UTI je integrovaný obvod firmy Smartec, který umožňuje jednoduchou integraci různých typů odporových a kapacitních senzorů do systémů řízených mikrokontrolérem bez potřeby použití A/č převodníku. UTI převádí analogový signál senzoru na logický TTL signál s periodou úměrnou měřené veličině, který vhodný pro následné přímé zpracování mikrokontrolerem. Distributorem v čR je firma Omnitron. Obvod Universal Transducer Interface (UTI), byl vyvinut holandskou firmou Smartec jako univerzální rozhraní pro připojování různých typů odporových a kapacitních senzorů, jakými jsou například Pt100, Pt1000, Ni100, termistory, kapacitní snímače tlaku, posuvu atd. Analogový spojitý signál senzoru je tedy vyhodnocen obvodem UTI a výstupem je signál s proměnnou periodou, který je kompatibilní s TTL nebo CMOS logikou a tedy velmi jednoduše zpracovatelný libovolným jednochipem mikrokontrolérem s minimálním počtem I/O pinů.

Základní vlastnosti

• Možnost měření více senzorů najednou
• Rozlišení až 14 bitů, linerita až 13 bitů
• Kontinuální autokalibrace offsetu a zisku
• Výstup kompatibilní se vstupními obvody mikrokontrolérů
• Třístavový výstup
• Typické měřící časy 10 až 100 ms
• Možnost 2, 3 až 4 vodičového připojení senzorů
• Potlačení interferencí síťové frekvence (50/60 Hz)
• Power down mód
• Teplotní rozsah -40 až 80 °C
• Napájení 2.9 až 5.5V

Popis obvodu

Integrovaný obvod reprezentuje úplný analogový měřící obvod založený na modulaci doby periody oscilátoru vhodný pro použití v nízkofrekvenčních aplikacích bez použití dalších elektronických obvodů. Ke správné činnosti je zapotřebí pouze jeden referenční prvek stejné fyzikální podstaty jakou má senzor.

Obvod generuje signál s proměnnou periodou slučitelný s TTL nebo CMOS obvody a výstupní data jsou přenášena jediný vodičem. V důsledku toho se zmenšuje celkový počet propojovacích cest a tím i případné rušení užitečného signálu. Obvod provádí automatickou průběžnou kalibraci offsetu a zisku, která je založena na kalibraci metodou tří signálů. Pomalu proměnné rušivé signály (například síťových 50Hz) jsou potlačovány střídavým buzením senzorů. Konfigurace obvodu pro vybranou funkci lze realizovat programem nebo propojením příslušných vývodů (viz. obrázek 1 a tabulka 1. a 2.). Obvody UTI se dodávají v pouzdrech 16-pin DIP, vhodné pro klasické plošné spoje a v pouzdrech 18-pin SOIC, vhodné pro povrchovou montáž.

Obr. 1. Blokové schéma

Integrovaný obvod, jehož blokové schéma je na následijícím obrázku 1., má několik vstupů (A až F), které slouží pro připojení několika kapacitních senzorů nebo i 4-vodičové připojení odporových senzorů teploty. Na vstupní multiplexer MUX je připojen modul, který slouží jako předzesilovač nebo převodník kapacita/napětí. Výstupní signál z tohoto bloku je dále zpracováván převodníkem napětí/ perioda. Před výstupem z IO je umístěný dělička signálu, která frekvenci signálu vydělí 128 nebo 1024 dle zvoleného stavu na pinu SF (Slow mode / Fast mode). Vstupy SEL1 až SEL4 nastavují pracovní mód obvodu dle tabulky 2.

 

Tab. 1. Popis pinů

 

Tab. 2. Tabulka módů obvodu UTI

Samotná činnost obvodu UTI je rozdělena do třech až pěti fází dle měřícího módu. Například pro měření kapacit v módu 4 dle tabulky 2. odpovídá činnost třem fázím:

• 1. fáze - Toff - měření vlastního offsetu obvodu
• 2. fáze - Tref - měření referenční kapacity (odezva na referenční veličinu)
• 3. fáze - Tx - měření neznámé kapacity senzoru (odezva na měřenou veličinu)

 

Trvání každé fáze je úměrné hodnotě veličiny v příslušné fázi. Délka trvání se dá vypočítat dle vzorců v českém datasheetu obvodu v české verzi (vydané distributorem - Omnitron) nebo v původní anglické verzi. V nich jsou uvedeny i další podrobnosti nutné k úspěšnému použití a implementaci.

