Starter-Kits für schnellere Entwicklung

OEM-Sensoren sind elektronische Baugruppen, die beispielsweise ein Bestücker in die Kundenprodukte einbaut. Da elektronische Geräte heute fast immer mit Prozessoren ausgestattet sind, ist es naheliegend, die OEM-Sensoren an die Produktkonfigurationen anzupassen. Dazu zählen etwa Digitalsignale im I²C-Format und eine Spannungsversorgung von 3,3 V. Über diese Eigenschaften verfügt auch der AMS6915.

Funktionsweise des AMS6915

Die Druckerfassung beim AMS6915 erfolgt mit einer modernen, piezoresistiven Silizium-Messzelle. Diese wandelt den auf die MEMS-Messzelle wirkenden Druck in ein Analogsignal um, das nahezu proportional zum angelegten Druck ist. Anschließend verstärkt ein ASIC dieses Spannungssignal, ein ADC (Analog-Digital-Wandler) mit 14 Bit wandelt es dann wiederum in einen digitalen Wert. Gleiches geschieht mit der Temperatur, die das ASIC misst und auch digitalisiert.

Bei dem ASIC handelt es sich um ein CMOS-IC, das aus einem Instrumentenverstärker, einem 14–Bit-AD-Wandler, einem EEPROM, einem Prozessor und einer Ausgangsstufe besteht (Bild 1). Analog Microelectronics entwickelte die Siliziummesszelle speziell für den Niederdruckbereich neu und verkleinerte sie in den Abmessungen stark, was eine Miniaturisierung ermöglichte.

Um standardisierte Ausgangswerte zu erhalten, kalibriert das Sensorsystem die digitalisierten Signale im Mikroprozessor-Block elektronisch, linearisiert und temperaturkompensiert im Temperaturbereich zwischen 0 und 60 °C sowie einem Arbeitstemperaturbereich zwischen -25 und 85 °C. Während des Abgleichs bestimmt der ASIC für jeden einzelnen Sensor bei verschiedenen Drücken und Temperaturen die Korrektureffizienten und speichert diese im EEPROM. Das im integrierten Mikroprozessor laufende Programm gleicht das digitale Druck- und Temperatursignal auf der Basis der Koeffizienten zyklisch ab. Die so gesammelten und bereits abgeglichenen Werte speichert das ASIC im Ausgaberegister und aktualisiert dies kontinuierlich, was typischerweise in Abständen von 0,5 ms erfolgt. Sowohl der Druck- als auch der Temperaturwert stehen als digitale Daten im I²C-Format zur Verfügung.

Aufbau

Die Serie der AMS6915 kommt im Dual-In-Line-Package (DIP) zur direkten Leiterplattenmontage und ist ohne weitere Komponenten betriebsbereit. Über Lötpins erfolgt der elektrische Anschluss, der Druckanschluss für relative und absolute Sensoren über einen vertikalen Stutzen und für differenzielle Sensoren über horizontale Stutzen. Die Sensoren sind auf einem Keramiksubstrat aufgebaut und mit einer Kunststoffkappe aus PA66 geschützt, was mechanische Stabilität gewährleisten soll.

Bild 1: Prinzipschaltbild AMS6915 AMSYS

Aufgrund unterschiedlicher Ausführungen eignen sich die OEM-Sensoren für verschiedene Druckbereiche. Sie sind in den Druckbereichen von 0 bis 5 mbar bis zu 0 bis 10 bar mit zahlreichen Zwischenschritten als differenzielle und relative Sensoren verfügbar. Im Druckbereich bis 1 bar finden sie auch als Absolutdrucksensor Verwendung und im Bereich von 700 und 1200 mbar können sie auch als barometrische Variante fungieren. Für den Druckbereich von ±2,5 bis ±1000 mbar konzipiert Analog Microelectronics sie als bidirektional-differenzielle Versionen. Mit dieser Version lassen sich sowohl Unter- als auch Überdruck mit dem gleichen Sensor messen.

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Passendes Starter-Kit

Generell lasssen sich die Funktionen des Entwickler-Kits in drei Kategorien unterteilen:

• Hilfe bei Erstinbetriebnahme und schnellem Prototyping
• Individuelle Adressierung
• Starter-Kit als Prüfmittel

Das USB-Starter-Kit ermöglicht es, die Drucksensoren der Serie AMS6915 direkt ohne Lötarbeiten in Betrieb zu nehmen. Es sind nur ein Windows-PC mit der installierten Software CS6915 und ein freier USB-Port notwendig. Sowohl die Spannungsversorgung des Sensors als auch die des Starter-Kits erfolgt über den USB-Anschluss des Computers. Eine weitere Spannungsquelle ist nicht notwendig.

Über ein Auswahlmenü in der Software lässt sich der Druckbereich des vorliegenden Sensors entsprechend dem eingesetzten Modell auswählen. Die Software berechnet auf Basis der ausgelesenen digitalen Werte den anliegenden Druck.

Neben dem Druck gibt die Software auch die Temperatur des Sensors als digitalen oder physikalischen Wert aus. Dabei können Anwender wählen, ob eine Auslesung der Messwerte einmalig oder kontinuierlich in einer Schleife erfolgen soll. Ferner besteht die Möglichkeit, die digitalisierten Messwerte für die Dokumentation in einer Datei zu speichern.

