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Sistemi di Sensori Sistemi di Sensori Capacitivi Capacitivi Matteo Matteo Nicolini, Nicolini, Davide Davide Gennaretti Gennaretti 23 Luglio 2003 23 Luglio 2003

Sistemi di Sensori Capacitivi Matteo Nicolini, Davide Gennaretti 23 Luglio 2003

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Sistemi di Sensori CapacitiviSistemi di Sensori Capacitivi

Matteo Nicolini, Matteo Nicolini, Davide Davide GennarettiGennaretti

23 Luglio 200323 Luglio 2003

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

SommarioSommario

• Sensori capacitivi di pressioneSensori capacitivi di pressione• ModelliModelli

• Applicazioni biomedicaliApplicazioni biomedicali

• Applicazioni di Vasta AreaApplicazioni di Vasta Area• Sistema di misure distribuitoSistema di misure distribuito• Protocollo di comunicazioneProtocollo di comunicazione• Realizzazione circuitale schede realizzate:Realizzazione circuitale schede realizzate: MasterMaster DriverDriver ReceiverReceiver• Conclusioni e sviluppi futuriConclusioni e sviluppi futuri

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Sensori Capacitivi di PressioneSensori Capacitivi di Pressione• Ottenuti dalla realizzazione di DUE Ottenuti dalla realizzazione di DUE

(o più) armature sulla superficie di (o più) armature sulla superficie di un dielettrico comprimibile elastico.un dielettrico comprimibile elastico.

• Libertà:Libertà:• Scelta dell’elastomeroScelta dell’elastomero

(compromesso Sensibilità-Range)(compromesso Sensibilità-Range)• Realizzazione di molte armature Realizzazione di molte armature

sullo stesso substrato di elastomero:sullo stesso substrato di elastomero:- disposte in modo “opportuno”- disposte in modo “opportuno”- disposte a GRIGLIA di pixel- disposte a GRIGLIA di pixel

• Vincoli:Vincoli:• Collegamento all’esterno di molti filiCollegamento all’esterno di molti fili• SchermaturaSchermatura

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Realizzazione di una matrice di Sensori Realizzazione di una matrice di Sensori CapacitiviCapacitivi

DielettricoComprimibile

Righe

Colonne

Il modo più semplice:un elastomero comprimibile costituisce il supporto per le armature dei condensatori, accorpati in: “r” righe (sopra) e “c” colonne (sotto), collegati all’esterno.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30

carico lento

carico veloce

scarico veloce

In tutto si ottengono r*c capacità variabili con la pressione, secondo le caratteristiche meccaniche dell’elastomero.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Lettura di sensori capacitiviLettura di sensori capacitivi

Sotto l’approssimazione di condensatore a facce piane parallele, la Capacità da misurare segue la legge:

CX =

Sd

Pressione d Decresce CX

cresce

VIN VOCX

FC

CX =VIN

C F VO

Esistono diversi possibili configurazioni per leggere una capacità, utilizziamo un charge amplifier (legge l’iniezione di carica).

Risulta dunque:

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Lettura di sensori capacitivi Lettura di sensori capacitivi Il charge amplifier così ottenuto ha una FdT Con un polo nullo Integra gli errori costanti:

La corrente di Offset dell’OpAmp lo fa saturare!

Si aggiunge una resistenza RF per ottenere un comportamento “PASSA BANDA”:- A frequenze BASSE RF assorbe la (lenta) iniezione di carica, con piccoli valori di Vo, - A frequenze ALTE il polo dominante dell’OpAmp attenua.

Risulta questo Diagramma di Bode:

VINVOCX

FCRF

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Lettura di una Matrice di Sensori Lettura di una Matrice di Sensori CapacitiviCapacitivi

MUX

Matrice Sensori

Receiver

Driver CFCX

CCCR

MUX

Tra il Driver e il Charge Amplifier si commutano tutti i possibili incroci mediante due selettori analogici:

Il primo sceglie su quale RIGAdeve essere iniettato il segnale

del driver.