Obr. 2 . Tři fáze měřícího cyklu

Linearita převodní chrakteristiky UTI typicky odpovídá 11-ti až 13-ti bitům, v závislosti na nastaveném módu.

Příklad měření teplotních senzorů

Na následujícím obrázku 3. je uveden mód 5 obvodu UTI, který dovoluje měřit kovové teplotní senzory jakými jsou například Pt100, Pt1000, Ni100 atd.

V tomto módu se měří pouze jeden Pt teplotní senzor (Rx) v 3-, resp. 4-vodičovém zapojení za pomoci referenčního senzoru Rref. Zbylé dva Rbias pouze nastavují vhodný proud měřícími odpory. Stejnou velbou velikosti těchto odporů lze dosáhnout vysoké symetrie. V takto zapojeném měření pak dosahuje nepřesnost pouze 40mW. Jeden měřící cyklus je složen ze čtyř fází. Rozlišovací schopnost v tomto módu je 7mV při proudu 2mA, což odpovídá teplotnímu rozlišení 9mK. Přesný popis i se vzorci tohoto i dalších módů měření obsahuje datasheet k UTI.

Obr. 3. Příklad tří, resp. čtyřvodičového připojení senzoru teploty

Příklad měřícího řetězce UTI s mikrokontrolérem

Obr. 4. Příklad připojení obvodu UTI k mikrokontroléru 87C51FB

Na obrázku 4. je příklad možného jednoduchého řešení propojení obvodu UTI s mikrokontrolérem pro měření teploty pomocí odporových teplotních senzorů Pt100 a jednovodičovým propojením UTI a mikrokontroléru. Mód obvodu UTI je pevně propojený propojkami, ale tím nelze programově měnit pracovní měřící mód. To dovoluje zapojeni na následujícím obrázku 5., kde je i volba módu ovládána programem mikrokontroléru PIC.

Obr. 5. Příklad programového řízení rozhraní UTI s PIC a RS-232 (pro zvětšení klikněte na obrázek)

Poznámka : Podrobný popis zapojení, schémat a desek plošných spojů lze získat na stránkách firmy Smartec (www.smartec.nl).

UTI Evaluation Kit

UTI Evalution Kit je primárně určen k rychlému návrhu a testování aplikací s rozhraním UTI. Kit se připojuje přímo k PC přes RS-232 sériové rozhraní (COM) a podporuje všechny módy UTI. Kit může být ovládán přes program terminál v OS Windows 95/98/NT/2000 a XP nebo si uživatel může vytvořit vlastní program. S kitem se dodává Labview program pro okamžitou vizualizaci výsledků.

Závěr

Obvod rozhraní UTI nabízí jednoduché, kompaktní a pohodlné řešení měření senzorů. Vhodné rozměry dodávaných pouzder umožňují snadnou implementaci co nejblíže samotnému senzoru a tím co nejvíce eliminovat rušení, které snižuje přesnost měření a rozlišení. Navíc zredukuje počet vodičů například ze čtyř (pro čtyřvodičové zapojení senzorů) na pouhý jeden vodič. Díky přímé distribuci pro českou Republiku lze obvody snadno objednat a zakoupit.

 

 

---

Odkazy :

[1] http://www.smartec.nl - firemní stránky v angličtině
[2] http://www.omnitron.cz - stránky českého distributora
[3] http://www.papouch.com - informace o UTI v češtině
[4] Univerzální obvod rozhraní UTI - Revoluce v měřících obvodech pro senzory - datasheet obvodu v češtině
[5] Universal Transducer Interface UTI - Revolution in Senzor interfecing - firemní datasheet obvodu v angličtině