Garantice la integridad de los datos del sensor mediante la autointerrogación y el diagnóstico

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las tecnologías de sensores e Internet de las cosas (IoT) se están expandiendo con rapidez en entornos industriales, comerciales e incluso de consumo. Junto con esta expansión, existe una creciente necesidad de garantizar la integridad de los datos provenientes de los sensores asociados y sus circuitos de interfaz Front End.

El posible problema de la integridad de los datos puede empeorar cuando un CI de interfaz único soporta varios sensores, ya que este tipo de problemas podría corromper un grupo de lecturas. A su vez, esto podría generar que se evalúe de manera incorrecta la situación detectada, lo que podría dar como resultado acciones inadecuadas o incluso peligrosas del sistema.

Este artículo analizará las diversas fuentes de fallas permanentes y no permanentes (transitorias) y las inexactitudes en la lectura del sensor en la cadena de señales del sensor al procesador. A continuación, presentará un CI altamente integrado de Analog Devices y mostrará cómo se puede utilizar para solucionar estos problemas por medio de diagnósticos en los sensores, en sí mismo y en su E/S digital.

La trayectoria de la señal del sensor al procesador

Los factores que, en última instancia, afectan la integridad de todas las lecturas del sensor comienzan con los tres bloques funcionales principales de la cadena de señales que se muestran en la figura 1. Estos bloques son los siguientes:

  1. El sensor y sus conductores.
  2. El Front End analógico en el CI de acondicionamiento de señales, que se centra en el convertidor analógico-digital (ADC).
  3. La E/S digital para el procesador del sistema.

Diagrama de la trayectoria básica de la señal del sensor al procesador

Figura 1: la trayectoria básica de la señal del sensor al procesador consiste, en principio, en unas pocas funciones primarias, pero una interfaz práctica y útil de CI ofrece muchas más funciones y características. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

En un sistema multicanal, los sensores suelen ser una mezcla de varios tipos, como termopares, detectores de temperatura de resistencia (RTD) y sensores de presión. Un sensor puede fallar, por supuesto, o pueden abrirse sus conductores de interconexión u originar un cortocircuito en un conductor colateral, una guía eléctrica o en tierra.

Según el tipo de sensor, se puede detectar de inmediato una falla en las extremidades de los hilos ya que la lectura “excederá el rango”. En cambio, algunos modos de falla generan señales inexactas, pero de aspecto legítimo. Además, algunos sensores, como los RTD, necesitan una corriente de estímulo externa, y esta corriente debe estar dentro de un rango establecido para generar una lectura válida. Por estos motivos, una buena idea es probar la continuidad de la trayectoria de la señal entre el sensor y el Front End analógico, además de verificar que la señal permanezca entre los límites mínimo y máximo que se permiten, preferentemente mediante el uso de circuitos analógicos que no dependan de los posibles problemas del ADC.

Esto no solo brindará lecturas precisas, sino también lecturas en las que los algoritmos de toma de decisiones del sistema se puedan ejecutar con un nivel muy alto de confianza en los datos de origen.

Sin embargo, todos estos controles y equilibrios adicionales se suman a más componentes, a un espacio más grande y a más tiempo de diseño.

El CI autointerrogante garantiza la integridad de los datos del sensor

Para satisfacer la necesidad de la demanda de datos de alta integridad con un impacto mínimo en el tiempo de diseño y en el espacio, Analog Devices presentó el AD7124-8BCPZ-RL7, un ADC centrado en el sensor y una interfaz que va mucho más allá del acondicionamiento y la conversión de señales básicas. Incluye varias funciones de señal y autodiagnóstico para garantizar la integridad de los datos.