Il secondo seleziona la COLONNA su cui il Charge Amplifier deve leggere l’iniezione di Carica.PROBLEMI di LETTURA:

Iniezione di carica delle linee NON SELEZIONATE si mettono a massa.

Riflessione e distorsione

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Struttura a matriceStruttura a matrice

CR: row capacitanceanceCC: capacitance ance columncolumn

Cf

Vo

CCCRVS Vo

CS

Cf

n

parasitic

capacitanceancess

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Descrizione del sistemaDescrizione del sistema

I/O I/O ControlControl

Digital Digital OutputOutput

Matrice di sensoriMatrice di sensori

Scheda di acquisizioneScheda di acquisizione

ADC

Charge Amplifier

Band-PassFilter

A/DConverter

Q(t) VCA(t) VBPF(t) VCLA

Line Selector

1

Row Selector

Vin(t)

Sine WaveGenerator

Demodulatore AM a prodotto

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Matrici di sensori capacitivi: Matrici di sensori capacitivi: problematicheproblematiche

• Non linearitNon linearità della capacitàà della capacità• Algoritmi di linearizzazioneAlgoritmi di linearizzazione• Compensazione delle non idealitCompensazione delle non idealitàà

• Compromesso definizione / velocitCompromesso definizione / velocitàà di scansione: di scansione:• Stretta dipendenza dalle applicazioniStretta dipendenza dalle applicazioni• Dimensioni dell’area sensibileDimensioni dell’area sensibile• Definizione spazialeDefinizione spaziale• Problemi tecnologici connessiProblemi tecnologici connessi

• CapacitCapacitàà• ResistenzaResistenza• I/OI/O

• Strategie di sensing Strategie di sensing • Costi/prestazioniCosti/prestazioni

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Fixed Pattern NoiseFixed Pattern Noise

• Non idealitNon idealità à del dispositivodel dispositivo• Tolleranze Tolleranze

• Spessori del dielettricoSpessori del dielettrico• Larghezza delle stripLarghezza delle strip• Effetti di bordoEffetti di bordo

thumb

fingers

thumb

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Fixed Pattern Noise CompensationFixed Pattern Noise Compensation

Noise as a reference image

Without noise compensation With noise compensation

Histograms

3D-plots

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Gamma CorrectionGamma Correction

Attenuazione alle basse pressioni Dopo la compensazione

Out

S

d0 - kPC(P) =

P

Out

critical rangeLinearizzazione

In

Out

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Realizzazione di una matrice di Sensori Realizzazione di una matrice di Sensori Capacitivi: Problematiche.Capacitivi: Problematiche.

• Connessioni:Connessioni:• Affidabilità Affidabilità

(contatti e piste)(contatti e piste)• Resistività delle pisteResistività delle piste• Sensibilità ai disturbi Sensibilità ai disturbi

schermatura schermatura

• Caratterizzazione degli elastomeri:Caratterizzazione degli elastomeri:• Elettrica (costante dielettrica, perdite)Elettrica (costante dielettrica, perdite)• Meccanica (linearità, isteresi)Meccanica (linearità, isteresi) 0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30

carico lento

carico veloce

scarico veloce

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Modello (0) della Matrice di CapacitàModello (0) della Matrice di Capacità

cj-2 cj-1 cj cj cj+2…

ri-1

ri+1

ri+2

ri

CC

CR

Si possono considerare linee conduttive IDEALI:

Non esistono componenti RESISTIVE,

CX inietta la carica;

Le componenti CAPACITIVE parassite si sommano: quelle di RIGA in CR;quelle di Colonna in CC.

E vanno verso MASSA perché le linee non attive sono a massa.

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GennarettiiGennarettii

Modello (1) della Matrice di CapacitàModello (1) della Matrice di Capacità

Si considerano linee conduttive RESISTIVE: in base alla “forma” delle piste è possibile calcolare la resistenza delle piste.

