Sensori digitali, la strada da percorrere
Per anni, l'industria dei prodotti sensoriali si è principalmente concentrata sull'analogico. I sensori funzionavano utilizzando circuiti e componenti analogici, in parte a causa dei front-end analogici presenti in quasi tutti i dispositivi di misurazione elettronica. I sensori analogici sono stati dispositivi abbastanza semplici, talvolta fornendo uscite analogiche di base e, in alcuni casi, aggiungendo amplificazione o guadagno e la condizionamento del segnale prima che l'output fosse inviato a un sistema di misurazione o controllo. Oggi, questi sistemi stanno diventando più sofisticati e, di conseguenza, richiedono un'elaborazione del segnale aggiuntiva per ottenere le prestazioni desiderate del sistema.
In passato, gli ingegneri dei sistemi sensoriali erano riluttanti a passare ai prodotti digitali a causa delle sfide presentate dall'aggiunta della digitalizzazione ai percorsi del segnale dei sensori analogici esistenti. I costi di ricerca e sviluppo necessari per apportare queste modifiche erano fuori portata per molte piccole aziende produttrici di sensori che si concentravano su tipi di prodotto, applicazioni e mercati specifici. Negli ultimi due decenni, alcuni sensori digitali sono entrati nel mercato, ma la mancanza di qualsiasi interfaccia standard o di protocolli di comunicazione ha reso l'implementazione costosa e rischiosa. È superfluo dire che l'adozione del digitale è stata lenta.
A causa della crescente disponibilità di componenti elettronici a basso costo in grado di elaborare e convertire segnali analogici in formati digitali, la migrazione dei sensori analogici nel mondo digitale è ormai in pieno svolgimento. Negli ultimi anni, i produttori di sensori hanno iniziato a integrare elementi sensoriali, conversione A/D, capacità di elaborazione, memoria, gestione dell'alimentazione e capacità di comunicazione digitale in pochi chip che si inseriscono facilmente nel pacchetto del sensore. Inoltre, la proliferazione di protocolli di comunicazione standard come I2C e SPI ha reso semplice l'integrazione dei sensori dotati di queste capacità nei sistemi elettronici di monitoraggio e controllo.
La digitalizzazione dei prodotti sensoriali offre vantaggi che vanno ben oltre la capacità di comunicare facilmente con i sistemi di controllo digitali. Ad esempio, la maggior parte dei sensori digitali include una funzione di “modalità riposo” che spegne il sensore quando non è necessario per le funzioni del sistema. Riducendo il consumo energetico, si migliora la durata della batteria per i sistemi remoti e mobili che si basano sulla raccolta di energia o sull’alimentazione a batteria. I sensori digitali possono anche sfruttare routine di ottimizzazione software che non sono disponibili nella modalità analogica. Tecniche come il sovracampionamento e il filtraggio digitale possono migliorare notevolmente la risoluzione del sensore e la discriminazione delle frequenze. La cosa migliore di tutte è che questi miglioramenti delle prestazioni non comportano un aumento dei costi. È tutto nel software.
There are a number of more subtle benefits that come with digital sensor products. Because a digital sensor has on-board memory, information can be stored. Nonvolatile information such as the device part number, revision level, serial number, and calibration factors can be included and easily accessed. Dynamic information such as number of interrogations, error logs, and hours of operation can be programmed in the senor software. This data can support a robust reliability and quality assurance program for the systems utilizing these sensors.
La tecnologia dei sensori digitali ha permesso ai produttori di sensori di creare prodotti che soddisfano le esigenze specifiche del sistema di un cliente. Molti prodotti sensoriali digitali oggi contengono più di un elemento sensibile. Ad esempio, un sensore di umidità digitale può anche includere un sensore di temperatura e, accedendo ai dati di entrambi e facendo qualche calcolo nel processore host del sistema, è possibile generare il punto di rugiada. Tre informazioni vengono create (umidità relativa, temperatura, punto di rugiada) utilizzando i dati provenienti da solo due elementi sensibili, entrambi contenuti nello stesso package del sensore a basso costo.
I sistemi complessi di oggi sono guidati dalla domanda di funzionalità “intelligenti”. Questo ha aumentato la necessità di ulteriori sensori digitali nei progetti di sistema. I sistemi e i prodotti richiedono più informazioni per aumentare le loro capacità. È necessario che i prodotti siano consapevoli dell'ambiente circostante, dello stato di salute e del tempo di attività propri, degli input ricevuti dagli esseri umani, così come delle interazioni con altri sistemi, tutto ciò richiede l'uso di sensori aggiuntivi. Questi sensori inviano dati critici ai microcontrollori attraverso interfacce fluide, consentendo loro di prendere decisioni basate sui dati ricevuti dai sensori. Più dati vengono forniti, più intelligenti saranno le decisioni. Sistemi più intelligenti richiedono più sensori.
I sensori digitali sono ora in grado di offrire soluzioni a basso costo con prestazioni e capacità migliorate. La migrazione verso i sensori digitali ha permesso di sviluppare sistemi più intelligenti grazie a prestazioni superiori, il tutto mantenendo prezzi di produzione e integrazione molto competitivi e soddisfacendo i requisiti di progettazione dei clienti.
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