IMPLEMENTACIJA AUTOKOREKCIONE FUNKCIJE PAMETNOG MERAČA TEMPERATURE IMPLEMETATION OF SMART TRANSDUCER CORRECTION FUNCTIONS Ilija Radovaović 1, Iva Popović 2 1 Iovacioi cetar Elektrotehičkog fakulteta u Beogradu 2 Elektrotehički fakultet u Beogradu Sadržaj U ovom radu je predstavlje kocept implemetacije autokorekcioih fukcija pametih pretvarača u skladu sa IEEE 1451 stadardom za amee višekaalih sezorskih mereja. Implemetacija treba da omogući procesiraje merih podataka u okviru modula pametog pretvarača čime se pojedostavljuje razvoj distribuirae sezorske aplikacije koja se izvršava a mrežom procesoru. Kocept implemetacije predstavlje u radu je bazira a procesiraju podataka dostupih u okviru elektroske specifikacije pretvarača koja je defiisaa IEEE 1451.0 stadardom. Abstract This paper presets cocept of the implemetatio of smart trasducers correctio fuctios i accordace with the IEEE 1451 stadard for the use of multi-chael sesor measuremets. The implemetatio allows processig of measuremet data i the smart trasducer module simplifyig developmet of distributed sesig applicatios ruig o the etwork processor. Smart trasducer module is desiged for wide rage cotact temperature measuremets. Module is based o K-type thermocouple sesor ad KTY10 silico spreadig resistace temperature sesor used for cold juctio compesatio. Calculatio of polyomial correctio fuctio coefficiets, correctio procedure ad implemetatio details are also preseted i this paper. 1.UVOD Itegracija pretvarača u složee mere sisteme zato je pojedostavljea uvođejem IEEE 1451 stadarda koji je defiisao modele implemetacije i metode pristupa fukcijama merih pretvarača. Kao podrška za implemetaciju autokorekcioih fukcija stadard je predvideo elektrosku specifikaciju pametog pretvarača u formi složee strukture podataka koja se ajčešće implemetira u okviru samog modula pretvarača. Za slučaj višekaalih sezorskih mereja tradicioali model korekcije merih podataka podrazumevao je implemetaciju sezorskih karakteristika i obradu merih podataka u okviru sezorske aplikacije. Uvođejem IEEE 1451 stadarda uvede je modulari kocept implemetacije fukcija pretvarača i defiisa model komuikacije između pojediačih kompoeti sistema. Na taj ači je omoguće razvoj kompoeti softvera i odgovarajućih iterfejsa, koji ezaviso od tipa mreže i karakteristika hardverskih kompoeti sistema, obezbeđuju opšti model za pristup, maipulaciju i predstavljaje podataka, sihroizaciju aktivosti, kofiguraciju sistema i korekciju merih vredosti. Obzirom da savremei meri sistemi zahtevaju podršku za pristup podacima i kofigurisaje parametara sistema preko račuarske mreže, fukcije autokalibracije, autokorekcije kao i autoidetifikacije je moguće izmestiti u modul pametog pretvarača, čime se rasterećuje sezorska aplikacija od iformacija specifičiih za korišćee sezore, topologiju sistema, mehaizam komuikacije i sl. 2. OPIS SISTEMA Razvoj pametog sezora podrazumeva implemetaciju fukcija i servisa defiisaih u okviru familije IEEE 1451 stadarda. Osovu čii IEEE 1451.0 podstadard koji defiiše iterfejse prema korisičkoj aplikaciji i prema komuikacioom modulu koji je defiisa ekim od ostalih IEEE 1451.x specifikacija. Fukcija korekcije je podržaa preko strukture podataka defiisae kalibracioom elektroskom specifikacijom pretvarača i data je u formi poliomske fukcije više promeljivih. Za slučaj višekaalih sezorskih mereja, ulaze promeljive korekcioe fukcije predstavljaju mere vredosti sa različitih sezora koji su povezai a modul pametog pretvarača. Stadard predviđa mogućost implemetacije korekcioe fukcije a strai mrežog procesora ili a strai modula pretvarača. Veza softverskog modula koji realizuje fukciju korekcije sa drugim kompoetama softvera realizovaih u skladu sa IEEE 1451 stadardom prikazaa je a slici 1. IEEE 1451.0 stadard kroz fukcije servisog iterfejsa omogućava uključeje/isključeje korekcioe fukcije a određeom merom kaalu kao i statuse koji ukazuju da li je, i u kojoj formi, korekcioa fukcija implemetiraa. 539