CX inietta la carica;

Le componenti CAPACITIVE parassite si sommano: quelle di RIGA in CR;quelle di Colonna in CC.

E vanno verso MASSA attraverso alle linee… che sono resistive.

cj-2 cj-1 cj cj+1 cj+2…

ri-1

ri+1

ri+2

ri

Studio mediante Equazioni della Cella Base,

a sistema con:

• Equazioni CostitutiveEquazioni Costitutive

• Condizioni di SaldaturaCondizioni di Saldatura

• Condizioni al ContornoCondizioni al Contorno

r r

r

r

Ci,j

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

ModelloModello (2) della Matrice di Capacità (2) della Matrice di Capacità

Si considerano linee conduttive RESISTIVE.

CX inietta la carica;

Si considerano componenti Capacitive parassite verso MASSA: quelle di RIGA in CR;quelle di Colonna in CC.

E di INCROCIO tra le linee… che sono anche resistive.

Si considera il sistema costituito dalla ripetizione della Cella base (non più tanto elementare!), con condizioni al contorno date dalle - Condizioni di Saldatura- Condizioni al Contorno

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GennarettiiGennarettii

Risultati delle simulazioni sul Modello (1)Risultati delle simulazioni sul Modello (1)

• Studio in Frequenza:• Il sistema

(matrice+ChargeAmplifier) si comporta come un filtro passa banda a guadagno variabile, dipendente da CX.

• Studio della attenuazione per effetto resistivo:Resistenze e capacità dipendenti dal materiale delle linee: • Con linee metalliche sottili

si ottengono attenuazioni abbastanza basse (frazioni di percento)

• Con linee RESISTIVE è possibile tener conto della attenuazione (fissa) nell’algoritmo di linearizzazione della lettura.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Applicazioni BiomedicaliApplicazioni BiomedicaliPressione plantare: Statica e dinamica Valuazioni posturali Analisi del cammino

Busti: Scogliosi Valuazioni posturali Analisi dell’efficacia dei dispositivi correttivi

Letti: Prevenzione dei problemi da decubito

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Software di acquisizioneSoftware di acquisizione

RoutineAcquisizione

delSensore

SmoothingGAMMA

Correction

+

-

SAVEZERO

PATTERN

Direct Stream

ZERO PATTERN

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Posturometria: analisi stabilometricaPosturometria: analisi stabilometrica

CALCOLO COP

CALCOLO CUR

x

Y

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Studio attuale sui sensori Capacitivi Studio attuale sui sensori Capacitivi BiomedicaliBiomedicali

• Sensori: Sensori: • Realizzazione di sistemi elasticiRealizzazione di sistemi elastici• Affidabilità e collaudo connessioni e lineeAffidabilità e collaudo connessioni e linee• Studio delle caratteristiche elettrico-meccaniche degli Studio delle caratteristiche elettrico-meccaniche degli

elastomerielastomeri• Studio di altri materiali con caratteristiche fisiche-elettriche Studio di altri materiali con caratteristiche fisiche-elettriche

variabili con altri parametri (temperatura, umidità, variabili con altri parametri (temperatura, umidità, radiazioni?)radiazioni?)

• ElettronicaElettronica• Ottimizzazione circuitale del sistemaOttimizzazione circuitale del sistema• Elettronica analogica, tecniche di demodulazione, Elettronica analogica, tecniche di demodulazione,

determinazione delle due componenti (R e C) di ciascuna determinazione delle due componenti (R e C) di ciascuna cellacella

• Modello del rumore del sistema, Studio del rapporto S/NModello del rumore del sistema, Studio del rapporto S/N

