חמש מיומנויות עיצוב ומדדים טכניים של החיישן

מספר החיישנים הולך וגדל על פני כדור הארץ ובמרחבים סביבנו, ומספק לעולם נתונים. חיישנים במחירים נוחים אלה הם הכוח המניע מאחורי פיתוח האינטרנט של הדברים והמהפכה הדיגיטלית שעומדת בפני החברה שלנו, אך חיבור וגישה לנתונים מחיישנים לא תמיד הולכים בצורה חלקה או קלה. מאמר זה יציג את האינדקס הטכני של החיישנים, 5 מיומנויות עיצוב ומפעלי OEM.

ראשית, המדד הטכני הוא הבסיס האובייקטיבי לאפיון ביצועי המוצר. הבנת המדדים הטכניים מסייעת בבחירה ושימוש נכונים במוצר. המדדים הטכניים של החיישן מחולקים למדדים סטטיים ומדדים דינמיים. המדדים הסטטיים בוחנים בעיקר את ביצועי החיישן בתנאי אי-שונות סטטית, כולל רזולוציה, חזרתיות, רגישות, ליניאריות, שגיאת החזרה, סף, זחילה, יציבות וכן הלאה. המדד הדינמי בוחן בעיקר את ביצועי החיישן בתנאי שינוי מהיר, כולל תגובת תדר ותגובת צעד.

בשל האינדיקטורים הטכניים הרבים של החיישן, נתונים וספרות שונים מתוארים מזוויות שונות, כך שלאנשים שונים יש הבנות שונות, ואף אי הבנות ועמימות. לשם כך, מפורשים מספר האינדיקטורים הטכניים העיקריים הבאים עבור החיישן:

1, רזולוציה ורזולוציה:

הגדרה: רזולוציה מתייחסת לשינוי הנמדד הקטן ביותר שחיישן יכול לזהות. רזולוציה מתייחסת ליחס בין הרזולוציה לערך קנה המידה המלא.

פרשנות 1: רזולוציה היא המדד הבסיסי ביותר של חיישן. היא מייצגת את יכולתו של החיישן להבחין בין העצמים הנמדדים. מפרטים טכניים אחרים של החיישן מתוארים במונחים של רזולוציה כיחידת מינימום.

עבור חיישנים ומכשירים עם תצוגה דיגיטלית, הרזולוציה קובעת את מספר הספרות המינימלי שיוצג. לדוגמה, הרזולוציה של קליפר דיגיטלי אלקטרוני היא 0.01 מ"מ, ושגיאת המחוון היא ±0.02 מ"מ.

פירוש 2: רזולוציה היא מספר מוחלט עם יחידות. לדוגמה, הרזולוציה של חיישן טמפרטורה היא 0.1℃, הרזולוציה של חיישן תאוצה היא 0.1g, וכו'.

פרשנות 3: רזולוציה היא מושג קשור ודומה מאוד לרזולוציה, שניהם מייצגים את הרזולוציה של חיישן למדידה.

ההבדל העיקרי הוא שהרזולוציה מתבטאת כאחוז מרזולוציית החיישן. היא יחסית ואין לה ממד. לדוגמה, רזולוציית חיישן הטמפרטורה היא 0.1℃, טווח מלא הוא 500℃, הרזולוציה היא 0.1/500=0.02%.

2. חזרתיות:

הגדרה: חזרתיות של החיישן מתייחסת למידת ההבדל בין תוצאות המדידה כאשר המדידה חוזרת על עצמה מספר פעמים באותו כיוון תחת אותם תנאים. נקראת גם שגיאת חזרה, שגיאת שכפול וכו'.

פירוש 1: חזרתיות של חיישן חייבת להיות מידת ההפרש בין מדידות מרובות שהתקבלו באותם תנאים. אם תנאי המדידה משתנים, יכולת ההשוואה בין תוצאות המדידה תיעלם, ולא ניתן להשתמש בה כבסיס להערכת חזרתיות.

פירוש 2: חזרתיות החיישן מייצגת את הפיזור והאקראיות של תוצאות המדידה של החיישן. הסיבה לפיזור ואקראיות כאלה היא שהפרעות אקראיות שונות קיימות באופן בלתי נמנע בתוך ומחוץ לחיישן, וכתוצאה מכך תוצאות המדידה הסופיות של החיישן מציגות את המאפיינים של משתנים אקראיים.

פירוש 3: ניתן להשתמש בסטיית התקן של המשתנה האקראי כביטוי כמותי ניתן לשחזור.