klasu diferecijalih kotaktih sezora temperature. Slika 2. Uprošćea arhitektura hardvera sistema. Obzirom da je termoelektromotora sila a priključcima termopara, a kaalu 0 A/D kovertor modula, proporcioalaa razlici temperature merog ( T M ) i hladog kraja ( T A ), za amee kompezacije uticaja temperature hladog kraja korišće je silicijumski otpori sezor temperature KTY10. Ovaj sezor pokriva opseg moguće promee temperature ambijeta i poveza je a ulazi kaal 1 A/D kovertor modula. Hladi kraj termopara i poluprovodički sezor temperature alaze se a istoj temperaturi preko izotermalog bloka. Proces korekcije mere temperature dakle podrazumeva kompezaciju uticaja temperature hladog kraja termopara i proračua vredosti temperature merog kraja termopara. Slika 1. Uprošćea arhitektura softvera sistema. Hardver modula pametog pretvarača je bazira a mikrokotroleru opšte amee a koji su povezai sezori temperature. Koverzija sigala sa sezora se obavlja preko itegrisaog A/D kovertora koji podržava višekaalu akviziciju preko mulitipleksiraja aalogih ulazih piova kotrolera. U okviru fleš memorije mikrokotrolera je realizovaa i struktura koja sadrži podatke o elektroskoj specifikaciji sezora i između ostalog i korekcioe koeficijete. Maipulacija ovim podacima obavlja se preko itegrisaog fleš kotroler modula koji omogućava operacije čitaja i upisa sadržaja fleš memorije. Autokorekcioa fukcija je implemetiraa a strai mikrokotrolera kao zaseba softverski modul koji a osovu merih podataka sa sezorskih kaala i korekcioih koeficijea proračuava kokretu vredost temperature. Poziv korekcioe fukcije obavlja se od strae mrežog procesora preko komuikacioog iterfejsa prema modelu komuikacije koji je defiisa IEEE 1451 stadardom. Uprošćea arhitektura modula pametog pretvarača data je a slici 2. Za amee mereja temperature u širokom opsegu promee korišće je termopar K tipa, koji spada u 3. AUTOKOREKCIONA FUNKCIJA Korekcija merih vredosti kod višekaalih sezorskih mereja podrazumeva korekciju uticaja različitih fizičkih veličia a mereu vredost. Pojediače korekcioe fukcije defiisae IEEE 1451 stadardom, koje su date u formi polioma omogućavaju korekciju merih vredosti pojediačih sezorskih mereja. Sa druge strae, autokorekcioa fukcija data u formi polioma sa više promeljivih je jedistvea za kokreto mereje i određuje se eksperimetalim putem ili a osovu aalize pojediačih sezorskih karakteristika. Implemetacija autokorekcioe fukcije kao ezavise programske iti podrazumeva procesiraje merih podataka sa pojediačih sezorskih kaala prema fukcijama defiisaim u okviru kalibracioe elektroske specifikacije pojediačih pretvarača kao i korekcioe fukcije koja se određuje a osovu korelacije sezorskih karakteristika pojediačih pretvarača. U opštem slučaju IEEE 1451 stadard defiiše korekciou fukciju u formi poliomske fukcije sa više promeljivih, koja je data izrazom 3. 540
D D D 1 2 i j p Ci, j,, px1 H1 X2 H2 X H (3 i0 j0 p0 ) U opštoj formi korekcioe fukcije X predstavljaju ulaze promeljive, H ofsete ulazih promeljivih, D(k) stepe ulaza X k i C i,j...,p korekcioe koeficijete. Potrebo je aglasiti da D(k), C i,j...,p i H predstavljaju podatke koji su u treutku poziva korekcioe fukcije pozati i alaze se u strukturi podataka koja je sadržaa u okviru kalibracioe elektroske specifikacije pretvarača. Kod kokretog mereja temperature termoparom K-tipa postupak autokorekcije podrazumeva ajpre određivaje temperature ambijeta pomoću silicijumskog otporog sezora temperature KTY10. Nako završetka koverzije, servisa rutia A/D kovertora prosleđuje meru vredost U KTY sa kaala 1 autokorekcioom tasku. Kako bi se odredila temperatura ambijeta T A autokorekcioi task a osovu koeficijeata (c 0, c 1,..) smešteih u okviru kalibracioe elektroske specifikacije izvršava matematičke operacije prema izrazu 1. TA c0 c1 U KTY... cu KTY (1) Izraz 1 je određe a osovu šeme povezivaja otporog sezora temperature i karakteristike sezora koja je data izrazom 2. T A 25 2 4 kt 2a U izrazu 