• SoftwareSoftware• Tuning ad alcune applicazioni interessanti del sistema. Tuning ad alcune applicazioni interessanti del sistema.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Sensori Capacitivi su Vaste AreeSensori Capacitivi su Vaste Aree• Applicazioni di Applicazioni di

studio studio dell’dell’AerodinamicaAerodinamica

• AeronauticaAeronauticaStrutture Strutture Sicurezza del VoloSicurezza del VoloStudio dell’efficacia Studio dell’efficacia dei profili alari dei profili alari

• Velistica Velistica Ottimizzazione Ottimizzazione dei profili dei profili della Vela della VelaStudio Studio dell’assetto dell’assetto imbarcazione imbarcazione

• Strutture Strutture Architettoniche… Architettoniche…

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Matrice di Sensori Capacitivi su VASTA Matrice di Sensori Capacitivi su VASTA AREAAREA

MUX

Matrice Sensori

Receiver

Driver CFCX

CCCR

MUX

Su vasta Area l’utilizzo del sistema visto finora rende MOLTO CRITICI questi problemi:

- Lunghezza linee di Lunghezza linee di connessioneconnessione (specie per segnali molto (specie per segnali molto deboli)deboli)- Elevate - Elevate capacità di caricocapacità di carico..- Esposizione dei segnali - Esposizione dei segnali analogicianalogici a a rumori e scariche rumori e scariche elettrostaticheelettrostatiche

Ciò accade perché Ciò accade perché si cerca di si cerca di portare molto lontano dal portare molto lontano dal charge amplifier i deboli charge amplifier i deboli segnali analogici che escono segnali analogici che escono dalle celle capacitive.dalle celle capacitive.

Una Una soluzione alternativasoluzione alternativa è è quella di “distribuire” quella di “distribuire” l’elettronica analogica, e “far l’elettronica analogica, e “far girare” solo alimentazioni e girare” solo alimentazioni e segnali digitali. segnali digitali.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Sistema Distribuito per lettura di una Matrice di Sistema Distribuito per lettura di una Matrice di CapacitàCapacità

ControllorePWR + Bus

PRW + Bus

Moduli Driver

Moduli Receiver

Matrice di Sensori Capacitivi

Il sistema è costituito da moduli:

Driver: Contengono l’elettronica analogica che permette di iniettare un segnale sinusoidale nella Riga, oppure possono fissarla a Massa.

Receiver: Contengono il charge amplifier e l’elettronica analogica che permette di leggere il segnale iniettato sulla colonna, oppure possono fissarla a Massa.

Tutti hanno un controllore digitale che comunica su un Bus comune.Tutti ricevono alimentazione da opportune linee di Power del Bus.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Problematiche di sistemaProblematiche di sistema

• RobustezzaRobustezza• ambienti ostiliambienti ostili

• AffidabilitAffidabilitàà• fault tolerancefault tolerance

• Non invasivoNon invasivo• accuratezza della misura e performancesaccuratezza della misura e performances

• Ampia areaAmpia area• rumorerumore

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Protocollo di comunicazioneProtocollo di comunicazione

I2C BUSMaster

RxRxRxRx

Driver

Driver

Driver

Driver

• I2C Protocol: master driver

• Driver: iniezione del segnale

• Receiver: acquisizione dei dati

• I2C Protocol: receiver master

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Caratteristiche della topologiaCaratteristiche della topologia

• Semplice architettura dei trasduttoriSemplice architettura dei trasduttori• Array di elementi passiviArray di elementi passivi

• Non intrusivoNon intrusivo• Basso numero di connessioniBasso numero di connessioni

• Carico computazionale distribuitoCarico computazionale distribuito• PossibilitPossibilità di elaborazione parallelaà di elaborazione parallela

• Protocollo di comunicazioneProtocollo di comunicazione• Sincronia e semplice interconnessioneSincronia e semplice interconnessione

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Prototipo Dimostrativo del SistemaPrototipo Dimostrativo del Sistema

- Moduli Driver e Receiver realizzati in tecnologia standard PCB (2 Layer), con microcontroller MicroChip PIC 18 ed elettronica analogica commerciale; - Master di sistema realizzato su scheda millefori con gli stessi microcontroller; - Comunicazione RS232 con il PC; - Applicativo LabView.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Realizzazione Circuiti Driver e ReceiverRealizzazione Circuiti Driver e Receiver• Microcontrollore Risc PIC18F254, Clock 10MHz x4 (PLL interno) 16K Flash (codice), 1,5K Ram (Dati)

• Divisione “geografica” delle sezioni analogica e digitale.

