किसी कारखाने में लगे एक मशीन नियंत्रक की कल्पना कीजिए। इसे एक ही समय में तापमान, दबाव, स्थिति और प्रवाह को मापना होता है। प्रत्येक सेंसर एक अलग विद्युत भाषा का उपयोग करता है। कुछ सेंसर छोटे एनालॉग वोल्टेज उत्पन्न करते हैं, जबकि अन्य तेज़ डिजिटल पल्स भेजते हैं। बहु-औद्योगिक सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन इस समस्या को एक साझा प्लेटफ़ॉर्म पर हल करता है। यदि इसमें कोई गलती होती है, तो अविश्वसनीय रीडिंग, सिग्नल की गुणवत्ता में गिरावट, धीमे नियंत्रण लूप, सुरक्षा संबंधी कमियाँ और लागत में वृद्धि का जोखिम रहता है। यहाँ आपको एक वास्तविक दुविधा का सामना करना पड़ता है। सिग्नल अत्यंत भिन्न होते हैं, जबकि बोर्ड एक ही होता है। यह विरोधाभास आपके हर निर्णय को प्रभावित करता है।
चाबी छीन लेना
प्रत्येक सेंसर के सिग्नल को उपयुक्त कंडीशनिंग सर्किट से मिलाएं। कमजोर सिग्नलों को बढ़ाएं और शोर को शुरुआत में ही फ़िल्टर करें।
बोर्ड पर जगह बचाने और सॉफ्टवेयर में सेटिंग्स बदलने के लिए मिक्स्ड-सिग्नल ICs का उपयोग करें। इससे समय और पैसा दोनों की बचत होती है।
बोर्ड पर एनालॉग और डिजिटल भागों को अलग-अलग रखें। एक ठोस ग्राउंड प्लेन का उपयोग करें और सिग्नलों को सावधानीपूर्वक रूट करें।
वास्तविक शोर और तापमान परिवर्तनों के साथ अपने बोर्ड का परीक्षण करें। त्रुटियों को ठीक करने के लिए प्रत्येक चैनल को कैलिब्रेट करें।
भविष्य के अपग्रेड की योजना बनाएं। अतिरिक्त कंप्यूटिंग क्षमता जोड़ें और नए सेंसर के लिए पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य इंटरफेस का उपयोग करें।
मल्टी-सेंसर इंटरफेस का आर्किटेक्चर तैयार करना
प्रत्येक बहु-औद्योगिक सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन एक प्रश्न से शुरू होता है: बुद्धिमत्ता कहाँ निहित है? अधिकांश औद्योगिक बोर्ड इसे एक नियंत्रक पर केंद्रित करते हैं। यह चुनाव आपके सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन को पहले आरेख से ही आकार देता है।
माइक्रोकंट्रोलर-केंद्रित वास्तुकला
एक सिंगल माइक्रोकंट्रोलर अपने पेरिफेरल्स और एक बाहरी एनालॉग फ्रंट एंड के माध्यम से कई सेंसरों से डेटा पढ़ता है। आपको एक क्लॉक डोमेन, एक फर्मवेयर इमेज और सेंसर डेटा अधिग्रहण को टाइमस्टैम्प करने के लिए एक ही स्थान मिलता है। यह संरचना डेटा अधिग्रहण पीसीबी को कॉम्पैक्ट और पूर्वानुमानित रखती है। यह औद्योगिक स्वचालन परियोजनाओं में डिबगिंग को भी सरल बनाती है, क्योंकि प्रत्येक रीडिंग आपके द्वारा नियंत्रित कोड से होकर गुजरती है।
सार्वभौमिक और पुन: विन्यास योग्य इंटरफेस
औद्योगिक सेंसरों के लिए यूनिवर्सल इंटरफेस एक ही बोर्ड को कई प्रकार के ट्रांसड्यूसरों के लिए उपयोगी बनाते हैं। चयन योग्य गेन वाले ऑपरेशनल एम्पलीफायरों से निर्मित एक पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य कंडीशनिंग मॉड्यूल यह कार्य करता है। फर्मवेयर डिजिटल ब्लॉकों को एक पूर्ण फ्रंट एंड में जोड़ता है। सेंसर 4-लाइन इंटरफेस के माध्यम से कनेक्ट होते हैं: दो पावर लाइनें और अधिकतम दो सिग्नल लाइनें, कुछ कॉन्फ़िगरेशन में एक अतिरिक्त रेसिस्टर के साथ। यह डिज़ाइन IEEE 1451.3 प्लग-एंड-प्ले आउटपुट भी प्रदान करता है। इसे एक ऐसे यूनिवर्सल इंटरफेस के रूप में समझें जो फर्मवेयर में अपना स्वरूप बदलता है। यह यूनिवर्सल इंटरफेस एक ही प्लेटफॉर्म पर एनालॉग और डिजिटल सेंसरों को कवर करता है।
सेंसर टाइपोलॉजी | विन्यास |
|---|---|
अनुकूलित सेंसर | विन्यास १ |
अनकंडीशन्ड सेंसर (व्हीटस्टोन ब्रिज की तरह) | विन्यास १ |
वर्तमान आउटपुट सेंसर | विन्यास १ |
प्रतिरोधक सेंसर | विन्यास १ |
कैपेसिटिव सेंसर | विन्यास १ |
डिजिटल सेंसर (सीरियल इंटरफेस: RS232/SPI/माइक्रोवायर) | कॉन्फ़िगरेशन 6/7/8 |
एक कॉन्फ़िगर करने योग्य प्रोसेसर सिस्टम को फिर से डिज़ाइन किए बिना मॉनिटरिंग व्यवहार के रनटाइम संशोधन को सक्षम बनाता है , जटिलता को प्रबंधनीय रखते हुए विविध स्थितियों के अनुकूल होता है।
