New Architecture for Intelligent Pressure Sensors with Analog and

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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 12, NO. 2, MARCH 2014
New Architecture for Intelligent Pressure
Sensors with Analog and Digital Outputs
A. H. González,1J. R. Beltrán, J. T. Cerón and E. C. Rodríguez
Abstract— This article proposes a new architecture for
intelligent pressure sensors based on the interconnection of a
Digital Signal Processor (DSP) and a microcontroller. This
configuration allows to obtain a highly accurate output using a
reduced number of electronic components. Additionally, very low
response times are obtained and different protocols for digital
communication are implemented.
This paper also discusses the compensation algorithm used to
correct the sensitivity and offset dependence on temperature, as
well as non-linearity of the pressure sensor response. Hardware
and tests performed to verify the proposed architecture
operation are described. The total error band obtained in the
digital output was 0.07% of full scale output for a relative
pressure sensor in a temperature range of 0 to 50 °C.
The obtained results demonstrate the advantages of the new
architecture proposed.
Keywords— intelligent sensors, DSP,
compensation and calibration algorithm.
L
microcontroller
I. INTRODUCCIÓN
OS sensores de presión piezorresistivos son ampliamente
utilizados en el control y monitoreo de diferentes
aplicaciones. El puente de Wheatstone integrado es uno de los
elementos más empleados como sensores para convertir en
señales eléctricas las variaciones resistivas del puente debidas
a cambios de presión. Los sensores piezorresistivos presentan
algunas características no deseadas que degradan la exactitud
y precisión de las señales a su salida. El mayor problema
asociado a ellos es la marcada dependencia existente entre la
sensibilidad y la temperatura por lo que se hace necesario
utilizar circuitos de acondicionamiento de señal para
compensar las variaciones que experimentan los parámetros de
estos sensores con los cambios de la temperatura. Han sido
reportados gran variedad de circuitos de acondicionamiento de
señales con diferentes características y grados de complejidad
para compensar la señal de salida de los sensores
piezorresistivos. Entre los más utilizados se encuentran los
que emplean técnicas puramente analógicas, basadas
principalmente en el uso de redes resistivas, amplificadores y
diodos [1], [2], [3], [4]. Otros circuitos ampliamente utilizados
son los que pertenecen al grupo de los ASSP (Analog Sensor
Signal Processor) [5], [6]. Estos dispositivos se caracterizan
principalmente por mantener la señal proveniente del sensor
A. H. González, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
(CIME-ISPJAE), La Habana, Cuba, [email protected]
J. R. Beltrán, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
(CIH-ISPJAE), La Habana, Cuba, [email protected]
J. T. Cerón, Omnicon S.A, Bogotá,Colombia, [email protected]
E. C. Rodríguez, Universidad de São Paulo (LSI-USP), São Paulo, Brasil,
[email protected]
en el dominio analógico y realizar la corrección de la
sensibilidad y el offset utilizando además varios
amplificadores
de
ganancia
programable
(PGA:
Programmable Gain Amplifier), convertidores digitalesanalógicos (DAC: Digital to Analog Converter) y memorias
no volátiles para almacenar los coeficientes de corrección.
Una de las técnicas más novedosas empleadas se basa en el
procesamiento digital de señales utilizando un DSP: Digital
Signal Processor o un microcontrolador [7], [8], [9], [10],
[11], [12]. En estos casos las señales provenientes de los
sensores se digitalizan utilizando un conversor analógicodigital (ADC: Analog to Digital Converter) y se compensan
en una unidad central de procesamiento (CPU: Central
Processing Unit), donde los valores obtenidos son señales
compensadas listas para ser enviadas de forma digital. Para
obtener una señal de salida de forma analógica utilizan un
DAC.
En [7], [8], [10] y [12] se reportan diferentes arquitecturas
de sensores inteligentes con comunicación digital. De manera
general estas arquitecturas se caracterizan por la utilización de
un único dispositivo inteligente que se encarga tanto del
acondicionamiento de la señal proveniente del sensor como de
la atención al protocolo de comunicación digital
implementado Además, no se reportan los tiempos de
respuestas de los sensores inteligentes y se emplean gran
cantidad de componentes electrónicos adicionales (ADC,
DAC, MUX: multiplexores, PGA, sensores de temperatura,
etc.) que conforman un sistema, lo que compromete la
fiabilidad del diseño e incrementa los costos.
