Verifieer de integriteit van sensorgegevens met ingebouwde controles & diagnostiek

Sensortechnologie en het Internet of Things (IoT) breiden zich razendsnel uit naar meer industriële en commerciële toepassingen en zelfs naar producten voor de consumentenmarkt. Met meer sensoren stijgt ook de vraag naar meer zekerheid: de garantie dat de gegevens die deze sensoren registreren, kloppen – en dat ze ook correct worden doorgegeven door de circuits en de interfaces met andere systeemcomponenten.

Het potentiële probleem van gebrekkige gegevensintegriteit wordt nog groter als één enkel geïntegreerde circuit – de interface-IC – meerdere sensors ondersteunt: als die IC niet goed werkt, worden de registraties van een heel cluster gecorrumpeerd. Dit kan leiden tot een onjuiste beoordeling van de daadwerkelijke situatie, die mogelijk de verkeerde of zelfs gevaarlijke acties triggert in het overkoepelende systeem.

In dit artikel bespreken we zowel harde als zachte (voorbijgaande) fouten en onjuistheden in sensorregistraties binnen de signaalketen van sensor naar processor. Vervolgens kijken we naar een bijzonder sterk geïntegreerd circuit van Analog Devices en de manier waarop dit deze problemen kan voorkomen via ingebouwde diagnosefuncties op de sensor zelf en in de digitale I/O.

Het signaalpad van sensor naar processor

De integriteit van iedere sensorregistratie wordt beïnvloed door diverse factoren. Aan de basis: de drie belangrijkste functieblokken van de signaalketen, zoals weergegeven in afbeelding 1. Deze drie blokken zijn:

1. De sensor met bijbehorende bedrading
2. De analoge front-end in de IC voor signaalconditionering op de analoog-naar-digitaal converter (ADC)
3. De digitale I/O naar de systeemprocessor

Afbeelding 1: de basisroute die het signaal aflegt tussen de sensor en de processor bestaat in principe slechts uit enkele basisfuncties. Een praktische en bruikbare interface-IC biedt echter veel extra functies en kenmerken. (Bron afbeelding: DigiKey)

In een multikanaals systeem komen vaak verschillende sensoren samen. Denk aan een combinatie van thermokoppels, weerstandstemperatuursensoren (meestal RTD's genoemd, naar het Engelse "Resistance Temperature Detectors") en druksensoren. Natuurlijk kan een sensor uitvallen, of de bedradingen kunnen losraken of kortsluiten met een andere aansluiting, voedingsrail of aarde.

Afhankelijk van het type sensor kan een fout in de bekabeling direct duidelijk zijn – de geregistreerde waarde is niet meer plausibel. Maar sommige fouten leiden tot een signaal dat niet overeenstemt met de realiteit, maar wel legitiem lijkt. En sommige sensoren, zoals RTD's, hebben voor een geldige gegevensregistratie een externe activeringsstroom nodig die binnen een bepaald bereik ligt. Daarom is het een goed idee om de continuïteit van het signaalpad tussen de sensor en de analoge front-end te testen. Ook is het verstandig om een controle in te bouwen die nagaat of het signaal tussen de toegestane minimale en maximale limieten blijft, bij voorkeur met een analoog circuit dat niet afhankelijk is van de ADC, die mogelijk eigen problemen kan veroorzaken.

Dit zorgt er niet alleen voor dat de sensorgegevens accuraat zijn. Het levert ook vertrouwen in de kwaliteit van de brongegevens, die de algoritmes in het systeem gebruiken als basis voor hun beslissingen.

Er is echter wel een nadeel: deze extra controles leiden tot extra componenten, die meer ruimte in beslag nemen en extra tijd vragen tijdens het ontwerpproces.

IC met zelfdiagnose garandeert integriteit van sensorgegevens

Analog Devices speelt in op deze vraag naar hoge integriteit en minimale impact op ontwerptijd en formaat met de AD7124-8BCPZ-RL7. Dit is een sensorgerichte ADC en interface die veel meer levert dan de basale signaalconditionering en -omzetting. De converter is voorzien van verschillende functies voor sensor- en zelfdiagnose om de gegevensintegriteit te garanderen.