आप केवल उन्हीं सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट को सक्रिय करते हैं जिनकी प्रत्येक सेंसर को आवश्यकता होती है। यह लचीलापन औद्योगिक WSN और IoT डेटा संग्रह में अनुकूलित मल्टी-सेंसर इंटरफेस के लिए उपयुक्त है। यह मल्टी-सेंसर इंटरफेस को विभिन्न उत्पाद श्रृंखलाओं में पुन: उपयोग योग्य भी बनाए रखता है।
विलंबता पर शीघ्र ध्यान देना आवश्यक है। क्लोज्ड-लूप नियंत्रण के लिए नियतात्मक समय निर्धारण आवश्यक है, क्योंकि विलंब और पैकेट हानि लूप को अस्थिर कर देते हैं। WISA और WSAN-FA का लक्ष्य लगभग यही है। अधिकतम 120 डिवाइसों पर 10 मिलीसेकंड का समय।IO-Link वायरलेस एक सिंगल हॉप में अधिकतम 40 डिवाइसों के लिए लगभग 5 मिलीसेकंड का समय लक्षित करता है। वायर्ड पथ इससे तेज़ चलते हैं: PLC बैकप्लेन लगभग 1 मिलीसेकंड में प्रतिक्रिया देता है।एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया सेटअप 20-60 माइक्रोसेकंड तक का समय प्राप्त कर सकता है, और सबसे खराब स्थिति में यह लगभग 100 माइक्रोसेकंड तक पहुंच सकता है। एनालॉग फ़िल्टरिंग से विलंब होता है। बजट सेंसर फ़्यूज़न और मिक्स्ड-सिग्नल टाइमिंग इन संख्याओं के आसपास ही काम करते हैं। अच्छे सेंसर इंटरफ़ेस और एक स्पष्ट सेंसर इंटरफ़ेस योजना बजट को नियंत्रित रखने में सहायक होते हैं।
बहु-औद्योगिक सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन सिद्धांत
सिग्नल कंडीशनिंग की मूल बातें
प्रत्येक बहु-औद्योगिक सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन की शुरुआत सेंसर के आउटपुट के अनुरूप कंडीशनिंग श्रृंखला को समायोजित करके की जाती है। एक थर्मोकपल प्रति डिग्री सेल्सियस केवल कुछ मिलीवोल्ट उत्पन्न करता है, इसलिए ADC तक पहुँचने से पहले उस कमज़ोर सिग्नल को इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर से बढ़ाया जाता है। व्हीटस्टोन ब्रिज पर आधारित प्रेशर सेंसर को ब्रिज एक्साइटेशन और डिफरेंशियल एम्प्लीफिकेशन की आवश्यकता होती है। ऑप्टिकल सेंसर को करंट-टू-वोल्टेज रूपांतरण की आवश्यकता होती है। प्रत्येक प्रक्रिया अलग होती है, लेकिन सिद्धांत स्थिर रहते हैं।
तकनीक | उद्देश्य | उदाहरण |
|---|---|---|
प्रवर्धन | एडीसी की पठनीयता के लिए कमजोर संकेतों को बढ़ावा दें | कुछ मिलीवी/°सी पर थर्मोकपल |
क्षीणन | उच्च वोल्टेज को कम करें | प्रतिरोधक विभाजक |
छनन | शोर और व्यवधान को दूर करें | लो-पास, बैंड-पास फ़िल्टर |
विद्युत अलगाव | डेटा प्रवाहित करते समय अवांछित धारा को अवरुद्ध करें | ऑप्टोकपलर, आइसोलेशन एम्पलीफायर |
विभेदक संकेतन | कॉमन-मोड शोर को रद्द करें | उच्च CMRR वाले इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर |
एडीसी रूपांतरण | कंडीशन्ड एनालॉग को डिजिटल में परिवर्तित करें | 12/16/24-बिट रिज़ॉल्यूशन |
तापमान प्रतिकरण | थर्मल बहाव का प्रतिकार करें | थर्मिस्टर, लुकअप टेबल |
अंशांकन और रेखीयकरण | सेंसर प्रतिक्रिया को संदर्भ के साथ संरेखित करें | सॉफ्टवेयर ऑटो-कैलिब्रेशन |
आपके एनालॉग सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट को चार्ज आउटपुट सेंसर को भी संभालना होगा , जिन्हें बाहरी चार्ज एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है, और साथ ही अंतर्निर्मित एकीकृत सर्किट वाले आंतरिक रूप से प्रवर्धित सेंसर को भी। ये सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट किसी भी विश्वसनीय औद्योगिक सेंसर इंटरफ़ेस की रीढ़ की हड्डी होते हैं।
शोर कम करना और ग्राउंडिंग
मिक्स्ड-सिग्नल सेंसर इंटरफेस के लिए एक पूर्ण ग्राउंड प्लेन सबसे व्यापक समाधान है । यह ग्रिड की तुलना में आसानी से समझ में आने वाले रिटर्न पाथ और बेहतर EMI शील्डिंग प्रदान करता है। ग्राउंड प्लेन को विभाजित करने से बचें, जब तक कि यह बिल्कुल आवश्यक न हो , क्योंकि विभाजन रिटर्न पाथ को बाधित करते हैं और उच्च-आवृत्ति संकेतों को विकृत करते हैं। महत्वपूर्ण संकेतों को सीधे एक सतत ग्राउंड प्लेन के ऊपर से रूट करें। गैप के ऊपर से रूट करने से इंडक्टेंस बढ़ सकता है।
एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड को अलग-अलग रखें, फिर उन्हें पावर सप्लाई एंट्री के पास एक बिंदु पर जोड़ें। यह स्टार ग्राउंडिंग डिजिटल स्विचिंग नॉइज़ को रोकती है, जो 100 mV या उससे अधिक तक पहुंच सकता है, और इसे 10 mV जितनी कम थ्रेशोल्ड वाले एनालॉग सिग्नल में प्रवेश करने से बचाती है। उच्चतम आवृत्ति सिग्नल की तरंगदैर्ध्य के लगभग दसवें हिस्से की दूरी पर स्टिचिंग वाया का उपयोग करें। 1 GHz सिग्नल के लिए, यह दूरी लगभग 30 mm होती है, और यह EMI विकिरण को 10 dB तक कम कर सकती है। IC पावर पिन के पास छोटे ग्राउंड कनेक्शन वाले डीकपलिंग कैपेसिटर लगाएं। वाइडबैंड नॉइज़ सप्रेशन के लिए 0.1 µF और 1 µF जैसे मानों को मिलाएं।
मिक्स्ड-सिग्नल सेंसर इंटरफ़ेस आईसी
सिस्टम की जटिलता को कम करना
मिक्स्ड-सिग्नल सेंसर इंटरफ़ेस आईसी एनालॉग फ्रंट एंड और डिजिटल कंट्रोल को एक ही चिप पर लाता है। इससे आपको गेन स्टेज, थ्रेशोल्ड डिटेक्टर और फ़िल्टर को अलग-अलग ऑप-एम्प्स और पैसिव कंपोनेंट्स से बनाने की ज़रूरत नहीं पड़ती। इसके बजाय, आप ऑन-चिप ब्लॉक्स को सॉफ़्टवेयर में कॉन्फ़िगर करते हैं। यह बदलाव मल्टी-इंडस्ट्रियल सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन के आपके दृष्टिकोण को बदल देता है।
पहलू | असतत कार्यान्वयन | मिक्स्ड-सिग्नल सेंसर इंटरफ़ेस आईसी |
|---|---|---|
एनालॉग फ्रंट एंड | अलग-अलग ऑप-एम्प्स, कंपैरेटर, रेफरेंस, पैसिव कंपोनेंट्स | कॉन्फ़िगर करने योग्य ऑन-चिप एनालॉग ब्लॉक |
विन्यास | घटक चयन और बोर्ड लेआउट | आंतरिक ब्लॉकों का सॉफ़्टवेयर कॉन्फ़िगरेशन |
बोर्ड क्षेत्र | आधारभूत | अलग-अलग समाधानों की तुलना में 90% तक की बचत |
डिज़ाइन पुनरावृत्ति | आरेख और लेआउट में बदलाव | कॉन्फ़िगरेशन सॉफ़्टवेयर में किए गए परिवर्तन |
प्रोग्रामेबल मिक्स्ड-सिग्नल आईसी, अलग-अलग कंडीशनिंग सर्किट को कॉन्फ़िगर करने योग्य ऑन-चिप ऑप-एम्प्स, कंपैरेटर और लॉजिक ब्लॉक से बदलकर एनालॉग फ्रंट-एंड की जटिलता को कम करते हैं।
इसका लाभ केवल बोर्ड स्पेस तक ही सीमित नहीं है। ये पार्ट्स अत्यधिक संवेदनशील होते हैं, कम बिजली की खपत करते हैं, हस्तक्षेप प्रतिरोधी होते हैं और तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करते हैं। ये RoHS मानकों का भी पालन करते हैं। पारंपरिक डिस्क्रीट डिवाइसों की तुलना में, मिक्स्ड-सिग्नल आईसी छोटे आकार, कम बिजली की खपत और बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हैं । यह संयोजन सेंसर नोड्स, रोबोटिक्स और स्मार्ट विनिर्माण के लिए उपयुक्त है, जहां डेटा अधिग्रहण पीसीबी को एनालॉग और डिजिटल सेंसर को साथ-साथ संभालना होता है।
फ्रंट-एंड और कनवर्टर चयन
आपके कस्टम एनालॉग फ्रंट एंड की शुरुआत एम्पलीफायर से होती है। बफ़र्स उच्च प्रतिबाधा वाले सेंसर द्वारा निम्न प्रतिबाधा वाले चरण को संचालित करते समय सिग्नल की अखंडता को सुरक्षित रखते हैं। ऑप-एम्प्स प्रोग्रामेबल गेन एम्पलीफायर और सक्रिय फ़िल्टर भी बनाते हैं। कंपैरेटर आपको ऑप-एम्प्स की तुलना में व्यापक इनपुट डायनेमिक रेंज के साथ बाइनरी आउटपुट प्रदान करते हैं। बेहतर एकीकरण के लिए, मोनोलिथिक AFE ICs एक ही पैकेज में मल्टीप्लेक्सर, PGA, सिग्मा-डेल्टा कनवर्टर और SPI को संयोजित करते हैं।
फिर आप एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर चुनते हैं। सैंपलिंग दर को उच्चतम इनपुट आवृत्ति से मिलाएँ और नाइक्विस्ट से ऊपर मार्जिन जोड़ें। ADC की एनालॉग इनपुट बैंडविड्थ की जाँच करें, न कि केवल उसकी सैंपल दर की। रिज़ॉल्यूशन को ज़रूरत से ज़्यादा निर्दिष्ट करने से बचें: 10-12 बिट सामान्य निगरानी के लिए उपयुक्त हैं, जबकि 16-24 बिट सटीक कार्य के लिए उपयुक्त हैं। शोर और विचलन के लिए गुंजाइश रखते हुए ENOB को अपने सटीकता लक्ष्य से ऊपर रखें। SAR और सिग्मा-डेल्टा पार्ट्स बिजली दक्षता में पाइपलाइन और फ्लैश से बेहतर हैं। SAR कन्वर्टर लगभग शून्य पाइपलाइन विलंबता प्रदान करते हैं, जो क्लोज्ड-लूप नियंत्रण के लिए महत्वपूर्ण है। एक MCU का अंतर्निर्मित ADC आमतौर पर 12 बिट तक सीमित होता है, इसलिए 16 बिट या उससे अधिक, एक साथ सैंपलिंग या इनपुट आइसोलेशन के लिए बाहरी ADC का उपयोग करें।
