Σχεδιασμός και υλοποίηση αναδιαμορφούμενου ενσωματωμένου συστήματος μέτρησης αιθητήρων χωρητικότητας σε FPGA

Οι έξυπνοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται όλο και πιο πολύ στις μέρες μας για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Ουσιαστικά ένας έξυπνος αισθητήρας είναι ένα σύστημα το οποίο περιλαμβάνει εκτός από τα αισθητήρια και έναν επεξεργαστή ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα τοπικής επεξεργασίας των μετρήσεων. Στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας υλοποιήθηκε ένα έξυπνο και ευέλικτο ενσωματωμένο σύστημα για την μέτρηση αισθητήρων χωρητικότητας. Στο σύστημα εκτός από το κύκλωμα διεπαφής των αισθητήρων έχει ενσωματωθεί ένας επεξεργαστής LEON3 με τα απαραίτητα περιφερειακά και έχει εγκατασταθεί λειτουργικό σύστημα Linux. Η υλοποίηση έγινε σε FPGA της σειράς CYCLON της ALTERA στο αναπτυξιακό σύστημα της Terasic DE2-115. Για την μέτρηση των αισθητήρων έχει υλοποιηθεί ένα κύκλωμα διεπαφής το οποίο μετατρέπει της μεταβολές της χωρητικότητας σε μεταβολές συχνότητας με χρήση ενός ειδικά διαμορφωμένου ταλαντωτή δακτυλίου. Ακολούθως, χρησιμοποιείται ένας προγραμματιζόμενος μετρητής συχνότητας ο οποίος διαθέτει μεταβλητό χρονικό παράθυρο μέτρησης ώστε να παρέχει ευελιξία ως προς το χρόνο μέτρησης, την ακρίβεια και το εύρος των μετρούμενων συχνοτήτων. Το κύκλωμα διεπαφής έχει συνδεθεί στον εσωτερικό δίαυλο δεδομένων (AMBA bus) του επεξεργαστή LEON3 ώστε να συμπεριφέρεται ως ένα τυπικό περιφερειακό του επεξεργαστή και να επιτυγχάνεται εύκολη και αποδοτική διαχείρισή του από το λογισμικό της εφαρμογής. Στο δίαυλο AMBA έχουν συνδεθεί και άλλα περιφερειακά όπως για παράδειγμα μια SVGA οθόνη επαφής (touch screen), μια μονάδα δικτύου (ETHERNET) και ένα πληκτρολόγιο τα οποία προσδίδουν στο συνολικό σύστημα επιπλέον δυνατότητες και ευελιξία. Με το ενσωματωμένο λειτουργικό σύστημα Linux ο χρήστης του συστήματος μπορεί να χρησιμοποιεί ένα καθιερωμένο περιβάλλον για την επεξεργασία των μετρήσεων και την επικοινωνία με τους αισθητήρες. Ο χρήστης μπορεί να παρατηρεί τα αποτελέσματα στην SVGA οθόνη ή να εισάγει εντολές επεξεργασίας από το πληκτρολόγιο. Ταυτόχρονα υπάρχει η δυνατότητα απομακρυσμένης σύνδεσης με το σύστημα και μεταφοράς των αποτελεσμάτων σε ένα απομακρυσμένο υπολογιστή. Έχουν υλοποιηθεί προγράμματα σε γλώσσα C για την επεξεργασία των μετρήσεων και για τον έλεγχο του κυκλώματος διεπαφής. Ένα πρόγραμμα το οποίο υλοποιήθηκε αξιοποιεί την “touch screen” λειτουργία της οθόνης, ώστε να μην χρειάζεται απαραίτητα συνδεδεμένο πληκτρολόγιο στο σύστημα. Με το πρόγραμμα αυτό μπορεί να γίνει βαθμονόμηση του αισθητήρα και να υπολογίζεται η μέση τιμή και η διασπορά των μετρήσεων. Για να επαληθευθεί η ορθή λειτουργία του συστήματος ελήφθησαν μετρήσεις με χωρητικούς αισθητήρες αερίων οι οποίοι αποτελούνται από διαπλεκόμενα (interdigitated) ηλεκτρόδια και ένα στρώμα πολυμερούς, του οποίου οι ιδιότητες μεταβάλλονται με την απορρόφηση συγκεκριμένων αερίων. Η απόκριση του προτεινόμενου συστήματος για διάφορες συγκεντρώσεις αναλυτών συγκρίθηκε με τις μετρήσεις των ίδιων αισθητήρων με σύστημα γέφυρας και προέκυψε ικανοποιητική σύμπτωση. Η ευαισθησία του συστήματος είναι, επίσης, ικανοποιητική γιατί δίνει τη δυνατότητα μέτρησης πολύ μικρών μεταβολών της χωρητικότητας οι οποίες αντιστοιχούν σε μεταβολή μερικών δεκάδων Hz στη συχνότητα ταλάντωσης. Το σύστημα που υλοποιήθηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πλήθος εφαρμογών και να προσαρμοστεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Με την ενσωμάτωση του επεξεργαστή LEON3 ο οποίος είναι ευέλικτος και παραμετροποιήσιμος μπορούν να γίνουν εύκολα προσθήκες υλικού (hardware) και να προσαρμοστεί κατάλληλα το λογισμικό ώστε να προστεθούν επιπλέον λειτουργίες. Συνολικά, στην διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ένα ευέλικτο, αυτόνομο, εύχρηστο και αποδοτικό “έξυπνο” σύστημα για την μέτρηση αισθητήρων