Diagrama de la interfaz y el ADC centrado en el sensor AD7124 de Analog Devices

Figura 2: la interfaz y el ADC centrado en el sensor AD7124 van mucho más allá del acondicionamiento y la conversión de señales básicas para incluir diversas funciones de señal y autodiagnóstico con el fin de asegurar la integridad de los datos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El AD7124 es un dispositivo sigma-delta (Σ-Δ) de cuatro canales, con bajo nivel de ruido, de baja potencia y de 24 bits. Su velocidad de muestreo varía desde un poco más de 1 muestra/seg, adecuada para muchas clases de sensores y sus aplicaciones, hasta 19,200 muestras/seg. Con la velocidad de muestreo más baja, extrae 255 microamperes (μA). La precisión de las lecturas de este dispositivo se ve mejorada por el énfasis del diseño en el ruido bajo, a menos de 25 nanovoltios (nV) rms, y la baja deriva de su referencia de voltaje interno (10 ppm/ °C).

El AD7124 se encuentra disponible en paquetes LFCSP de 32 conductores y TSSOP de 24 conductores. Su E/S digital y flexible admite interfaces SPI, QSPI, MICROWIRETM y DSP de 3 y 4 cables.

El AD7124 resuelve los problemas antes mencionados de los conductores del sensor con dos técnicas: alarmas de límite de señal y detección de corriente de desgaste. Las alarmas de límite de señal utilizan un monitor de alarma de sobrevoltaje/subvoltaje para verificar el voltaje absoluto en cada uno de los cuatro pares de conexiones de entrada analógica (figura 3). Este voltaje debe estar dentro de un margen definido para cumplir con las especificaciones de la hoja de datos.

Diagrama de verificación básica del sensor

Figura 3: una verificación básica de los conductores del sensor mediante alarmas de límite de señal utiliza comparadores que se basan en hardware con configuraciones fijas mínimas/máximas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La detección de corriente de desgaste utiliza un par de fuentes y disipadores de corriente programables y complementarios. Al abastecer y disipar un par predefinido de corrientes en los conductores del sensor, el AD7124 puede verificar su integridad (figura 4). Las corrientes, que están activas por completo o inactivas, se conectan al par de cables de entrada analógica seleccionado que se está probando.

Diagrama de abastecimiento y disipación de un par predefinido de corrientes

Figura 4: al abastecer y disipar un par predefinido de corrientes en los conductores del sensor, el AD7124 puede verificar su integridad. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Una lectura a gran escala (o casi) puede significar que el sensor de Front End se encuentra en un circuito abierto. Si el voltaje que se mide es de 0 voltios, puede indicar que el transductor está en cortocircuito. Para indicar la ocurrencia y el tipo de error, se establece un bit señalizador correspondiente en el registro de errores.

Finalmente, para aplicaciones en las que el usuario proporciona la referencia de manera externa en lugar de utilizar la referencia interna, que se suele realizar con RTD o bandas extensométricas, el AD7124 verifica que estén correctos todos los voltajes de referencia de conversión externa.

Verificación de Front End y ADC

Si bien los sensores externos y sus conductores son el origen más probable de estos problemas, es esencial verificar el rendimiento del CI Front End/conversión. Entre las funciones que pueden estar fuera de las especificaciones o que fallaron por completo se encuentran las siguientes:

  • La referencia interna de voltaje del ADC.
  • El amplificador de ganancia programable (PGA) que aumenta la señal de entrada para que coincida con el margen del ADC para obtener la máxima resolución.
  • El regulador de caída baja (LDO) que proporciona la excitación necesaria del sensor.
  • Las guías internas de alimentación del CI.
  • El propio ADC.

Para probar la sección analógica de la cadena de señales, el AD7124 recurre a la autoprueba que se basa en hardware y firmware. Genera una señal de 20 milivoltios (mV) que puede conectarse de manera interna a alguno de sus cuatro canales de entrada diferencial y luego digitalizarse. Esto sirve para varios objetivos: verifica el funcionamiento básico del multiplexor de canal de entrada y el ADC; también permite la evaluación del PGA al cambiar su configuración de ganancia y al verificar las lecturas que derivan del ADC.

El ADC también es una fuente de posibles problemas. El AD7124 utiliza la bien establecida arquitectura de convertidor Σ-Δ con su modulador de 1 bit y los filtros digitales necesarios. La prueba completa del rendimiento del ADC emplea técnicas tanto analógicas como digitales.