सटीकता को धीरे-धीरे कम करने वाले मापदंडों पर ध्यान दें। INL समग्र सटीकता को प्रभावित करता है, और माइनस एक LSB से नीचे का DNL कोड के छूट जाने का संकेत देता है। संदर्भ विचलन पूर्ण-पैमाने की सीमा को कम करता है, और एपर्चर जिटर उच्च आवृत्तियों पर SNR को सीमित करता है। प्रत्येक विकल्प आपके सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन के लिए डेटा अधिग्रहण पथ को निर्धारित करता है।
मिश्रित भार के लिए विद्युत प्रबंधन
पृथक और गैर-पृथक रेल
आपके पावर ट्री को एक ही समय में शोरगुल वाले डिजिटल लोड और नाजुक एनालॉग सर्किट को पावर सप्लाई करनी होगी। आपके द्वारा चुनी गई रेल का प्रकार यह निर्धारित करता है कि ये लोड एक दूसरे के लिए कितनी परेशानी पैदा करेंगे। अपने सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन के लिए नीचे दी गई तालिका को प्रारंभिक मार्गदर्शिका के रूप में उपयोग करें ।
परिदृश्य / आवश्यकता | अनुशंसित रेल प्रकार |
|---|---|
उच्च वोल्टेज, फील्ड वायरिंग, मोटर, एक्चुएटर या बाहरी सेंसर | पृथक |
लंबी केबलें या अज्ञात बाहरी वायरिंग | पृथक |
ग्राउंड-रेफरेंस विरोधाभासों वाली मिश्रित-सिग्नल प्रणालियाँ | पृथक |
RS-485, CAN, या औद्योगिक ईथरनेट लिंक | पृथक |
सुरक्षा की दृष्टि से महत्वपूर्ण उपकरण जिन्हें IEC/UL/CE अनुमोदन की आवश्यकता होती है | पृथक |
एक 24V या 48V बस से कई निम्न-वोल्टेज रेल | गैर पृथक |
स्थान- या तापीय रूप से बाधित बाड़े | गैर पृथक |
डिवाइस को पहले से ही एक सुरक्षित कम वोल्टेज डीसी स्रोत से बिजली मिल रही है। | गैर पृथक |
जब उपयोगकर्ता मुख्य विद्युत से जुड़े पुर्जों को छू सकते हों, एनालॉग वोल्टेज सिग्नल और डिजिटल सीरियल बसों के बीच अलगाव की आवश्यकता हो, या नियमों के अनुसार आवश्यक हो, तो आइसोलेटेड रेल चुनें । जब लागत, आकार और दक्षता डिज़ाइन को प्रभावित करती हो, तो नॉन-आइसोलेटेड रेल चुनें। नॉन-आइसोलेटेड कनवर्टर कम गर्म होता है और लोड में उतार-चढ़ाव पर तेज़ी से प्रतिक्रिया करता है।
अनुक्रमण और सुरक्षा
किसी भी मिक्स्ड-सिग्नल बोर्ड में पावर-अप क्रम महत्वपूर्ण होता है। डिजिटल कोर से पहले एनालॉग फ्रंट एंड को चालू करें, ताकि कन्वर्टर्स को कभी भी अपरिभाषित इनपुट न मिलें। डिजिटल सेक्शन को तब तक रीसेट मोड में रखें जब तक कि उसका रेल स्थिर न हो जाए। यह सरल क्रम लैच-अप और आपके डेटा एक्विजिशन पीसीबी पर गलत रीडिंग को रोकता है।
प्रत्येक प्रवेश बिंदु पर सुरक्षा जोड़ें। फील्ड कनेक्टर्स पर ट्रांजिएंट वोल्टेज सप्रेसर, संवेदनशील इनपुट पर सीरीज रेसिस्टर और मुख्य सप्लाई पर रिवर्स-पोलैरिटी ब्लॉकिंग का उपयोग करें। फ्यूज या ई-फ्यूज फॉल्ट करंट को आपके सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट तक पहुंचने से पहले ही सीमित कर देते हैं। सुपरवाइजर आईसी का उपयोग करके प्रत्येक रेल में ओवरवोल्टेज और अंडरवोल्टेज की जांच करें। सुपरवाइजर कंट्रोलर के लिए एक क्लीन रीसेट सिग्नल भी प्रदान करता है। ये उपाय फील्ड फॉल्ट के दौरान एनालॉग और डिजिटल दोनों सेंसरों की सुरक्षा करते हैं। बेहतर सीक्वेंसिंग और सुरक्षा ब्राउनआउट और सर्ज के दौरान भी आपके सेंसर इंटरफेस को चालू रखते हैं। ये बाद में सेंसर फ्यूजन को भी सपोर्ट करते हैं, क्योंकि प्रत्येक चैनल एक ज्ञात स्थिति से शुरू होता है।
एकल औद्योगिक स्वचालन पीसीबी के लिए लेआउट
एक ही औद्योगिक स्वचालन पीसीबी में नाजुक एनालॉग फ्रंट एंड ट्रेस और तेज़ डिजिटल बस दोनों होते हैं। लेआउट यह तय करता है कि ये डोमेन एक साथ मौजूद रहेंगे या आपस में टकराएंगे। एक अच्छा सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन प्लेसमेंट से शुरू होता है।
एनालॉग और डिजिटल विभाजन