En este trabajo se propone una nueva arquitectura para
sensores inteligentes de presión basada en la interconexión de
un DSP y un microcontrolador con un mínimo de
componentes adicionales, no reportado anteriormente en la
literatura. Se describe el hardware utilizado y las pruebas
realizadas para validar el funcionamiento de la nueva
arquitectura y se discuten los resultados obtenidos. Con la
arquitectura propuesta se obtienen valores de errores a la
salida, menores o iguales a los reportados. Utilizando esta
nueva arquitectura también se elimina la necesidad de emplear
gran cantidad de componentes externos ya que es posible
utilizar los módulos que vienen contenidos en el DSP y el
microcontrolador reduciendo con ello el costo del sistema,
además de permitir la implementación de diferentes
protocolos para la comunicación digital. Tomando como base
los procedimientos descritos en normas internacionales fue
obtenido el valor de TEB (Total Error Band) y los tiempos de
respuesta del sensor inteligente fabricado. También se
describe el algoritmo de compensación utilizado para corregir
la dependencia de la sensibilidad y el offset con la
HERNÁNDEZ GONZÁLEZ et al.: NEW ARCHITECTURE
temperatura, así como la no linealidad en la respuesta del
sensor de presión.
II. DESCRIPCIÓN DE LA NUEVA ARQUITECTURA
En varias publicaciones han sido reportados circuitos de
acondicionamiento que utilizan un DSP o un microcontrolador
para el acondicionamiento de las señales provenientes de
sensores, pero no se han encontrado referencias que utilicen
ambos en el mismo diseño debido fundamentalmente a que la
función de estos dispositivos es muy parecida. En este artículo
se propone una nueva arquitectura en la cual se unen o
interconectan y aprovechan las principales características de
estos dispositivos para obtener un sensor inteligente de muy
altas prestaciones. En la Fig. 1 se muestra el diagrama en
bloques de la arquitectura propuesta.
DSP
117
el DSP no tiene que ocuparse de la atención al protocolo de
comunicación digital. Esto posibilita que el DSP utilice su
gran velocidad de procesamiento únicamente en la
computación del valor corregido de presión, a diferencia de las
arquitecturas reportadas donde un único dispositivo inteligente
se encarga de ambas tareas limitando su tiempo de respuesta.
También resulta ventajosa la utilización de los módulos que
vienen integrados en el DSP como: PGA, MUX, ADC, DAC y
sensores de temperatura, ya que con ello se minimizan la
cantidad de componentes electrónicos adicionales en el
diseño, disminuyendo su costo y aumentando la fiabilidad del
sistema.
El microcontrolador es el encargado de gestionar la
comunicación digital del sistema. En él debe ir programada la
interpretación de los comandos específicos de los protocolos
implementados y las rutinas necesarias para intercambiar
información con el DSP.
El hecho de que el microcontrolador esté únicamente
encargado de la atención al protocolo ofrece una gran
flexibilidad al sistema ya que modificando el firmware del
mismo se pueden implementar una gran variedad de
protocolos de comunicación digital o incluso pudieran ser
programados varios para el mismo diseño. Por otro lado,
muchos microcontroladores cuentan con varios módulos
integrados que simplifican el diseño y permiten obtener
diferentes salidas como por ejemplo: USB, UART,
ETHERNER, etc. La mayoría de los microcontroladores
poseen compiladores que permiten desarrollar sus programas
en lenguajes de alto nivel y ofrecen herramientas para la
programación de muchos protocolos estándares, minimizando
con ello el tiempo de desarrollo y facilitando la puesta a punto
del firmware.
III. ALGORITMO DE COMPENSACIÓN.
Figura 1. Diagrama en bloques funcional de la arquitectura propuesta.