2, vredosti koeficijeata =7.88 10-3 K -1, a =1.937 10-3 K -1. Temperaturi faktor T predstavlja odos izmeree treute otporosti termopara prema referetoj otporosti a temperaturi od 25 o C. Veza između otporosti sezora R KTY i apoa koji se dovodi a ulaz A/D kovertora uspostavljea je preko programiraja vredosti strujog izvora I 0 kojom se pobuđuje sezor i koju je moguće podesiti programskim putem. Koeficijeti c i u izrazu (1) određei su pomoću programskog paketa i predstavljaju koeficijete poliomske fukcije čije je sredje kvadrato odstupaje od krive date izrazom 2 miimalo. Dobijea kriva data izrazom 1 aproksimira zavisost temperature ambijeta od apoa a sezoru sa relativom greškom od 0,12% u opsegu promee temperature od -20ºC do 50ºC, što je u klasi mere esigurosti sezora. Nako određivaja temperature ambijeta T A, u astavku postupka se vrši korekcija dobijeog rezultata koverzije sigala sa termopara. Servisa rutia koja se startuje ako završetka koverzije a kaalu 0 A/D kovertor modula, prosleđuje meru vredost U T korekcioom O C (2) tasku. Zavisost vredost U T od temperature ambijeta i od meree temperature se može predstaviti u poliomskoj formi izrazom 4. UT TM TA a0 a1 TM TA... a TM TA (4) Izraz 4 je moguće trasformisati u izraz 5, pri čemu se vredost termoelektromotore sile a izlazu termopara dobija kao razlika termoelektromotorih sila geerisaih kao posledice razlike temepratura merog i hladog kraja termopara u odosu a eku referetu temperaturu T A0. U T T U T T U T T (5) T M A T M A0 T A A0 Izraz 5 je pogoda za dalje procesiraje mere vredosti obzirom da je karakteristika termopara K tipa u poliomskoj formi dostupa, za vredost referete temperature date izrazom 6. T C (6) A0 0 o Kompezacija uticaja temperature hladog kraja a pokazivaje termopara se dalje vrši preko implemetacije izaza 7, koji je dobije a osovu izraza 5. U T T U T T U T T (7) T M A0 T M A T A A0 U izrazu 7, prvi sabirak predstavlja vredost koju prosleđuje A/D kovertor po završetku koverzije sa kaala 0, dok se drugi sabirak određuje dobija a osovu implemetacije izraza 8 i dostupe poliomske karakteristike termopara. Vredosti koeficijeata a 0, a 1,... su smeštee u okviru strukture podataka koja je data u okviru kalibracioe elektroske specifikacije pretvarača.... U T T a a T T a T T (8) T A A0 0 1 A A0 A A0 Nako što je određea vredost U T T, T M A0 vredost meree temperature se određuje a osovu izraza 9, kao iverza fukcija fukcije date izrazom 4, gde je T A =T A0. Fukcija data izrazom 9 je data u poliomskoj formi, dok su koeficijeti d 0, d 1,.. određei a osovu programskog paketa i smeštei u okviru kalibracioe specifikacije pretvarača.... T d d U T T d U T T (9) M 0 1 T M A0 T M A0 Vredosti koeficijeata a, c i d poliomskih fukcija datih izrazima 1, 8 i 9, koji se koriste u procesu korekcije mere vredosti i koji su smeštei u okviru kalibracioe elektroske specifikacije pretvarača dati su u tabeli 1. 541
a c d 0-17.600413686 0.0-0.21522 1 38.921204975 2.508355E -2 2.88933 2 1.85587700E-2 7.860106E-8-3.10688 3-9.9457593E-5-2.503131E-10 1.81735 4 3.184409457E-7 8.315270E-14-0.63526 5-5.607284E-10-1.228034E-17 0.1385 6 5.6075059E-13 9.804036E-22-0.01898 7-3.202072E-16-4.413030E-26 0.00159 8 9.7151147E-20 1.057734E-30-7.40699E-5 9-1.210472E-23-1.052755E-35 1.47541E-6 Tabela 1. Koeficijeti poliomskih fukcija koji se koriste u postupku korekcije 4.MODEL IMPLEMENTACIJE KOREKCIONE FUNKCIJE Implemetacija fukcija pametog pretvarača a strai iterfejsog modula pretvarača zahteva procesorsku podršku. Obzirom a stadardom defiisa mehaizam sihroizacije između programskih modula i mehaizam jihove međusobe komuikacije implemetacija ameće upotrebu operativog sistema za rad u realom vremeu. Programski kod koji se izvršava a ovakvom sistemu mora biti projektova tako da se pojediači programski moduli izvršavaju kokureto u formi ezavisih, rasporedivih programskih iti. Sihroizacija aktivosti i komuikacija između programskih iti se obavlja preko objekata operativog sistema u