פירוש 4: עבור מדידות חוזרות ונשנות, ניתן להשיג דיוק מדידה גבוה יותר אם הממוצע של כל המדידות נלקח כתוצאת המדידה הסופית. מכיוון שסטיית התקן של הממוצע קטנה משמעותית מסטיית התקן של כל מדידה.

3. ליניאריות:

הגדרה: ליניאריות (Linearity) מתייחסת לסטייה של עקומת הקלט והפלט של החיישן מהקו הישר האידיאלי.

פירוש 1: יחסי הקלט/פלט האידיאליים של החיישן צריכים להיות ליניאריים, ועקומת הקלט/פלט שלו צריכה להיות קו ישר (קו אדום באיור למטה).

עם זאת, החיישן בפועל מכיל פחות או יותר מגוון שגיאות, וכתוצאה מכך עקומת הקלט והפלט בפועל אינה הקו הישר האידיאלי, אלא עקומה (העקומה הירוקה באיור למטה).

ליניאריות היא מידת ההפרש בין עקומת המאפיין בפועל של החיישן לבין הקו הלא-לינארי, המכונה גם אי-ליניאריות או שגיאה לא לינארית.

פרשנות 2: מכיוון שההבדל בין עקומת המאפיין בפועל של החיישן לבין הקו האידיאלי שונה בגדלים שונים של מדידה, היחס בין הערך המקסימלי של ההפרש לערך הטווח המלא משמש לעתים קרובות בטווח הטווח המלא. ברור שליניאריות היא גם כמות יחסית.

פירוש 3: מכיוון שהקו האידיאלי של החיישן אינו ידוע עבור מצב המדידה הכללי, לא ניתן להשיגו. מסיבה זו, לעתים קרובות מאמצים שיטת פשרה, כלומר, שימוש ישיר בתוצאות המדידה של החיישן כדי לחשב את קו ההתאמה הקרוב לקו האידיאלי. שיטות החישוב הספציפיות כוללות שיטת קו נקודת הקצה, שיטת הקו הטוב ביותר, שיטת הריבועים הפחותים וכן הלאה.

4. יציבות:

הגדרה: יציבות היא היכולת של חיישן לשמור על ביצועיו לאורך זמן.

פרשנות 1: יציבות היא המדד העיקרי לבדיקת האם החיישן פועל ביציבות בטווח זמן מסוים. הגורמים המובילים לחוסר יציבות של החיישן כוללים בעיקר סחיפה בטמפרטורה ושחרור מתחים פנימיים. לכן, כדאי להגדיל את פיצוי הטמפרטורה ואת טיפול ההזדקנות כדי לשפר את היציבות.

פרשנות 2: ניתן לחלק את היציבות ליציבות לטווח קצר וליציבות לטווח ארוך בהתאם לאורך תקופת הזמן. כאשר זמן התצפית קצר מדי, היציבות והיכולת לחזור על עצמן קרובות. לכן, מדד היציבות בוחן בעיקר את היציבות לטווח ארוך. משך הזמן הספציפי נקבע בהתאם לשימוש בסביבה ולדרישות.

פירוש 3: ניתן להשתמש הן בשגיאה מוחלטת והן בשגיאה יחסית לביטוי כמותי של מדד היציבות. לדוגמה, לחיישן כוח מסוג מאמץ יש יציבות של 0.02%/12 שעות.

5. תדירות דגימה:

הגדרה: קצב דגימה מתייחס למספר תוצאות המדידה שניתן לדגום על ידי החיישן ביחידת זמן.

פרשנות 1: תדר הדגימה הוא המדד החשוב ביותר למאפיינים הדינמיים של החיישן, ומשקף את יכולת התגובה המהירה של החיישן. תדר הדגימה הוא אחד המדדים הטכניים שיש לקחת בחשבון במלואם במקרה של שינוי מהיר במדידה. על פי חוק הדגימה של שאנון, תדר הדגימה של החיישן לא צריך להיות פחות מפי 2 מתדר השינוי של הנמדד.

פרשנות 2: עם השימוש בתדרים שונים, גם דיוק החיישן משתנה בהתאם. באופן כללי, ככל שתדר הדגימה גבוה יותר, כך דיוק המדידה נמוך יותר.

הדיוק הגבוה ביותר של החיישן מושג לעתים קרובות במהירות הדגימה הנמוכה ביותר או אפילו בתנאים סטטיים. לכן, יש לקחת בחשבון דיוק ומהירות בבחירת החיישן.