Afbeelding 2: De AD7124 sensorgerichte ADC en interface levert veel meer dan alleen maar conditionering en -omzetting van het signaal. De converter is voorzien van verschillende functies voor sensor- en zelfdiagnose om de gegevensintegriteit te garanderen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De AD7124 is een vierkanaals 24-bits sigma-delta (Σ-Δ) apparaat met laag vermogen en weinig ruis. De bemonsteringsfrequenties lopen uiteen van iets meer dan 1 registratie per seconde, wat afdoende is voor veel soorten sensoren en toepassingen, tot 19.200 registraties per seconde. Bij de laagste frequentie vraagt het apparaat 255 microampère (μA). De nauwkeurigheid van de afgelezen gegevens van het apparaat wordt ondersteund door de designfocus op lage ruis, een rms van minder dan 25 nanovolt (nV) en de kleine afwijking van de interne spanningsreferentie (10 ppm/°C).

De AD7124 zelf is verkrijgbaar als 32-lead LFCSP en 24-lead TSSOP. De flexibele digitale I/O ondersteunt 3- en 4-draads SPI, QSPI, MICROWIRE^TM en DSP-compatibele interfaces.

De AD7124 ondervangt de mogelijke problemen met sensorbekabeling die eerder werden genoemd op twee manieren: meldingen bij overschrijding van de signaallimiet, en detectie met burnout-stromen. De meldingen voor de signaallimiet gebruiken een alarmmonitor voor overspanning/onderspanning om de absolute spanning te controleren op alle vier de paren analoge input-aansluitingen (afbeelding 3). Deze spanning moet binnen een bepaald bereik vallen om te voldoen aan de specs in het gegevensblad.

Afbeelding 3: een basisverificatie van de sensorbekabeling met meldingen voor signaallimieten werkt met een hardwarecomponent die het signaal vergelijkt met vast ingestelde min/max-waarden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De detectie met burnout-stromen gebruikt een paar complementaire, programmeerbare voedende en afgaande stromen. Door een vooraf ingesteld paar voedende en afgaande stromen in de sensorbedradingen te leiden, kan de AD7124 hun integriteit verifiëren (afbeelding 4). De stromen zijn volledig ingeschakeld of uit en worden naar het geselecteerde paar analoge inputdraden voor de test geleid.

Afbeelding 4: door een vooraf ingesteld paar stromen in de sensorbedradingen te leiden, kan de AD7124 hun integriteit verifiëren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een (bijna) maximale waarde kan een open circuit voor de front-end sensor betekenen. Als de gemeten spanning 0 volt is, kan dat duiden op kortsluiting in de transducer. Er wordt een bijbehorende flagbit ingesteld in het foutlog om het optreden van de fout en het soort fout aan te geven.

Tot slot zijn er toepassingen waarin de gebruiker de referentie extern levert, in plaats van de interne referentie te gebruiken. Dit is bijvoorbeeld vaak het geval bij RTD's of rekstrookjes (krachtopnemers). De AD7124 controleert dan of de externe referentiespanning correct is.

Front-end en ADC verifiëren

De meest waarschijnlijke foutbronnen zijn de externe sensoren en de bijbehorende bedrading. Toch is het ook essentieel om de performance van de front-end en conversie-IC zelf te bevestigen. Hier gaat het om de volgende functies die kunnen afwijken van de specs of zelfs volledig uitvallen:

• De interne spanningsreferentie van de ADC
• De programmeerbare "gain amplifier" (PGA) die het inputsignaal versterkt om overeen te komen met het ADC-bereik voor de hoogste resolutie
• De regelaar voor de low-drop-out (LDO) die de vereiste sensorexcitatie levert
• De interne voedingsrail van de IC
• De ADC zelf

De AD7124 werkt met zelftests op hardware- en firmwarebasis om het analoge gedeelte van de signaalketen te testen. Het genereert een signaal van 20 millivolt (mV) dat intern kan worden verbonden met een van de vier kanalen voor differentiële input en vervolgens gedigitaliseerd. Dit verifieert niet alleen de basiswerking van de multiplexer van het inputkanaal en de ADC, maar het maakt het ook mogelijk om de PGA te testen. Hiervoor worden de gain-instellingen van de PGA gewijzigd en vergeleken met de bijbehorende ADC-resultaten.