formi semafor objekata, redova sa porukama, registara događaja i sl. U ovoj formi je i predstavlje kocept implemetacije autokorekcioe fukcije, čije je mehaizam izvršavaja prikaza a slici 3. Task korekcija je implemetira kao poseba programska it operativog sistema za rad u realom vremeu. Sihroizacija aktivosti taska i jegova komuikacija sa drugim objektima operativog sistema realizovaa je preko biarih semafora i redova sa porukama. Nako iicijalizacije task rutie i provere statusih registara pretvarača task korekcija je u blokiraom staju. Aktivost taska je sihroizovaa sa pojavom događaja koji je veza za završetkom A/D koverzije sigala sa sezorskih kaala. Ovaj događaj se procesira u formi servisih rutia koje rezultat koverzije prosleđuju tasku korekcija u formi globalih promeljivih. Redosled A/D koverzija je određe tako da se ajpre vrši određivaje temperature hladog kraja a zatim i meree temperature. Slika 3. Mehaizam izvršavaja korekcioe fukcije Po završetku koverzije a kaalu 1, mera vredost sa sezora KTY10 se prosleđuje korekcioom tasku koji je blokira a semaforu 1. Korekcioi task preuzima koeficijete c i i a i iz kalibracioe specifikacije pretvarača i proračuava vredosti izraza 1 i 8 respektivo, ako čega se blokira a semaforu 2. Nako što je izvršea koverzija a kaalu 0, servisa rutia kovertora prosleđuje meru vredost korekcioom tasku i oslobađa semafor 2. Korekcioi task preuzima koeficijete d i i vrši proraču temperature merog kraja termopara prema izrazu 9. Dobijea vredost temperature se preko reda sa porukama prosleđuje tasku koji vredost smešta u bazu merih vredosti. Pristup podacima iz baze merih vredosti se obavlja po prijemu zahteva od strae mrežog procesora. 5.ZAKLJUČAK Implemetacija autokorekcioe fukcije a strai modula pametog pretvarača omogućava jedostaviju itegraciju fukcija pretvarača a strai mrežog procesora. Pošto je proces obrade merih vredosti izmešte u pretvarački modul, sezorska aplikacija dobija opšti izgled koji je ezavisa od vrste i amee sezora. Time je razvoji programer oslobođe potrebe za pozavajem detalja specifičih za kokrete sezore, već pozivima fukcija servisog iterfejsa pristupa bazi merih vredosti koja je podržaa a strai iterfejsog modula pretvarača. 542
LITERATURA [1] P. Hu, R. Robiso ad J. Idulska, Sesor Stadards: Overview ad Expirieces, preseted at the 3 rd Iteratioal Coferece o Itelliget Sesors, Sesor Networks ad Iformatio, Melboure, Australia, Dec. 3-6,2007. [2] K. Lee, IEEE 1451: A Stadard i Support of Small Trasducer Networkig, preseted at the IEEE Istrumetatio ad Measuremet Tehology Cof, Baltimore, MD, May1-4, 2000. Commuicatio Protocols ad Trasducer Electroic Data Sheet (TEDS) Formats, IEEE Stadard 1451.0, 2007. [7] Sog, E.Y.; Kag Lee;, "Uderstadig IEEE 1451- Networked smart trasducer iterface stadard - What is a smart trasducer?," Istrumetatio & Measuremet Magazie, IEEE, vol.11, o.2, pp.11-17, April 2008. [8] Bethea, M.D.; Rosethal, B.N.;, "A automated thermocouple calibratio system," Istrumetatio ad Measuremet, IEEE Trasactios o, vol.41, o.5, pp.702-706, Oct 1992. [9] Pop, S.; Pitica, D.; Ciascai, I.;, "A Correlatio Method for Improvig Temperature Sesors Measuremets," Electroics Techology, 30th Iteratioal Sprig Semiar o, vol., o., pp.342-345, 9-13 May 2007. [3] E. Y. Sog ad K. B. Lee, Sesor Network Based o IEEE 1451.0 ad IEEE p1451.2-rs232, i Proc. IEEE Iteratioal Istrumetatio ad Measuremets Techology Coferece, Victoria, CA, May 2008. [4] J. Bryzek, Itroductio to IEEE-P1451, the Emergig Hardware-Idipedet Commuicatio Stadard For Small Trasducers, Sesors ad Actuators, vol. 62, Issues 1-3, July 1997. [5] L. Camara, O. Ruize, A. Herms, J. Samitier ad J. Bosc, Automatic Geeratio of Itelliget Istrumetatio for IEEE 1451, Iteratioal Measuremet Cofederatio: Measuremets J., vol. 35, Issue 1, Ja. 2004, p. 3-9MSP 430x4xx Family User s Guide, Texas Istrumets, 2007, Available: www.ti.com. [6] IEEE Stadard for Small Trasducer _Iterface for Sesors ad Actuators Commo Fuctios, 543