En la arquitectura se utilizó un sensor de presión
piezorresisitvo alimentado con corriente en la configuración
puente completo de Wheatstone. De este sensor fueron
obtenidas dos señales de tensión: una proporcional a la presión
y otra a la temperatura existente en el puente, similar a lo
reportado en [12]. Con ello se eliminó la necesidad de utilizar
un sensor de temperatura adicional disminuyendo los costos.
La función del DSP es acondicionar las señales
provenientes del sensor, compensar la dependencia térmica y
los errores asociados a este, para así obtener un valor de
presión corregido y brindar una salida analógica.
El microcontrolador se encuentra conectado directamente
al DSP y su función principal es interpretar los comandos del
protocolo de comunicación digital implementado y obtener del
DSP la información solicitada.
La unión o interconexión del DSP y el microcontrolador
permite obtener tiempos de respuestas muy bajos debido a que
En la literatura han sido reportados varios algoritmos para
acondicionar las señales provenientes de los sensores [5], [7],
[10]. La selección de un algoritmo en particular depende
fundamentalmente de las características de la señal de salida
del sensor que se desea utilizar.
Para la validación de la arquitectura propuesta se
implementó en el DSP un algoritmo basado en una
compensación polinomial de segundo orden ya que había sido
utilizado por los autores en otros trabajos y se tenía total
domino del mismo. Una vez que el sistema se encuentra en
funcionamiento, el DSP obtiene los valores de presión (P) y
temperatura (Tp) del puente de Wheatstone y ejecuta una
compensación polinomial para obtener el valor de presión
compensado (SD) según la ecuación (1).
SD(P, Tp) = X(Tp) + Y(Tp) ∙ P + Z(Tp) ∙ P
(1)
Este valor es enviado utilizando la salida digital del sensor
inteligente. Los coeficientes X, Y y Z dependen de la
temperatura del puente, y son obtenidos mediante las
ecuaciones (2), (3) y (4).
X(Tp) = X + X ∙ Tp + X ∙ Tp
(2)
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Y(Tp) = Y + Y ∙ Tp + Y ∙ Tp
(3)
Z(Tp) = Z + Z ∙ Tp + Z ∙ Tp
(4)
Los coeficientes X0, X1, X2, Y0, Y1, Y2, Z0, Z1 y Z2 fueron
calculados y grabados en la memoria de programa del DSP en
un proceso de compensación y calibración del sistema.
Para obtener una salida analógica compensada (SA) es
necesario implementar la compensación térmica del bloque
analógico de salida (DAC, Convertidor V-I o cualquier
elemento empelado) utilizando la temperatura a la que se
encuentran los componentes electrónicos (Te). El valor de la
salida analógica puede ser calculado utilizando la ecuación
(5).
SA(P, Tp, Te) = W(Te) ∙ SD(P, Tp) + K(Te)
(5)
Los coeficientes W y K dependen de la temperatura de los
componentes electrónicos y obtienen utilizando las ecuaciones
(6) y (7).
W(Te) = W + W ∙ Te + W ∙ Te
(6)
K(Te) = K + K ∙ Te + K ∙ Te
(7)
Los coeficientes W0, W1, W2, K0, K1 y K2 también fueron
calculados en el proceso de compensación y calibración del
sistema.
El objetivo principal del proceso de compensación y
calibración es determinar los coeficientes independientes que
caracterizan y compensan a cada sensor inteligente. Para ello
fue necesario caracterizar el comportamiento de estos sistemas
a temperaturas y presiones diferentes utilizando un
procedimiento de calibración {3P/3T} similar al descrito en
[7].
implementación de una fuente de corriente para la
alimentación del sensor de presión. Otro de los operacionales
disponibles se empleó en un convertidor voltaje-corriente para
implementar una salida analógica 4-20 mA a dos hilos.
La selección del microcontrolador está muy relaciona con
el protocolo de comunicación digital que se desee
implementar y de la interfaz física que este necesita, por
ejemplo: USB, CAN ETHERNET, RS232, RS485, SPI, I2C,
RF o simplemente un LCD para visualizar el resultado de la
medición.
Para la comunicación digital del sensor inteligente
fabricado se implementó el protocolo MODBUS RTU sobre la
interfaz física RS232 utilizando el driver MAX3221 [15]. El
microcontrolador utilizado fue el PIC16F688 de Microchip
[16] y su firmware fue desarrollado utilizando el compilador
de C para PICs de CCS (Custom Computer Service).