Ook de ADC zelf kan problemen veroorzaken. De AD7124 gebruikt de bewezen Σ-Δ converterarchitectuur met 1-bits modulator en de vereiste digitale filters. Voor een volledige test van de ADC worden zowel analoge als digitale technieken toegepast.

Als de modulateroutput in de AD7124 twintig opeenvolgende enen of nullen bevat, geeft dit aan dat de modulator op een van de rails verzadigd is. Hiervoor wordt een flagbit ingesteld om een fout te vlaggen. De IC controleert na een automatische offset-kalibratie op soortgelijke wijze dat de offset-coëfficiënt van de ADC tussen 0x7FFFF en 0xF80000 ligt. Ook hier wordt weer een fout gevlagd als de waarde buiten het toegestane bereik valt. Tot slot wordt er nog een flagbit ingesteld als de digitale filters overbelast worden tijdens de volledige kalibratie.

Ook interne en externe stroombronnen en voedingsrails kunnen voor problemen zorgen. Veel sensoren vereisen een kleine hoeveelheid excitatiestroom. Deze wordt vaak geleverd door een kleine LDO met lage ruis in de analoge front-end IC.

De AD7124 controleert de LDO-output op twee manieren. Ten eerste kan de output van de LDO intern naar de ADC worden geleid en worden vergeleken met de verwachte waarde. Ten tweede vergelijkt een hardwarecomponent, die onafhankelijk werkt van de ADC, continu de LDO met de referentie van de IC. Als de waarde onder de vooraf ingestelde drempel komt, volgt weer een flagbit. De LDO kan zo tijdens de opstart en vervolgens doorlopend worden beoordeeld, zonder continu verbruik van processorvermogen.

Voor nog meer zekerheid kan het testcircuit dat gebruikt wordt om de voeding te bewaken, ook worden gecontroleerd (tot op zekere hoogte) door de input te verbinden met de aarde (nominaal 0 V) en vervolgens de digitale waarde te controleren. De AD7124 gaat nog een stap verder om de gegevensintegriteit te verzekeren, met een controle van de aanwezigheid en aansluiting van de vereiste ontkoppelingscondensatoren met 0,1 microfarad (µF). Hiervoor wordt de AD7124 aangestuurd om de ontkoppelingscondensator fysiek los te koppelen via de interne switch en vervolgens de LDO-output te controleren. Als de LDO-spanning daalt is de ontkoppelingscondensator elektrisch afwezig. Ook hier wordt dan weer een flagbit gezet om de fout te vlaggen.

Natuurlijk heeft iedere IC een nominale maximumtemperatuur. Bij hogere temperaturen treden afwijkingen of zelfs volledige uitval op. Daarom is de AD7124 voorzien van een ingebouwde temperatuursensor die continu de interne temperatuur meet, met een typische nauwkeurigheid van ±0,5 °C.

Hoe zit het met digitale fouten?

Tot nu toe hebben we gekeken naar manieren om de prestaties en nauwkeurigheid van de analoge sensor- en conversiefuncties te verifiëren. Maar deze sensoren worden vaak ingezet in industriële omgevingen die belastend zijn voor elektronica. Ruis, elektromagnetische interferentie / RFI en piekstromen kunnen digitale elektronica verstoren. Daarom moet de werking van de interne digitale circuits worden geverifieerd, net als de interfaceverbinding naar de systeemprocessor. Alleen dan kan de integriteit van de gegevens en alle lees- en schrijfbewerkingen worden gegarandeerd.

De AD7124 bereikt dit op verschillende manieren, om te beginnen met de volgende procedures:

• De werking van de hoofdklok wordt gecontroleerd. De hoofdklok is nodig voor de regeling van de datasnelheid voor de output, de positioneringstijd en de kerffrequenties van het filter. De klok wordt geverifieerd door een onafhankelijk tellerregister dat op ieder moment kan worden teruggelezen.
• Het aantal SCLK-pulsen in iedere lees- of schrijfbewerking van de SPI wordt gecontroleerd met een speciale klokteller. Het aantal moet altijd een meervoud van acht zijn; alle SPI-bewerkingen gebruiken 8, 16, 32, 40 of 48 klokpulsen.
• De AD7124 controleert dat de lees- en schrijfbewerkingen alleen geldige registeradressen aanroepen.