En el AD7124, si la salida del modulador contiene 20 períodos de 1s o 0s consecutivos, indica que se saturó el modulador en una u otra guía, y se establece un bit señalizador de error. De manera similar, el CI verifica que el coeficiente de estatismo del ADC se encuentre entre 0x7FFFF y 0xF80000 después de iniciar por sí mismo su calibración de desviación. Si está fuera de este rango, se establece otro bit señalizador de error. Finalmente, durante una calibración a gran escala, todo desbordamiento del filtro digital establece otro bit señalizador de error.

Las fuentes de alimentación internas y externas y las guías también son posibles orígenes de problemas. Muchos sensores exigen una pequeña cantidad de energía de excitación, por lo que suele suministrarla un LDO pequeño y de bajo ruido que se encuentra dentro del CI Front End.

El AD7124 verifica las salidas de su LDO de dos maneras. Primero, la salida del LDO se puede enrutar de manera interna al ADC y compararse con su valor esperado. En segundo lugar, un comparador de hardware que no depende del ADC controla de manera continua el LDO frente a la referencia del CI. Si cae por debajo de un umbral preestablecido, se establece un bit señalizador de error. Como resultado, durante la inicialización se puede evaluar el LDO. Esto también puede suceder de forma continua sin consumir de manera constante los recursos del procesador.

Para generar mayor confianza, se pueden verificar los circuitos de prueba que se utilizan para controlar el suministro (hasta cierto punto) al conectar su entrada a tierra (0 voltios nominales) y luego al verificar la lectura digital. El AD7124 lleva esta garantía de integridad de datos un paso más allá al verificar que los capacitadores de desacople de 0.1 microfaradios (µF) necesarios estén presentes y conectados. Para ello, dirige al AD7124 para que desconecte de manera física el capacitador de desacople a través de su interruptor interno y, a continuación, comprueba la salida del LDO. Si el voltaje del LDO cae, el capacitador de desacople se encuentra eléctricamente ausente. Otra vez, esto establece un bit señalizador de error.

Por supuesto, cada CI tiene una clasificación de temperatura máxima más allá de la que saldrá de las especificaciones o incluso fallará por completo. Por lo tanto, el AD7124 incorpora un sensor que proporciona lecturas de la temperatura del molde en todo momento, con una precisión normal de ±0.5 °C.

¿Qué pasa con los errores digitales?

Hasta ahora, hemos buscado garantizar el rendimiento y la precisión con respecto al sensor analógico o a las funciones de conversión. Sin embargo, en los entornos industriales eléctricamente severos donde se implementan muchos de estos sensores, existen problemas de ruido, EMI/RFI y los transitorios que afectan a la electrónica digital. Por lo tanto, es importante garantizar el rendimiento de los circuitos digitales internos, así como el enlace de la interfaz con el procesador del sistema para asegurar la solidez de los datos, además de las operaciones de lectura/escritura.

El AD7124 lo logra a través de un enfoque polifacético que comienza con las siguientes operaciones y características:

  • Se verifica el rendimiento del reloj maestro. Se necesita el reloj maestro para configurar la velocidad de los datos de salida, el tiempo de estabilización del filtro y las frecuencias de las ranuras del filtro. Un registro de conteo independiente que puede leerse en todo momento lo verifica.
  • La cantidad de pulsos SCLK que se utilizan en cada operación de lectura o escritura de interfaz periférica serial (SPI) se verifica a través de un contador especial de reloj. El número debe ser un múltiplo de ocho (todas las operaciones de SPI utilizan 8, 16, 32, 40 o 48 pulsos de reloj).
  • El AD7124 verifica que las operaciones de lectura y escritura se dirijan solo a direcciones de registro válidas.