Die Spannungsversorgung des Sensors geschieht über den USB-Port des Computers und lässt sich auf 3,3 oder auf 5 V einstellen. Zur Sicherheit des PCs sind Sensor und PC über das Interface galvanisch getrennt. Die schnelle Inbetriebnahme ermöglicht eine zügige Evaluation des Sensors im Einsatzbereich und somit den raschen Aufbau eines Demonstrators. Durch die Spannungsversorgung über den Laptop ist dies auch im Feldeinsatz möglich. Die Erstellung einer eigenen Entwicklungsumgebung mit entsprechender Elektronik und Programmen ist für die ersten Schritte nicht notwendig.

Ein weiterer Vorteil des Starter-Kits ist die Möglichkeit, die I²C-Adresse des Sensors zu ändern. Die Sensoren der AMS6915-Serie haben werksseitig die 7-Bit-Slave-Adresse 0x28_hex (0101000_bin). Falls ein I²C-Bus mehrere Sensoren betreiben soll, müssen Entwickler den Sensoren eindeutige Adressen zuordnen, damit auf eine Anfrage an eine bestimmte Adresse nicht mehrere Sensoren antworten. Die Adressierung mit einer individuellen Adresse kann mithilfe des Starter-Kits geschehen, aber auch auf Kundenwunsch in der Produktion durch den Hersteller. Dabei überschreibt er die werksseitige Adresse während des Produktionsprozesses, weshalb sich der Sensor dann mit einer individuellen Adresse ansprechen lässt.

Bild 2: Sensor-USB-Interface: Starter-Kit mit ZIF-Sockel und eingestecktem AMS6915. AMSYS

Der dritte Anwendungsbereich für das Starter-Kit ist die Fehlersuche. Während sich bei einem Sensor mit analogem Ausgang über ein Multimeter leicht erkennen lässt, ob der Sensor wie erwartet auf den anliegenden Druck reagiert, so ist dies bei einer digitalen Schnittstelle deutlich schwieriger. Zunächst ist für die Kommunikation ein Mikrocontroller oder ein PC mit einem entsprechenden Programm notwendig, der die Verbindung mit dem Sensor aufbaut, die Daten ausliest und anzeigt. Gelingt das Auslesen nicht, so ist eine Reihe von Fehlerquellen sowohl auf Hard- als auch Softwareseite möglich. Neben einem Fehler im eigentlichen Programm wären hier die folgenden Punkte zu überprüfen:

• Wurde an die richtigen Pull-up-Widerstände gedacht?
• Sind womöglich die SCL- und SDA-Leitungen vertauscht?
• Wurde die richtige I²C-Adresse gewählt?
• Stimmt die Busgeschwindigkeit?
• Werden die Pegel und die Bitreihenfolge richtig interpretiert?

Viele Fehler lassen sich jedoch nur mit einem Oszilloskop oder einem Logic-Analyzer finden, indem der Anwender die Spannungspegel misst und die Bits dekodiert.

Bei diesen Problemen kann aber das USB-Starter-Kit helfen, indem es zum einen als Referenz dient, welche die Funktionsfähigkeit des Sensors überprüfen kann. Zum anderen lassen sich mit dem Starter-Kit einige Fehler ausschließen, da es die Busadresse des Prüflings bestimmen, die Messwerte auslesen und bei Bedarf mit Referenzwerten vergleichen kann.

Am Starter-Kit sind die Busleitungen sowie die Spannungsversorgung für den Sensor auf einer Pfostenleiste herausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, bereits verbaute Sensoren mit dem Starter-Kit zu verbinden und auszulesen. Die Sensoren lassen sich auch mithilfe eines ZIF-Sockels auf das Interface aufsetzen, sodass Entwickler die Sensoren beispielsweise zur Selektion leicht austauschen können (Bild 2).

Potenzielle Anwendungsgebiete

Je nach Ausführung eignen sich die OEM-Drucksensoren AMS6915 für verschiedene Anwendungen:

• Differenzdrucktypen kommen unter anderem in der Gasfluss- und Staudruckmessung zum Einsatz, aber auch zur Füllstandmessung bei einseitigem Medienkontakt eignen sie sich dank der Rückseitenbeaufschlagung. Rückseitenbeaufschlagung bedeutet, dass die medienunempfindliche Rückseite des Drucksensors mit dem Medium in Kontakt kommt.
• Mit den Relativdrucksensoren im Niederdruckbereich lassen sich Füllstandhöhen von 0 bis 50 cm und mehr in offenen Gefäßen messen. Oft finden diese OEM-Sensoren auch in medizinischen Bereichen wie Patientenkontrolle, Infusions- und Spritzenpumpen oder der modernen Wundtherapie Anwendung (NPWT).
• Die Absolutdrucksensoren eignen sich zur Vakuumkontrolle sowie für barometrische Messungen. Durch die geringe Größe des AMS6915 eignen sich die Drucksensoren besonders für den Einbau in Geräte, bei denen der Platzfaktor ausschlaggebend ist.

Genauso vielseitig wie die Einsatzfelder des Drucksensors sind auch jene des USB-Starter-Kits. Das Starter-Kit des AMS6915 kann sowohl für Messzwecke beim Prototypenbau als auch in der Prüftechnik zum Einsatz kommen.

Fazit

Der AMS6915 ist ein miniaturisierter OEM-Drucksensor in der Dual-in-Line-Bauart, der im 3- oder 5-V-Betrieb Druck-und Temperaturmessungen im I²C-Format ermöglicht. Mit dem USB-Starter-Kit lässt sich zudem die für einen Prototypen benötigte Entwicklungszeit reduzieren, da es die Messwerte des Sensors ohne Aufwand darstellt, eine individuelle Adressierung vornimmt und den Sensor überprüft.

(prm)