Deze methoden geven zekerheid voor de interne operaties, maar niet voor de integriteit van de processor-interface en de bijbehorende gegevens. Voor een bijzonder grote betrouwbaarheid van de gegevens kan de gebruiker de AD7124 aansturen om een cyclische redundantie-check (CRC) uit te voeren met een polynomiaal checksum-algoritme. De checksum garandeert dat alleen geldige gegevens naar het register worden geschreven en zorgt dat uitgelezen gegevens vanuit een register kunnen worden gevalideerd (afbeelding 5). Let op: de checksum is een bijzonder nauwkeurige methode om zelfs fouten van één bit op te sporen. Detectie is echter geen correctie.

Afbeelding 5: Een polynomial-based CRC-checksum wordt toegevoegd aan de (linker) SPI schrijfbewerking en (rechter) leesbewerking om fouten te detecteren met een nauwkeurigheid van één enkele bit. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Als deze functie is ingeschakeld, wordt een checksum berekend voor het gegevensblok en toegevoegd aan het einde van iedere lees- en schrijfbewerking. Om een succesvolle schrijfbewerking naar het register te verifiëren, moet het register worden teruggelezen om de opgeslagen checksum te vergelijken met de waarde die is berekend uit de gegevens.

Onder zware elektronische omstandigheden kunnen er zelfs bitfouten optreden in het geheugen. Als controle voor dat soort fouten in de registers op de chip berekent de AD7124 de checksum iedere keer voor een reeks bewerkingen:

• Er is een schrijfcyclus voor het register
• Er is een offset/volledige kalibratie
• Het apparaat voert een enkele conversiecyclus uit en de ADC schakelt hierna over op stand-bymodus
• Het sluit de continu-lezen-modus af

Voor extra betrouwbaarheid wordt ook het interne alleen-lezen geheugen (ROM) geëvalueerd. Bij het opstarten worden alle registers geïnitialiseerd naar standaardwaarden die zijn opgeslagen in het ROM. Er wordt een CRC-berekening uitgevoerd op de ROM-inhoud bij het opstarten. Als de uitkomst afwijkt van de opgeslagen CRC-waarde, duidt dit op de aanwezigheid van minstens één bitfout.

De AD7124 kan ook de excitatie en signaalconditionering uitvoeren voor veel verschillende soorten sensoren. Daarnaast kunnen de outputsignalen van de sensor worden geschaald met amplifiers en een PGA. Voor de extreem hoge betrouwbaarheid zijn er veel interne opstartregisters om de gewenste werkingsmodus en parameters vast te leggen en om diverse problemen en fouten te detecteren.

Gebruik het evaluatiebord AD7124 om AD7124-ontwerpen op te zetten

De AD7124 is een complex systeem met veel ontwerpmogelijkheden en krachtige capaciteiten. Het is geen eenvoudige interface-IC voor sensoren die u plaatst en direct laat draaien. Om ontwerpers te ondersteunen en hen sneller bekend te maken met de mogelijkheden van de AD7124, biedt Analog Devices ook een evaluatiebord EVAL-CN0376-SDPZ (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het evaluatiebord EVAL-CN0376-SDPZ versnelt het ontwerp en maakt het mogelijk om alle functies en kenmerken van de AD7124 uit te voeren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het evaluatiebord bevat de voeding en externe componenten voor de aansluiting van de AD7124 met verschillende sensoren uit de praktijk en een processor. Het bord wordt ondersteund door de CN-0376 Evaluation Software voor Windows-PC's, die via een USB-poort communiceert voor de configuratie en om gegevens van het evaluatiebord op te halen.

Conclusie

Geavanceerde algoritmes in systeemprocessors nemen veel kritieke beslissingen, tegenwoordig vaak met behulp van kunstmatige intelligentie (AI). Het is belangrijker dan ooit deze algoritmes hun werking, conclusies en acties kunnen baseren op gegevens die extreem betrouwbaar zijn. Een IC als de AD7124 voegt meerdere beveiligingslagen toe om de gegevensintegriteit te verzekeren, van de bedrading tot aan de interface en de werking en prestaties van de sensor. Zo wordt zeker gesteld dat iedere schakel in de signaalketen werkt zoals verwacht en dat alle data betrouwbaar zijn.