बोर्ड को अलग-अलग कार्यात्मक क्षेत्रों में विभाजित करें। सेंसर और एम्पलीफायर को CPU और FPGA से भौतिक रूप से दूर रखें। एम्पलीफायर और वोल्टेज रेफरेंस जैसे संवेदनशील एनालॉग भागों को एनालॉग प्लेन में रखें। लॉजिक कंट्रोल और टाइमिंग ब्लॉक जैसे शोर वाले डिजिटल भागों को डिजिटल प्लेन में रखें। कम डिजिटल करंट वाला मिक्स्ड-सिग्नल ADC एनालॉग कंपोनेंट की तरह व्यवहार करता है, इसलिए इसे एनालॉग प्लेन में रखें। कई हाई-करंट कन्वर्टर्स के मामले में, AVCC को एनालॉग से और DVDD को डिजिटल से कनेक्ट करें। यहां तक कि एक यूनिवर्सल इंटरफेस के लिए भी स्पष्ट ज़ोनिंग आवश्यक है।
विचार | एनालॉग डोमेन | डिजिटल डोमेन |
|---|---|---|
घटक प्लेसमेंट | एनालॉग प्लेन के अंदर संवेदनशील भाग | डिजिटल तल में शोरगुल वाले लॉजिक और टाइमिंग ब्लॉक |
बिजली की आपूर्ति | विद्युतीकृत भागों के निकट स्थित समर्पित एनालॉग आपूर्ति ब्लॉक | समर्पित डिजिटल आपूर्ति ब्लॉक |
ग्राउंडिंग | कम डिजिटल करंट के लिए सॉलिड ग्राउंड प्लेन; जटिल उच्च-करंट सिस्टम के लिए स्टार-ग्राउंड जंक्शन | वही |
एक ठोस ग्राउंड प्लेन से ग्राउंडिंग को नियंत्रित करें । शोरगुल वाले डिजिटल रिटर्न करंट को कभी भी शांत एनालॉग ग्राउंड क्षेत्र से न गुजरने दें। डिजिटल ट्रेस को एनालॉग सेक्शन के ऊपर से न ले जाएं। यदि क्रॉसिंग अपरिहार्य है, तो इंटरैक्शन क्षेत्र को कम करने के लिए लंबवत मार्ग का उपयोग करें। डिजिटल IC पावर पिन के जितना संभव हो सके पास डीकपलिंग कैपेसिटर लगाएं। पुराने स्प्लिट ग्राउंड प्लेन से बचें, क्योंकि ये रिटर्न पाथ को बाधित करते हैं और इंडक्टिव लूप बनाते हैं। एनालॉग पावर प्लेन को डिजिटल ग्राउंड प्लेन के साथ कभी भी ओवरलैप न करें, क्योंकि यह ओवरलैप एक कैपेसिटर बनाता है जो एनालॉग सप्लाई में डिजिटल शोर उत्पन्न करता है। हाई-स्पीड डिजिटल ट्रेस पर प्रतिबाधा और एनालॉग पावर रेल पर करंट क्षमता को नियंत्रित करें। जटिल ज्यामिति या गतिशील वातावरण के कारण बोर्ड को असामान्य आकार में ढालने पर लचीले सेंसर इंटरफेस सहायक होते हैं।
रूटिंग, शील्डिंग और थर्मल डिज़ाइन
महत्वपूर्ण एनालॉग सेंसर ट्रेस को आसन्न ग्राउंड या गार्ड ट्रेस के साथ डिफरेंशियल पेयर के रूप में रूट करें। इससे मोटर और ड्राइव के EMI से सिग्नल की गुणवत्ता बनी रहती है। यांत्रिक तनाव को कम करने और दरारों को रोकने के लिए नुकीले कोनों के बजाय चिकने, घुमावदार ट्रेस का उपयोग करें । प्रतिबाधा व्यवधान से बचने के लिए ट्रेस की चौड़ाई एक समान रखें। उच्च-घनत्व वाले डिज़ाइनों में, कमजोर बिंदुओं को दूर करने के लिए परतों के पार वाया और ट्रेस को अलग-अलग रखें। उच्च-गति वाले सिग्नलों के लिए, ट्रेस के बीच अधिक दूरी रखकर या संदर्भ तल का सावधानीपूर्वक उपयोग करके प्रतिबाधा को नियंत्रित करें। जब आपको लचीलेपन के साथ-साथ परिरक्षण और रिटर्न पथ की आवश्यकता हो, तो ठोस तांबे के तलों के बजाय क्रॉस-हैच्ड तलों को प्राथमिकता दें। कठोर से लचीले संक्रमणों के पास अतिरिक्त ट्रेस क्लीयरेंस प्रदान करें, जो एक सामान्य तनाव क्षेत्र है। उच्च-धारा पथों के लिए, प्रतिरोध और ऊष्मा संचय को कम करने के लिए चौड़े या समानांतर ट्रेस और स्टिफ़नर का उपयोग करें। मिश्रित-सिग्नल का यह अनुशासन लाभकारी सिद्ध होता है।
डिजाइन क्षेत्र | तकनीक | उद्देश्य |
|---|---|---|
थर्मल | एम्पलीफायर और एडीसी के नीचे भरे हुए या अलग-अलग थर्मल वाया | तापीय प्रतिरोध को कम करता है |
थर्मल | तांबा ऊष्मा फैलाने वाले पदार्थ के रूप में कार्य करता है। | चैनल संवेदनशील एनालॉग भागों से ऊष्मा को दूर करते हैं। |
थर्मल | औद्योगिक मानक के रूप में बोर्ड की मोटाई लगभग 1.6 मिमी रखें; FEA का उपयोग करके जंक्शन तापमान का अनुकरण करें। | हॉटस्पॉट की भविष्यवाणी करता है |
परिरक्षण | ट्रेस किनारों के साथ स्टिचिंग वाया के साथ ठोस ग्राउंड प्लेन | कम प्रतिबाधा वाले वापसी पथों को बनाए रखता है |
ख़ाका | उच्च कंपन वाले भागों को माउंटिंग बिंदुओं के पास केंद्रित करें; 45° के मोड़ का उपयोग करें | तनाव मार्गों को छोटा करता है |