• Alimentazioni Separate: - Duale 5Volt per Analogica, - +5 Volt per Digitale, - Due Masse distinte (unite solo in un punto)

• Connettore 5 Poli per programmazione OnBoard

• Bus I2C per i comandi dei moduli

• Bus SPI separato per i dati in uscita dai moduli Receiver (per ottenere maggiore banda)

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Realizzazione Realizzazione Circuito “Master”Circuito “Master”

• Realizzazione su millefori con tecnica wire wrap

• Microcontrollore Risc PIC18F254, Clock 10MHz x4 (PLL interno) 16K Flash (codice), 1,5K Ram (Dati)

• 4 Alimentatori separati: - Duale 5Volt per Analogica, - +5 Volt per Digitale moduli, - +5 Volt per Digitale locale, - Masse distinte (unite solo in un punto)

• Connettore 5 Poli per programmazione OnBoard

• Bus I2C per i comandi dei moduli

• Bus SPI separato per i dati in uscita dai moduli Receiver

• Tranceiver e connessione seriale RS232 verso il PC esterno.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Implementazione “su schede” del Sistema Implementazione “su schede” del Sistema DistribuitoDistribuito

Bus COMANDI

ControlloreBus DATI

Bus COMANDI

Moduli Driver

Moduli Receiver

Matrice di Sensori Capacitivi

• Tutti moduli a Microcontrollore

• Disturbi Alimentazioni separate e Masse distinte (unite solo in un punto)

• Flessibilità Programmazione OnBoard

• Banda x Comandi e Dati Bus Separati (I2C per i comandi, SPI per i dati dei Receiver)

• Controller che gestisce Alimentazioni e Connessione RS232 verso il PC esterno.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Realizzazione dei Sensori Realizzazione dei Sensori per applicazioni per applicazioni AerodinamicheAerodinamiche

• Idea: array di sensori di pressione sottili Idea: array di sensori di pressione sottili e poco costosi, per applicazioni e poco costosi, per applicazioni aerodinamicheaerodinamiche

• Funzioni e realizzazione:Funzioni e realizzazione: Array di Celle di misura : Array di Celle di misura : Base rigida e superficie Sensibile Base rigida e superficie Sensibile Elastica, Elastica, per realizzare un condensatore variabile per realizzare un condensatore variabile con la pressione con la pressione

• Realizzazione PCB Quasi-standard : Realizzazione PCB Quasi-standard : Top layer di Kapton® sottile (nero): Top layer di Kapton® sottile (nero): Armatura attiva del condensatore Armatura attiva del condensatore VariabileVariabile

PCB intermadia (verde) : PCB intermadia (verde) : realizza le ‘pareti’ delle celle realizza le ‘pareti’ delle celle

PCB in basso (verde chiara): PCB in basso (verde chiara): Armatura sensibile dei condensatori, Armatura sensibile dei condensatori, Supporto e connessioni Supporto e connessioni

• Progetto e Realizzazione by LYRAS lab. Progetto e Realizzazione by LYRAS lab. (Forlì, M. Tartagni & al. ) (Forlì, M. Tartagni & al. )

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Aerodynamic Sensor Array TestAerodynamic Sensor Array Test

• Test dell’array di sensori di pressione: Test dell’array di sensori di pressione: l’ Array è stato montato nella l’ Array è stato montato nella strozzatura di un Tubo di Venturi strozzatura di un Tubo di Venturi

Un flusso d’aria è stato forzato nel tuboUn flusso d’aria è stato forzato nel tubo

La pressione teorica e quella misurata La pressione teorica e quella misurata dall’array sono state confrontate per dall’array sono state confrontate per caratterizzare il sensore. caratterizzare il sensore.