חמישה טיפים לעיצוב חיישנים

1. התחל עם כלי האוטובוס

כצעד ראשון, על המהנדס לנקוט בגישה של חיבור החיישן דרך כלי אפיק (bus tool) כדי להגביל את הלא נודע. כלי אפיק מחבר מחשב אישי (PC) ולאחר מכן לפרוטוקול I2C, SPI או אחר של החיישן המאפשר לחיישן "לדבר". יישום מחשב המשויך לכלי אפיק המספק מקור ידוע ופעיל לשליחה וקבלת נתונים שאינם מנהל התקן לא ידוע ולא מאומת של מיקרו-בקר (MCU) משובץ. בהקשר של כלי השירות Bus, המפתח יכול לשלוח ולקבל הודעות כדי להבין כיצד המקטע פועל לפני שהוא מנסה לפעול ברמה המוטמעת.

2. כתוב את קוד ממשק השידור בפייתון

לאחר שהמפתח ניסה להשתמש בחיישנים של כלי האפיק, השלב הבא הוא כתיבת קוד יישום עבור החיישנים. במקום לקפוץ ישירות לקוד מיקרו-בקר, כתבו קוד יישום בפייתון. כלי שירות רבים של אפיקים מגדירים תוספים וקוד לדוגמה בעת כתיבת סקריפטים, שפייתון בדרך כלל עוקב אחר .NET, אחת השפות הזמינות ב-.net. כתיבת יישומים בפייתון היא מהירה וקלה, והיא מספקת דרך לבדוק חיישנים ביישומים שאינם מורכבים כמו בדיקה בסביבה משובצת. קוד ברמה גבוהה יקל על מהנדסים שאינם משובצים לכרות סקריפטים ובדיקות חיישנים ללא טיפול של מהנדס תוכנה משובץ.

3. בדוק את החיישן באמצעות מיקרו פייתון

אחד היתרונות של כתיבת קוד היישום הראשון בפייתון הוא שניתן להחליף בקלות קריאות ליישום לממשק תכנות היישום (API) של Bus-utility על ידי קריאה ל-Micro Python. Micro Python פועל בתוכנה משובצת בזמן אמת, הכוללת חיישנים רבים המאפשרים למהנדסים להבין את ערכה. Micro Python פועל על מעבד Cortex-M4, וזוהי סביבה טובה שממנה ניתן לאתר באגים בקוד היישום. לא רק שזה פשוט, אין צורך לכתוב כאן מנהלי התקנים של I2C או SPI, מכיוון שהם כבר מכוסים בספריית הפונקציות של Micro Python.

4. השתמש בקוד ספק החיישן

כל קוד לדוגמה שניתן "לגרד" מיצרן חיישנים, מהנדסים יצטרכו לעשות דרך ארוכה כדי להבין כיצד החיישן פועל. לרוע המזל, ספקי חיישנים רבים אינם מומחים בתכנון תוכנה משובצת, לכן אל תצפו למצוא דוגמה מוכנה לייצור של ארכיטקטורה יפה ואלגנטיות. פשוט השתמשו בקוד הספק, למדו כיצד החלק הזה עובד, והתסכול של שיפוץ מחדש יתעורר עד שניתן יהיה לשלב אותו בצורה נקייה בתוכנה משובצת. זה אולי יתחיל כ"ספגטי", אבל ניצול ההבנה של היצרנים לגבי אופן פעולת החיישנים שלהם יעזור לצמצם סופי שבוע הרוסים רבים לפני השקת המוצר.

5. השתמש בספרייה של פונקציות היתוך חיישנים

סביר להניח שממשק השידור של החיישן אינו חדש ולא נעשה בו שימוש קודם לכן. ספריות ידועות של כל הפונקציות, כגון "ספריית פונקציות היתוך חיישנים" המסופקת על ידי יצרני שבבים רבים, עוזרות למפתחים ללמוד במהירות, או אפילו טוב יותר, ולהימנע ממעגל של פיתוח מחדש או שינוי דרסטי של ארכיטקטורת המוצר. ניתן לשלב חיישנים רבים בסוגים או קטגוריות כלליות, וסוגים או קטגוריות אלה יאפשרו פיתוח חלק של דרייברים שאם מטופלים כראוי, הם כמעט אוניברסליים או פחות ניתנים לשימוש חוזר. מצאו את הספריות הללו של פונקציות היתוך חיישנים ולמדו את נקודות החוזק והחולשה שלהן.

כאשר חיישנים משולבים במערכות משובצות, ישנן דרכים רבות לסייע בשיפור זמן התכנון וקלות השימוש. מפתחים לעולם לא יכולים "לטעות" על ידי לימוד כיצד חיישנים פועלים מרמת הפשטה גבוהה בתחילת התכנון ולפני שילובם במערכת ברמה נמוכה יותר. רבים מהמשאבים הזמינים כיום יעזרו למפתחים "להתחיל את העניינים" מבלי להתחיל מאפס.