ये प्रक्रियाएँ आपके सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट को शांत रखती हैं और आपके एनालॉग और डिजिटल सेंसरों को विश्वसनीय बनाए रखती हैं। ये कंपन और गर्मी से सिंगल डेटा एक्विजिशन पीसीबी की सुरक्षा करती हैं। साथ ही, ये सेंसर फ्यूजन को बाद में एक मजबूत आधार प्रदान करती हैं और डेटा एक्विजिशन पीसीबी को नियंत्रण के लिए तैयार रखती हैं।
परीक्षण और सत्यापन
बेंच लक्षण वर्णन और अंशांकन
असली मशीन से जोड़ने से पहले आप बोर्ड को बेंच पर टेस्ट करते हैं। हर चैनल को एक ज्ञात रेफरेंस इनपुट दें और उसे पूरी इनपुट रेंज में स्वीप करें। हर चरण पर आउटपुट रिकॉर्ड करें। परिणाम की तुलना आदर्श लाइन से करें और त्रुटि नोट करें। यह स्वीप आपके सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट में गेन त्रुटियों, ऑफसेट त्रुटियों और डेड ज़ोन को उजागर करता है। एक चैनल जो मिड-स्केल पर ठीक दिखता है, रेल के पास बुरी तरह से ड्रिफ्ट हो सकता है।
कैलिब्रेशन उन मापों को सही डेटा में बदल देता है। प्रत्येक चैनल के लिए गेन और ऑफसेट गुणांकों को फर्मवेयर में स्टोर करें। रनटाइम पर इन्हें लागू करें, ताकि मूल रीडिंग सही मान बन जाए। वार्म-अप अवधि के बाद कैलिब्रेशन को दोहराएं, क्योंकि थर्मल ड्रिफ्ट से रिस्पॉन्स में बदलाव आ सकता है। नॉइज़ फ्लोर की भी जांच करें। डिजिटल स्विचिंग नॉइज़ 100 mV तक पहुंच सकता है, और एनालॉग थ्रेशोल्ड 10 mV तक कम हो सकता है, इसलिए डिजिटल सेक्शन चालू रखते हुए मापें। पावर-ऑफ के समय बोर्ड का शांत होना ज्यादा मायने नहीं रखता।
ईएमआई/ईएमसी और पर्यावरणीय परीक्षण
यदि बोर्ड फील्ड में विफल हो जाता है तो बेंच पर प्राप्त परिणाम कोई मायने नहीं रखते। किसी मान्यता प्राप्त चैंबर में विकिरणित और चालक उत्सर्जन परीक्षण करें। इसके बाद प्रतिरक्षा परीक्षण करें: इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज, बर्स्ट, सर्ज और रेडियो-फ्रीक्वेंसी फील्ड। प्रत्येक परीक्षण के दौरान एनालॉग फ्रंट एंड में किसी भी गड़बड़ी पर नज़र रखें। एक मिक्स्ड-सिग्नल बोर्ड अक्सर उत्सर्जन परीक्षण में पास हो जाता है लेकिन प्रतिरक्षा परीक्षण में विफल हो जाता है, क्योंकि एक क्षणिक सिग्नल संवेदनशील इनपुट में प्रवेश कर जाता है।
इसके बाद पर्यावरणीय परीक्षण करें। बोर्ड को उसकी निर्धारित तापमान सीमा में चलाकर प्रत्येक चैनल पर तापमान विचलन को रिकॉर्ड करें। औद्योगिक उपयोग के लिए कंपन और आर्द्रता परीक्षण भी शामिल करें। प्रत्येक परीक्षण के बाद यह सुनिश्चित करें कि एनालॉग और डिजिटल सेंसर सही रीडिंग दे रहे हैं। बीच-बीच में आने वाली खराबी को पकड़ने के लिए एक लंबा सोक टेस्ट चलाएं। प्रत्येक खराबी और उसकी स्थिति को रिकॉर्ड करें। यह रिकॉर्ड आपके अगले लेआउट संशोधन में सहायक होगा और प्रमाणन के लिए प्रमाण प्रदान करेगा। सत्यापन को सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन का अभिन्न अंग मानें, न कि बाद में जोड़ा जाने वाला कार्य। यह विश्वसनीय डेटा भी तैयार करता है जिस पर बाद में सेंसर फ़्यूज़न निर्भर करता है।
सामान्य चुनौतियाँ और उनका निवारण
क्रॉसटॉक, ग्राउंड लूप और ड्रिफ्ट
क्रॉसस्टॉक, ग्राउंड लूप और ड्रिफ्ट, ये तीन ऐसी समस्याएं हैं जो मिक्स्ड-सिग्नल बोर्ड को चुपचाप खराब कर देती हैं। इनमें से प्रत्येक का एक अलग कारण होता है, इसलिए प्रत्येक के लिए अलग समाधान की आवश्यकता होती है। समस्या के अनुसार समाधान खोजने के लिए नीचे दी गई तालिका का उपयोग करें ।
मुद्दा | कारण | शमन |
|---|---|---|
ग्रुप लूप | कई जमीनी रास्ते मिलकर परिसंचारी धाराएँ उत्पन्न करते हैं। | एकल-बिंदु तारा पृष्ठभूमि के साथ लूप को तोड़ें |
बहाव | तापमान के साथ केबल का प्रतिरोध बदलता है | तापमान क्षतिपूर्ति लागू करें और समय-समय पर पुनः अंशांकन करें। |
सिग्नल क्षीणन | लंबी केबलों के कारण सिग्नल कमजोर हो जाता है। | रन को छोटा करें या एम्प्लीफिकेशन जोड़ें |
