New cells and design approaches for sensor interfaces in portable cyber-physical systems
- Autores: María de Rodanas Valero Bernal
- Directores de la Tesis: Nicolás Medrano Marqués (dir. tes.), Santiago Celma (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ramon Gonzalez Carvajal (presid.), Cristina Azcona Murillo (secret.), Pedro Antonio Martínez Martínez (voc.), Juan Manuel Carrillo Calleja (voc.), María Teresa Sanz Pascual (voc.)
- Materias:
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- Resumen
INTRODUCCIÓN En 2006 Helen Gill, de la Fundación Nacional de Ciencia de los EE.UU, acuñó el término sistema ciber-físico para referirse a la integración de los sistemas embebidos con los procesos físicos [LEE11]. En los sistemas ciber-físicos, los procesos físicos son monitorizados y controlados a través de unidades computacionales (e. g. microcontroladores) y redes embebidas, generalmente mediante bucles de realimentación donde los procesos físicos afectan a los procesos computacionales y viceversa [LEE11].
Los sistemas ciber-físicos representan una de las principales fuerzas motrices que están tendiendo puentes entre el mundo cibernético y el mundo físico [LEE08], [WU11]. Las tecnologías de integración y miniaturización actuales han desempeñado un papel clave permitiendo ricas interacciones con el entorno físico de forma casi invisible. Las aplicaciones de los sistemas ciber-físicos son variadas, incluyendo dispositivos y sistemas médicos, asistencia (telemedicina), seguridad y control del tráfico, control de procesos y fabricación, control ambiental y energético, transporte, instrumentación, sistemas de comunicaciones, robótica, aplicaciones militares y seguridad, por citar algunas de ellas [LEE08].
Asimismo, se prevén nuevas aplicaciones, tales como una mayor inteligencia en dispositivos y sistemas para incrementar la seguridad (e. g., transporte) y/o la eficiencia energética (por ejemplo en industria), todas con gran un impacto económico [LEE08]. De hecho, la investigación en este campo está siendo fuertemente apoyada y fomentada por medio de diferentes fuentes de financiación en EE.UU [NSF14] y Europa, donde se ha incluido dentro del Programa Marco de la UE para la Investigación y la Innovación Plan Horizonte 2020 [ECE14].
Los sistemas ciber-físicos conectan el mundo físico y el mundo cibernético a través de sensores y actuadores. De esta forma, el interfaz electrónico, que procesa y adecúa las salidas de sensores en señales para ser procesados en las unidades computacionales, es un elemento fundamental. Sus características en términos de potencia, precisión, velocidad, etc. vienen establecidas principalmente por la aplicación o aplicaciones específicas, introduciendo a su vez un compromiso entre prestaciones y consumo [VAL11a].
Dicho compromiso es todavía más exigente en el caso de sistemas portátiles alimentados con baterías, donde el consumo constituye una constricción fundamental. Las implementaciones dirigidas a aplicaciones portátiles requieren un menor consumo de energía para prolongar la duración de la baterías; alta versatilidad, que permita su aplicación en nodos multi-sensor e integrabilidad (miniaturización). Esto impone requisitos especiales en el diseño de interfaces electrónicos, con objeto de garantizar una alta eficiencia energética; soluciones totalmente integradas, así como el cumplimiento de los requisitos de baja tensión de alimentación y consumo [MEI08].
DESARROLLO TEÓRICO El objetivo de esta tesis es el desarrollo de algunos de bloques básicos para la etapa de acondicionamiento de un interfaz electrónico para sensores con las siguientes características: portable, autónomo, que sea de propósito general y adecuado para su inclusión en sistemas ciber-físicos. Para ello se tiene en cuenta lo siguiente:
¿ En primer lugar, las soluciones propuestas deben ser compatibles con tensión de alimentación unipolar, asimismo con una alta eficiencia energética para aumentar la vida útil de las baterías. Por lo tanto, los requisitos de energía y de alimentación han de mantenerse lo más bajos posible, pero sin que ello conlleve una degradación de las principales características y del rendimiento del sistema.
¿ En segundo lugar, una gran versatilidad es sumamente conveniente, con objeto de que las soluciones propuestas puedan emplearse con una amplia variedad de sensores (i. e. interfaces universales). Las aplicaciones medioambientales con plataformas multi-sensores constituyen un claro ejemplo de lo anterior.
¿ Por último, son necesarias soluciones integradas que permitan una reducción de tamaño y aumento de la fiabilidad. Tecnologías como las CMOS estándar son muy útiles para aprovechar sus principales ventajas en términos de coste, consumo de energía y la compatibilidad de integración mixta analógico-digital.