V. RESULTADOS.
El sistema diseñado con la nueva arquitectura fue sometido
a varias pruebas para caracterizar su funcionamiento. Una de
estas pruebas tuvo como objetivo determinar el TEB (Total
Error Band) de las salidas analógica y digital del sistema.
El TEB se determina calculando la media cuadrática de los
errores de histéresis, repetitividad, no linealidad, TCS
(Thermal Coefficient Span) y TCO (Thermal Coefficient
Offset) relativos a FSO (Full Scale Output). Estos errores
fueron obtenidos utilizando los procedimientos descritos en
las normas BS EN 60770 [17] y BS EN 61298 [18].
En la Fig. 2 se muestra una gráfica del error medio de la
salida digital del sensor inteligente construido y en la Tabla I
se muestran los errores asociados con esta salida.
IV. IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE.
Para comprobar el funcionamiento de la arquitectura
propuesta se construyó un sensor inteligente de presión que
cuenta con un DSSP (Digital Sensor Signal Processor) y un
microcontrolador. Los DSSP son procesadores digitales de
señales utilizados especialmente para acondicionar señales
provenientes de sensores.
El sensor de presión utilizado fue uno de presión relativo
de 5 bar de la serie 9S del fabricante Keller [13]. Se utilizó el
DSSP MAX1464 fabricado por MAXIM [14]. Este dispositivo
cuenta con dos canales diferenciales de entrada y un sensor
interno de temperatura. Estas tres señales de entrada son
multiplexadas y para cada una de ellas se puede configurar
una ganancia específica mediante un PGA interno. El
MAX1464 también cuenta con un ADC de 16 bit de
resolución y una CPU con una memoria de programa de 4
kByte. Posee dos canales analógicos de salida y cada uno de
ellos contiene un DAC de 16 bits y dos amplificadores
operacionales. Uno de estos operacionales fue utilizado para
obtener una salida de tensión analógica en el intervalo de 0.5V
a 4.5V. Se utilizó otro de estos operacionales en la
Figura 2. Error medio de la salida digital del sensor inteligente.
TABLA I. ERRORES Y TEB DE LA SALIDA DIGITAL DEL SENSOR
INTELIGENTE [% FSO]
0.025772
NO LINEALIDAD
0.020760
HISTÉRESIS
0.012800
REPETIBILIDAD
0.042427
TCS
0.042772
TCO
0.069917
TEB
De manera similar, en la Fig. 3, se muestra una gráfica del
comportamiento del error medio de la salida analógica del
HERNÁNDEZ GONZÁLEZ et al.: NEW ARCHITECTURE
sensor inteligente y en la Tabla II se muestran errores
asociados a la salida analógica.
Figura 3. Error medio de la salida analógica del sensor inteligente.
TABLA II. ERRORES Y TEB DE LA SALIDA ANALÓGICA DEL SENSOR
INTELIGENTE [% FSO]
NO LINEALIDAD
HISTÉRESIS
REPETIBILIDAD
TCS
TCO
TEB
0.041700
0.026560
0.015220
0.055344
0.055969
0.094188
Los valores de TEB obtenidos para la salidas digital y
analógica en la arquitectura diseñada son menores que los
valores de errores reportados en [8], [10] y [12] a pesar de que
estas arquitecturas utilizan mayor cantidad de componentes
electrónicos.
El TEB es una parámetro mucho más riguroso que los tipos
de errores reportados en [8], [10] y [12] para caracterizar el
comportamiento de los sensores inteligentes de presión, ya
que el TEB incluye los cinco parámetros mostrados en las
Tablas I y II.
Se puede observar que el TEB obtenido para la salida
digital es menor que el calculado para la salida analógica. Este
resultado es lógico teniendo en cuenta que el bloque analógico
de salida es afectado por los cambios de temperatura y por
tanto necesita ser compensado, mientras que la salida digital
no sufre ninguna afectación.