ईएमआई | मोटर, वेल्डर और बिजली वितरण | केबलों को सुरक्षित करें और उन्हें शोर से दूर ले जाकर उनका मार्ग बदलें। |
प्रतिबाधा बेमेल | केबल सेंसर या रिसीवर से मेल नहीं खाती है। | प्रत्येक कनेक्शन बिंदु पर प्रतिबाधा का मिलान करें |
आप सेंसिंग लेयर पर क्रॉसस्टॉक को भी कम कर सकते हैं। कॉमन ग्राउंडेड इलेक्ट्रोड , आइसोलेटेड सेंसिंग यूनिट और माइक्रोपोरे आइसोलेशन लेयर इसमें सहायक होते हैं। माइक्रोकैज संरचनाएं, सर्पेन्टाइन इंटरकनेक्ट और ट्रेपेज़ॉइडल प्रिज्म डिज़ाइन भी उपयोगी हैं। कॉमन ग्राउंड वाली एम्बेडेड इलेक्ट्रोड लेयर बेहतर काम करती है, और मॉड्यूलर रीडआउट प्रोटोकॉल बड़े एरे को स्केलेबल बनाए रखते हैं। इन विचारों को अपने सेंसर इंटरफ़ेस डिज़ाइन में शुरुआत में ही लागू करें, क्योंकि बाद में इन्हें लागू करने में बहुत अधिक लागत आती है।
बीच-बीच में आने वाली खराबी का निदान करना
अनियमित त्रुटियाँ सही रीडिंग के बीच छिपी रहती हैं, इसलिए आपको एक ऐसी विधि की आवश्यकता है जो उन्हें समय रहते पकड़ सके। एक सिद्ध दृष्टिकोण ज्ञात त्रुटियों को उत्पन्न करता है और देखता है कि सिस्टम कैसे प्रतिक्रिया करता है। t = 1.25 s पर iα करंट सेंसर में एक प्रारंभिक त्रुटि उत्पन्न हुई। t = 0.5 s से 0.8 s तक और फिर t = 1.5 s से 1.8 s तक ωe स्पीड सेंसर में एक अनियमित त्रुटि उत्पन्न हुई। एक उच्च-क्रम स्लाइडिंग मोड ऑब्जर्वर ने दोनों सेंसरों के लिए अवशेष उत्पन्न किए। फिर एक AcI-आधारित इंडेक्स ने उन अवशेषों को संसाधित किया। परिणाम: इंडेक्स ने प्रारंभिक करंट त्रुटि को तो नहीं पकड़ा, लेकिन विलंब के साथ दोनों अनियमित स्पीड त्रुटियों को पकड़ लिया।
इंडेक्स-आधारित विधियाँ आपको एक व्यावहारिक टूलकिट प्रदान करती हैं। MRI, MAI, MVI, MEI, DBI1 और DBI2 प्रत्येक एक परिकलित मान की तुलना एक थ्रेशहोल्ड से करते हैं, और ओत्सु-आधारित थ्रेशहोल्डिंग उस थ्रेशहोल्ड को निर्धारित करती है। आप गति, धारा और वोल्टेज के अवशिष्टों को मिलाकर इंडेक्स बनाते हैं। यह दृष्टिकोण प्रति चैनल एक सेंसर पर निर्भर करता है, और एक चैनल में खराबी अन्य चैनलों को भी प्रभावित करती है, इसलिए इंडेक्स खराब चैनलों को सही चैनलों से अलग करते हैं। यह अलगाव बाद में सेंसर फ्यूजन में सहायक होता है, क्योंकि आपको पता होता है कि किन चैनलों पर भरोसा करना है। अपने सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट और डेटा अधिग्रहण पीसीबी को साफ रखें, और ये डायग्नोस्टिक्स उन दोषों का पता लगा लेंगे जिन्हें केवल एनालॉग और डिजिटल सेंसर नहीं दिखा सकते।
एज प्रोसेसिंग और सेंसर फ्यूजन
ऑन-बोर्ड डेटा फ़्यूज़न
आप सेंसर फ्यूजन की पहली परत को सीधे बोर्ड पर स्थानांतरित कर सकते हैं। एक स्थानीय नियंत्रक नोड से डेटा निकलने से पहले कई सेंसरों से प्राप्त रीडिंग को संयोजित करता है। यह चरण बस ट्रैफ़िक को कम करता है और नियंत्रण निर्णय तक पहुंचने के मार्ग को छोटा करता है। आपका मिक्स्ड-सिग्नल फ्रंट एंड पहले से ही प्रत्येक चैनल को डिजिटाइज़ करता है, इसलिए प्रोसेसर को कच्चे वोल्टेज के बजाय स्पष्ट संख्याएँ दिखाई देती हैं।
यहां समय ही सीमा निर्धारित करता है। वायर्ड कनेक्शन लगभग 20-60 माइक्रोसेकंड में प्रतिक्रिया देते हैं, सबसे खराब स्थिति में यह समय लगभग 100 माइक्रोसेकंड तक हो सकता है। वायरलेस लिंक धीमे चलते हैं: WISA और WSAN-FA का लक्ष्य लगभग 10 मिलीसेकंड है, और IO-Link वायरलेस का लक्ष्य लगभग 5 मिलीसेकंड है। अपने सेंसर फ्यूजन की गणना इसी समय सीमा के भीतर रखें। यदि फ्यूजन रूटीन लूप की अवधि से अधिक समय लेता है, तो उसका उद्देश्य ही विफल हो जाता है। सरल भारित औसत से शुरुआत करें, और जटिलता तभी जोड़ें जब समय इसकी अनुमति दे।
भविष्य के इंटरफ़ेस रुझान