χωρητικότητας, το οποίο περιλαμβάνει πολλαπλές λειτουργίες επεξεργασίας και επικοινωνίας και έχει πάρα πολλές δυνατότητες εξέλιξης. Η παρούσα υλοποίηση μπορεί να αποτελέσει οδηγό για παρόμοιες υλοποιήσεις στο μέλλον και παρουσιάζει τις προοπτικές των έξυπνων συστημάτων σε συνδυασμό με αισθητήρες.Smart sensors are used increasingly nowadays for environmental monitoring. A smart sensor is a system which includes apart from the sensor element a processor which enables local processing of the measurements. Within the framework of this master thesis a smart and flexible embedded system for measuring capacitance sensors has been designed and implemented. The system developed comprises of the sensor interface circuit, a LEON3 processor equipped with the necessary peripherals and a Linux operating system. The system implementation is done using a CYCLON series ALTERA FPGA, the Terasic DE2-115 development board and a custom board hosting the sensor elements. For the measurement of the sensors an interface circuit which converts the capacitance changes in frequency changes by using a specially designed ring oscillator is implemented. Subsequently, a programmable frequency counter featuring a variable measurement time window is used in order to provide flexibility to the measurement time, the accuracy and the range of elaborated frequencies. The interface circuit is connected to the internal data bus (AMBA bus) of LEON3 processor in order to behave as a typical peripheral of the processor and to achieve easy and efficient management from the application software. On the AMBA bus are also connected the standard peripherals of the system, namely, a SVGA touch screen display, a network module (ETHERNET) and a keyboard which give to the system additional capabilities and flexibility. With the embedded Linux operating system the system user can use a standard environment for the processing of the measurements and the communication with the sensors. The user can observe the results on the SVGA display or introduce editing commands from the keyboard. At the same time there is the possibility of a remote connection to the system and the transfer of the results to a remote computer. Programs written in the C programming language are developed for the processing of the measurements and the control of the interface circuit. A stand-allone system has been demonstrated exploiting the capabilities of the "touch screen" display mode and eliminating the need for the presence of a keyboard. The developed software module has the ability to perform sensor calibration and calculation of the mean value and the deviation of the measurements for all channels. To verify the system operation an array of four gas sensors has been used. The capacitive gas sensors consist of interdigitated electrodes and a polymer layer, whose electrical properties vary with the absorption of certain gases (analytes). The response of the proposed system compared to the capacitance measurements using a bridge for various concentrations of analytes has showed satisfactory agreement. The sensitivity of the system is also satisfactory as it can measure very small changes of capacitance resulting to a change of few tens of Hz in oscillation frequency. The system that was implemented can be used in numerous applications and can be adapted to various environments. By integrating the LEON3 processor which is flexible and configurable, hardware alterations can be easily made and the software can be adapted in order to add extra functionality. Overall, this thesis presents a flexible, stand-alone, easy-to-use and efficient smart system for the measurement of capacitive sensors, which includes multiple processing and communication functions and has many development possibilities. This implementation can be used as a guide for similar implementations in the future and shows the prospects of smart sensor systems