• With LYRAS lab. (Forlì)With LYRAS lab. (Forlì)

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300

X [mm]

Y [mm]

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2Geom. Profile

Pressure

Air FlowAir Flow

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

E-sail DEMO Panel: Venturi E-sail DEMO Panel: Venturi TestTest

Il tubo venturi con il Il tubo venturi con il sensore di pressione sensore di pressione così realizzato è così realizzato è stato collegato al stato collegato al sistema di misura sistema di misura distribuito:distribuito:

La quarta RIGA del La quarta RIGA del sistema è connessa sistema è connessa alle armature attive alle armature attive dell’array, quattro dell’array, quattro delle sei armature delle sei armature sensibili sono sensibili sono collegate alle collegate alle colonne. colonne.

All’avviamento il PC All’avviamento il PC attiva il Master: attiva il Master: questi attiva a turno questi attiva a turno i 4 driver e i 4 driver e scandisce in lettura i scandisce in lettura i 4 receiver, per 4 receiver, per leggere la matrice di leggere la matrice di capacità, e la capacità, e la trasmette al PC trasmette al PC attraverso la RS232. attraverso la RS232.

Il PC visualizza la Il PC visualizza la pressione del tubo, pressione del tubo, misurando il flusso misurando il flusso d’aria che in questo d’aria che in questo viene forzato. viene forzato.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Evoluzione del sistema Distribuito: Chip E-Evoluzione del sistema Distribuito: Chip E-SAILSAIL

Scopo finale:

• Riduzione delle dimensioni (Moduli costituiti da un SINGOLO Chip)

• Un chip per fare Driver e Receiver, configurato mediante il bonding (Riduzione dei costi)

Evoluzioni tecnologiche:

• Singola Alimentazione +3,3Volt (Riduzione dei Consumi)

• Singolo Bus di Comunicazione I2C (Fast Mode proprietario: 1MBit/s) per: - Comandi - Dati - Bootstrap del Codice all’avviamento.

PWR & I2C BUSMaster

Esail (Rx)

Esail (Rx)

Esail (Rx)

Esail (Rx)

Esail (Dr)

Esail(Dr)

Esail(Dr)

Esail(Dr)

PWR&I2C

BUS

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Chip E-SAIL by Chip E-SAIL by STMSTM

• Processo HCMOS 0.18 μm• Tecnologia Digitale Standard usata in Mixed Signal• Tre blocchi indipendenti: - Analogico (Driver&Receiver) - Digitale (comune) - Comunicazione I2C • 5 pad: Alimentazione (+3,3Volt e GND) I2C Bus (SDA e SCL) Pin di Analogica: Ingresso Sensing (Colonna) o Uscita Driver (Riga) 8 bit per l’autoriconoscimento• Bonding: Test su PGA144 pin Moduli finali su COB

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Chip E-Sail: Struttura internaChip E-Sail: Struttura interna

8 bitDAC

Outputpad

Output Buffer

SDA SCL

I2C BusInterface

I2CGND

FSMADC

FSMDAC TBus

I2C BusController

DACMEM

ADCMEM

AHBAPB

AH

B-A

PB

BR

IDG

E

Arb

itro

XiRisc

DM

EM

IMEM

• Blocco Analogico

• Blocco Digitale

• Interfaccia I2C

Sensing lineGeneratore forme d’onda

Inputpad

10 bitADC

Inputpad

10 bitADC

Outputpad

8 bitDAC

Output Buffer

XiRiscBus AMBATest Bus

AH

B-A

PB

BR

IDG

E

XiRiscTBus

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Flusso di compilazione XiRisc Flusso di compilazione XiRisc Bootstrap E-Sail Bootstrap E-Sail

E’ stato messo a punto il flusso di compilazione per XiRisc su E-Sail, che permette di ottenere i file Istruzioni e Dati.