आने वाले वर्षों में और भी बेहतर एकीकरण की उम्मीद है। मल्टी-चैनल फ्रंट-एंड आईसी, डिस्क्रीट सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट द्वारा किए जाने वाले काम का अधिकांश हिस्सा संभाल लेंगे। डिजिटल सेंसर बसें एक ही प्लेटफॉर्म पर एनालॉग और डिजिटल सेंसर के लिए वायरिंग को सरल बना देंगी। रीकॉन्फ़िगरेबल सेंसर इंटरफेस एक ही बोर्ड को लेआउट में बदलाव किए बिना कई उत्पाद लाइनों के लिए उपयोगी बना देंगे। ये रुझान उन डिज़ाइनरों के लिए फायदेमंद हैं जो अभी से ही भविष्य के लिए पर्याप्त संभावनाएं तलाश रहे हैं।
एज प्रोसेसिंग भी और अधिक स्मार्ट हो जाएगी। लोकल सेंसर फ्यूजन ट्रांसमिशन से पहले फॉल्ट डिटेक्शन, ड्रिफ्ट करेक्शन और डेटा रिडक्शन का काम संभालेगा। यह बदलाव बड़े इंस्टॉलेशन में मल्टी-सेंसर इंटरफेस के लिए महत्वपूर्ण है, जहां बैंडविड्थ और पावर सीमित होती है। अपने अगले बोर्ड को अतिरिक्त कंप्यूटिंग क्षमता और डोमेन के बीच एक साफ विभाजन के साथ बनाएं। फर्मवेयर के विस्तार के समय आप खुद को धन्यवाद देंगे।
प्रत्येक सेंसर के सिग्नल की विशेषताओं से शुरुआत करें। शुरुआती चरण में ही स्थिति का पता लगाएं और सिग्नल को अलग करें। मिक्स्ड-सिग्नल ICs का चुनाव सोच-समझकर करें, क्योंकि प्रोग्रामेबल एनालॉग ब्लॉक आपको बोर्ड को दोबारा बनाने की बजाय सॉफ्टवेयर में सिग्नल पाथ बदलने की सुविधा देते हैं । अपने सिंगल इंडस्ट्रियल ऑटोमेशन PCB को सावधानीपूर्वक विभाजित करें। फिर वास्तविक औद्योगिक परिस्थितियों के अनुसार इसकी पुष्टि करें।
इन मुख्य बिंदुओं को याद रखें:
लॉजिक एनालाइजर का उपयोग करके डिबग करें और पिन असाइनमेंट को डॉक्यूमेंट करें।
आगे चलकर और भी बेहतर एकीकरण की उम्मीद है: मल्टी-चैनल फ्रंट-एंड आईसी, डिजिटल सेंसर बस, पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य इंटरफेस और एज सेंसर फ्यूजन। पहले एक छोटा प्रोटोटाइप बनाएं। औद्योगिक स्वचालन में इसका प्रारंभिक परीक्षण करें और प्रत्येक परिणाम को अगले संशोधन के लिए मार्गदर्शक के रूप में उपयोग करें।
सामान्य प्रश्न
मैं वायर्ड और वायरलेस सेंसर इंटरफेस में से कैसे चुनाव करूं?
सबसे पहले लूप टाइमिंग से शुरुआत करें। वायर्ड पाथ लगभग 20-60 माइक्रोसेकंड में प्रतिक्रिया देता है, सबसे खराब स्थिति में यह लगभग 100 माइक्रोसेकंड तक हो सकता है। वायरलेस लिंक धीमे चलते हैं: WISA और WSAN-FA का लक्ष्य लगभग 10 मिलीसेकंड है, और IO-Link वायरलेस का लक्ष्य लगभग 5 मिलीसेकंड है। वायरलेस का चुनाव तभी करें जब लूप बजट इसकी अनुमति देता हो।
मिक्स्ड-सिग्नल इंटरफेस आईसी से मुझे बोर्ड पर कितनी जगह की बचत हो सकती है?
डिस्क्रीट सॉल्यूशन की तुलना में आप बोर्ड एरिया में 90% तक की बचत कर सकते हैं। यह IC अलग-अलग ऑप-एम्प्स, कंपैरेटर्स, रेफरेंस और पैसिव कंपोनेंट्स को कॉन्फ़िगर करने योग्य ऑन-चिप ब्लॉक्स से बदल देता है। साथ ही, लेआउट को दोबारा बनाने के बजाय आप सॉफ्टवेयर में ही व्यवहार को बदल सकते हैं।
मेरे सेंसरों के लिए मुझे किस एडीसी रिज़ॉल्यूशन की आवश्यकता है?
कार्य के अनुसार रिज़ॉल्यूशन का चयन करें। सामान्य निगरानी के लिए 10-12 बिट्स पर्याप्त हैं। सटीक कार्य के लिए 16-24 बिट्स की आवश्यकता होती है। MCU का अंतर्निर्मित ADC आमतौर पर 12 बिट्स तक ही सीमित होता है, इसलिए उच्च रिज़ॉल्यूशन, एक साथ सैंपलिंग या इनपुट आइसोलेशन के लिए बाहरी ADC का उपयोग करें।
मेरा एनालॉग चैनल प्रयोगशाला में तो ठीक से काम करता है, लेकिन फील्ड में काम करने पर क्यों फेल हो जाता है?
बेंच टेस्ट अक्सर डिजिटल सेक्शन को शांत रखकर किए जाते हैं। डिजिटल स्विचिंग नॉइज़ 100 mV तक पहुँच सकता है, जबकि एनालॉग थ्रेशोल्ड 10 mV जितना कम हो सकता है। डिजिटल सेक्शन को चालू रखते हुए माप लें, फिर ESD, बर्स्ट और सर्ज जैसे इम्युनिटी टेस्ट से इसकी पुष्टि करें।
क्या मुझे अपने ग्राउंड प्लेन को एनालॉग और डिजिटल में विभाजित करना चाहिए?
नहीं। एक ठोस ग्राउंड प्लेन का उपयोग करें और शोरगुल वाले डिजिटल रिटर्न करंट को शांत एनालॉग क्षेत्र से दूर रखें। विभाजन रिटर्न पथों को बाधित करते हैं और उच्च-आवृत्ति संकेतों को विकृत करते हैं। इसके बजाय, एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड को बिजली आपूर्ति प्रवेश द्वार के पास एक ही बिंदु पर कनेक्ट करें।