Estos pasos abordan las operaciones internas, pero no garantizan la integridad de la interfaz del procesador y sus datos. Para proporcionar un mayor nivel de confianza en los datos, el usuario puede dirigir el AD7124 para implementar un algoritmo de suma de comprobación polinomial de verificación de redundancia cíclica (CRC). La suma de comprobación garantiza que solo se escriban los datos válidos en un registro y permite que se validen los datos leídos de un registro (figura 5). Tenga en cuenta que la suma de comprobación es una técnica de alta confianza para detectar incluso errores de un solo bit, pero no puede corregirlos.

Diagrama de la suma de comprobación de CRC que se basa en polinomios agregada a las transacciones de escritura y lectura SPI (haga clic para ampliar)

Figura 5: se agrega una suma de comprobación de CRC que se basa en polinomios a las transacciones de escritura (izquierda) y lectura de SPI (derecha) para detectar errores de bit. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Cuando se habilita, esta operación calcula una suma de comprobación en el bloque de datos y la agrega al final de cada transacción de lectura y escritura. Para asegurarse de que se logró la escritura del registro, es necesario leerlo de nuevo para comparar la suma de comprobación almacenada con la calculada a partir de los datos.

En una configuración eléctricamente severa, incluso la memoria puede sufrir errores de bit. Para proporcionar un control de alto nivel contra tales errores en los registros en chip, el AD7124 calcula la suma de comprobación para una serie de operaciones cada vez que se produce lo siguiente:

  • Existe un ciclo de escritura de registro.
  • Existe una calibración de desviación/a gran escala.
  • El dispositivo realiza un solo ciclo de conversión y, una vez que finaliza la conversión, el ADC entra en modo de espera.
  • Sale del modo de lectura continua.

Para aumentar la robustez, también se evalúa la memoria interna de solo lectura (ROM). Durante el encendido, se inicializan todos los registros a los valores predeterminados que se almacenan en la ROM. En el encendido, se realiza un cálculo de CRC en el contenido de la ROM. Si difiere del resultado de CRC almacenado, indica la presencia de al menos un error de un solo bit.

El AD7124 también ofrece excitación para muchos tipos de sensores, así como también acondicionamiento de señales y escalado de la señal de salida del sensor a través de amplificadores y un PGA. Para proporcionar la extrema robustez que ofrece, dispone de muchos registros internos para su inicialización, al establecer los modos y parámetros funcionales deseados, y para la señalización de diversos errores y fallas.

Para poner en marcha los diseños del AD7124, utilice su correspondiente placa de evaluación.

El AD7124 es un sistema complejo que posee muchas posibilidades de diseño y capacidades de rendimiento. No se trata de un simple CI de interfaz de sensor de “entrada y salida”. Para facilitar el aprendizaje y permitir que los diseñadores conozcan sus posibles capacidades con rapidez, Analog Devices también proporciona la placa de evaluación EVAL-CN0376-SDPZ (figura 6).

Imagen de la placa de evaluación EVAL-CN0376-SDPZ de Analog Devices

Figura 6: la placa de evaluación EVAL-CN0376-SDPZ acelera el diseño y permite la ejecución completa de las muchas funciones y características del AD7124. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La placa de evaluación contiene la fuente de alimentación y los componentes externos necesarios para conectar el AD7124 con una variedad de sensores reales, así como también un procesador. Es compatible con el software de evaluación CN-0376 que se basa en PC de Windows, que se comunica a través de un puerto USB para configurar y capturar datos de la placa de evaluación.

Conclusión

Se están tomando muchas decisiones importantes mediante algoritmos avanzados integrados en los procesadores del sistema, que en muchos casos se han mejorado con inteligencia artificial (IA). Es más necesario que nunca que los datos brutos sobre los que estos algoritmos operan, desarrollan conclusiones y toman medidas, sean de alta integridad. Los CI, como el AD7124, agregan varias capas de confianza necesaria en los datos, lo que garantiza que todos los enlaces en la cadena de señales, desde los conductores y la interfaz del sensor hasta su propio rendimiento y sus propias funciones, funcionen como se espera y no se dañen.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Acerca de este autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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