All’avviamento del sistema, attraverso il software di funzionamento (LabView), viene trasmesso il programma via RS232 al Master del sistema, che lo manda a tutti i chip attraverso l’I2C bus.

Terminato il Bootstrap, il sistema comincia a funzionare e restituisce i dati letti attraverso la seriale RS232

file.cComplilator

eAssemblato

refiltri

Bootstrap & Main Function

Software (LabView)

file.inst

file.data

PWR & I2C BUS

RS232

PC

Master

Esail (Rx)

Esail (Rx)

Esail (Dr)

PWR&I2C

BUS

Sistema E-Sail

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Collaudo del Chip E-Sail: Catena di uscitaCollaudo del Chip E-Sail: Catena di uscita

8 bitDAC

Outputpad

Output Buffer

DACMEM

Programmando un chip E-Sail è possibile sintetizzare una Sinusoide: 8 Bit, 16 Campioni a 250 KHz, 3 Vpp, amplificata da un opportuno Buffer di uscita.

FSMDAC

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Collaudo del Chip E-Sail: Catena di Collaudo del Chip E-Sail: Catena di ingressoingresso

Inputpad

10 bit ADC

E’ possibile attivare la lettura del Charge Amplifier: uno stimolo sinusoidale viene rilevato, amplificato e filtrato(come dimostrano le forme d’onda rilevate): Il segnale viene campionato infine da un ADConverterda 10 Bit, 4MSample/S

L’ADC non funziona:

E’ attualmente in corso la verifica finale delle correzioni sul ADC, che daranno luogoa un ulteriore TapeOut il prossimo Giugno 2004.

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

Studio attuale sui Studio attuale sui Sistemi Distribuiti Sistemi Distribuiti per Applicazioni di Vasta Areaper Applicazioni di Vasta Area

• Sensori:• Ottimizzazione sensori applicazioni aerodinamiche• Studio integrazione sensori nelle Vele

• Elettronica• Studio ed ottimizzazione delle prestazioni

• Immunità al rumore• Precisione• Velocità

• Sviluppo Firmware per Moduli E-Sail e Master• Ottimizzazione comunicazioni• Collaudo delle funzionalità del Chip E-Sail 1.2Collaudo delle funzionalità del Chip E-Sail 1.2

• Catena d’ingressoCatena d’ingresso• Catena d’uscitaCatena d’uscita• Interfaccia IInterfaccia I22CC

• Software applicativi e di collaudoSoftware applicativi e di collaudo• Applicazioni aerodinamiche e velisticheApplicazioni aerodinamiche e velistiche

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6 Maggio 20046 Maggio 2004Matteo Nicolini – Davide Matteo Nicolini – Davide

GennarettiiGennarettii

PossibilitPossibilità di tesi di tesi

• Ambito biomedicaleAmbito biomedicale• Studio di strategie di sensing alternativeStudio di strategie di sensing alternative• Realizzazione di schede prototipoRealizzazione di schede prototipo• Programmazione di microcontrolloriProgrammazione di microcontrollori• Studio del comportamento con linee resistive Studio del comportamento con linee resistive • Software applicativi ad alto livello (LabVIEW)Software applicativi ad alto livello (LabVIEW)

• Ambito aerodinamicoAmbito aerodinamico• Testing e programmazione del chipTesting e programmazione del chip• Progetto, realizzazione e programmazione di schede Progetto, realizzazione e programmazione di schede

(Master)(Master)• Analisi delle prestazioni Analisi delle prestazioni • Realizzazione di una demo del sistemaRealizzazione di una demo del sistema

• ContattiContatti• [email protected]@deis.unibo.it• [email protected]@deis.unibo.it