente che può essere letto in qualsiasi momento.
• Il numero di impulsi SCLK utilizzati in ogni operazione di lettura o scrittura SPI viene controllato tramite un apposito contatore di clock. Il numero dovrebbe essere un multiplo di otto (tutte le operazioni SPI utilizzano 8, 16, 32, 40 o 48 impulsi di clock).
• AD7124 controlla che le operazioni di lettura e scrittura siano inviate solo a indirizzi di registro validi.

Queste fasi riguardano le operazioni interne, ma non garantiscono l'integrità dell'interfaccia del processore e dei suoi dati. Per fornire un livello estremamente elevato di affidabilità dei dati, l'utente può comandare AD7124 affinché implementi un algoritmo checksum polinomiale di controllo a ridondanza ciclica (CRC). Il checksum assicura che solo i dati validi siano scritti in un registro e consente di convalidare quelli letti da un registro (Figura 5). Occorre notare che il checksum è una tecnica ad alta affidabilità per rilevare anche gli errori a singolo bit, ma non è in grado di correggerli.

Figura 5: Per il rilevamento di errori a singolo bit viene aggiunto un checksum polinomiale di CRC alle transazioni di scrittura (sinistra) SPI e di lettura (destra) SPI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando abilitata, questa operazione calcola un checksum sul blocco dati e lo aggiunge alla fine di ogni transazione di lettura e scrittura. Per garantire che la scrittura nel registro sia stata eseguita correttamente, è necessario rileggere il registro stesso per verificare il checksum memorizzato a fronte di quello calcolato in base ai dati.

In un ambiente elettricamente difficile, anche la memoria può subire errori di bit. Per fornire un controllo di alto livello contro tali errori nei registri su chip, AD7124 calcola ogni volta il checksum per una serie di operazioni:

• Viene effettuato un ciclo di scrittura nel registro
• Esiste una calibrazione di offset/fondo scala
• Il dispositivo esegue un singolo ciclo di conversione e l'ADC entra in modalità standby dopo il completamento della conversione.
• Esce dalla modalità di lettura continua

Per un'affidabilità superiore viene valutata anche la memoria interna di sola lettura (ROM). All'accensione, tutti i registri vengono inizializzati sui valori predefiniti memorizzati nella ROM. All'accensione, sul contenuto della ROM viene eseguito un calcolo CRC. Se differisce dal risultato del CRC memorizzato, significa che è presente almeno un errore di un singolo bit.

AD7124 garantisce anche la tensione di eccitazione per molti tipi di sensori, così come il condizionamento del segnale e la scalatura del segnale di uscita del sensore tramite amplificatori e un PGA. Per garantire l'estrema affidabilità che lo caratterizza, ha molti registri interni per l'inizializzazione con cui stabilisce le modalità funzionali e i parametri desiderati e segnala vari errori e guasti.

Utilizzo della scheda di valutazione AD7124 per avviare progetti basati su AD7124.

AD7124 è un sistema complesso con molte possibilità di progettazione e svariate caratteristiche. Non si tratta di un semplice circuito integrato di interfaccia sensore pronto all'uso. Per facilitare l'apprendimento e consentire ai progettisti di familiarizzare rapidamente con le sue potenzialità, Analog Devices fornisce anche la scheda di valutazione EVAL-CN0376-SDPZ (Figura 6).

Figura 6: La scheda di valutazione EVAL-CN0376-SDPZ permette di accelerare la progettazione e consente il pieno utilizzo delle numerose funzioni e caratteristiche di AD7124. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La scheda di valutazione contiene l'alimentatore e i componenti esterni necessari per collegare AD7124 con diversi sensori e un processore. È supportata dal software di valutazione CN-0376 basato su PC Windows che comunica attraverso una porta USB per configurare e acquisire i dati dalla scheda di valutazione.

Conclusione

Molte decisioni critiche sono prese da algoritmi avanzati incorporati nei processori di sistema, che in molti casi oggi vengono potenziati tramite intelligenza artificiale (IA). È più che mai importante che i dati grezzi su cui questi algoritmi operano, traggono conclusioni e agiscono, siano caratterizzati da un'elevata integrità. I circuiti integrati come AD7124 aggiungono numerosi livelli di sicurezza dei dati necessari per garantire che ogni anello della catena di segnali, dai conduttori e dall'interfaccia del sensore fino alle proprie prestazioni e funzioni, operi come previsto e non sia danneggiato.