Uno de los parámetros que se especifica en las hojas de
datos de los sensores inteligentes de presión es la cantidad de
lecturas por segundos que estos son capaces de realizar. Para
determinar este parámetro experimentalmente se midió el
tiempo de respuesta del sistema para las diferentes frecuencias
de trabajo y velocidades de baudios en las que se configuró el
microcontrolador para la comunicación digital.
En la Tabla III se muestran los tiempos de respuestas
obtenidos en las mediciones realizadas para diferentes
condiciones de trabajo.
Se puede observar la dependencia que existe entre los
tiempos de respuesta del sensor inteligente diseñado y dos
parámetros fundamentales: la frecuencia de trabajo a la que se
configure el microcontrolador y la velocidad que se utilice
para la comunicación digital.
119
TABLA III. TIEMPOS DE RESPUESTAS DEL SENSOR INTELIGENTE (ms)
Kilobaudio
Frecuencia
(MHz)
2.4
4.8
9.6
19.2
1
37.17
32.58
30.29
29.15
2
23.17
18.58
16.29
15.15
4
16.17
11.58
9.29
8.15
7.57
7.38
8
12.67
8.08
5.79
4.65
4.07
3.88
3.69
20
10.57
5.98
3.69
2.55
1.97
1.78
1.59
38.4
57.6
115.2
460.8
14.57
1.45
Se obtuvo un tiempo de respuesta máximo de 37.17 ms
para el peor caso, donde el micro controlador se configuró a 1
MHz y la velocidad de comunicación serie fue de 2400 bit por
segundos. Los espacios marcados en gris indican que no fue
posible configurar esa velocidad de comunicación digital para
la frecuencia de trabajo del microcontrolador correspondiente.
En la Tabla IV se muestra un estimado de la cantidad de
lecturas por segundo que permite realizar el sensor inteligente
diseñado, en función de los mismos parámetros descritos
anteriormente.
TABLA IV. CANTIDAD DE LECTURAS POR SEGUNDO DEL SENSOR
INTELIGENTE
Kilobaudio
Frecuencia
(MHz)
2.4
4.8
9.6
1
27
31
33
34
2
43
54
61
66
69
4
62
86
108
123
132
8
79
124
173
215
246
258
271
20
95
167
271
393
507
561
629
19.2
38.4
57.6
115.2
460.8
135
691
Para el peor caso, se determinó que es posible realizar 27
lecturas por segundo. Este valor satisface un gran número de
aplicaciones. Se determinó que el sensor inteligente diseñado
pude realizar un máximo de 691 lecturas por segundo y ser
utilizado en aplicaciones donde se desee medir variaciones
muy rápidas de la presión.
VI. CONCLUSIONES.
En este trabajo se obtuvo una nueva arquitectura para el
diseño de sensores inteligentes de presión con salidas digital y
analógica, basada en la interconexión de un DSP y un
microcontrolador. Esta arquitectura permite obtener valores de
TEB menores o iguales a los errores reportados en la
literatura, y se elimina la necesidad de emplear gran cantidad
de componentes externos o adicionales, ya que es posible
utilizar los módulos que vienen integrados en el DSP y el
microcontrolador, reduciendo con ello el costo del sistema.
La nueva arquitectura ofrece ventajas en cuanto al tiempo
de respuesta, la integración del sistema, así como la
flexibilidad y adaptabilidad a diferentes aplicaciones y
protocolos digitales de comunicación que se deseen
implementar.
Las pruebas realizadas y los valores obtenidos demuestran
el correcto funcionamiento del sensor inteligente construido,
obteniendo valores muy bajos del TEB en las salidas
analógica y digital. Los tiempos de respuestas obtenidos del
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sensor inteligente diseñado fueron muy bajos, lo que permite
su utilización en un gran número de aplicaciones industriales.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue desarrollado con el apoyo de la empresa
MEMS Ltda. Agradecemos también a las siguientes
instituciones: CNPq (Programa RHAE), FINEP (Programa de
Microelectrónica), FAPESP (Programa PIPE) y a los
laboratorios de la EPUSP (LME y LSI).
REFERENCIAS
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Juan Felipe Trujillo Cerón received the Engineering
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Edgar Charry Rodríguez received a M.Sc. from the
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