Más concretamente, este trabajo de esta Tesis se centra en el diseño de dos dispositivos esenciales en etapas de acondicionado, que son amplificadores operacionales y amplificadores lock-in.
Dicha elección se hace en base a su utilidad y para una mayor versatilidad:
- Los amplificadores operacionales son bloques de construcción fundamentales tanto en etapa de acondicionado de señales así como en una gran variedad de circuitos electrónicos. De esta forma, su utilidad y amplia aplicabilidad justifican esta elección.
- Centrándose más específicamente en aplicaciones sensoras en sistemas ciber-físicos, destacan los amplificadores lock-in. Éstos encuentran su aplicación fundamentalmente sistemas en entornos con mucho ruido, como aplicaciones medioambientales. No obstante, su interés y utilidad se has visto incrementados por el auge de los sistemas portátiles de larga duración debido al impacto negativo en la relación señal-ruido en dichos sistemas. Ello está asociado al decrecimiento de niveles de señal disponibles debido al uso de tensiones de alimentación cada vez menores para reducir el consumo. No obstante, aunque los amplificadores lock-in son ampliamente utilizados en instrumentación, sólo se han reportado unas pocas versiones integradas en la literatura. Por tanto, uno de los principales objetivos de esta tesis es realizar nuevas contribuciones que permitan llenar vacíos en este campo a explorar.
Una vez diseñados y caracterizados estos bloques, han sido incluidos en un interfaz electrónico portátil para aplicaciones sensoras en sistemas ciber-físicos.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES En esta Tesis se ha diseñado bloques básicos de una etapa de acondicionamiento de un interfaz electrónico para sensores con las siguientes características: portable, autónomo, de propósito general y adecuado para su inclusión en sistemas ciber-físicos.
De forma más concreta, tal y como se ha expuesto en el punto anterior se han desarrollado dos dispositivos fundamentales, que son: 1) amplificadores operacionales (OpAmps) [VAL14d], los cuales constituyen el componente básico de una etapa de acondicionado de señal así una gran variedad de circuitos electrónicos y 2) amplificadores lock-in (LIAs), que son circuitos específicos de acondicionado especialmente adecuados para sistemas portátiles debido a las restricciones en alimentación y consumo de estos sistemas. En lo correspondiente a cada caso, A. Amplificadores En primer lugar, se han presentado los principales requisitos de amplificadores para sistemas alimentados con baterías. En base a éstos, se ha discutido en detalle el diseño de las etapas de entrada y salida para dichos OpAmps [VAL14d]. Ello ha conllevado la revisión de varias técnicas de diseño y celdas de baja consumo y baja tensión [RAM13].
A modo de ejemplo práctico de aplicación, se ha presentado un amplificador de 0,8 V para equipos portátiles autónomos de larga vida [VAL12b]. Los resultados experimentales obtenidos han mostrado el cumplimiento de las características buscadas, logrando un mejor rendimiento en términos de rango de tensiones de salida, ganancia/consumo y relación ancho de banda/potencia, todo ello con un consumo de energía (1,2 uW) mucho menor que otras soluciones anteriormente reportadas en la literatura.
Asimismo, se han propuesto nuevas celdas para el diseño de bajo consumo y baja tensión de alimentación [VAL14b], [VAL14e], [VAL14f] con el objetivo de superar las limitaciones de las soluciones existentes. Estas nuevas celdas se han testado tanto a nivel de simulación como experimental, pudiéndose comprobar así su funcionalidad y verificación de la mejoras buscadas. Los resultados obtenidos han mostrado su interés y aplicabilidad no sólo en OpAmps en sistemas ciber-físicos portátiles, sino también en otras aplicaciones con restricciones en alimentación y consumo.
B. Amplificadores lock-in Tal y como se ha expuesto anteriormente, aunque los LIA son muy empleados en instrumentación, sólo han sido reportadas unas pocas versiones integradas. Por ello, uno de los objetivos de esta tesis ha sido contribuir a la investigación en este campo.
Se ha explicado la técnica de detección sensible a la fase (PSD), en la cual se basa el funcionamiento de los LIA. Sus correspondientes bloques básicos, re-diseñados para operar con tensiones de alimentación unipolar, han sido igualmente discutidos.
En base a lo anterior, se han integrado un LIA sencillo y un doble a 1.2 V en un tecnología CMOS de bajo costo de 0,18 micras, buscando soluciones integradas en dicha tecnología. Ambos LIA han sido caracterizados experimentalmente. Los resultados han verificado la funcionalidad de dichos LIA, alcanzando el rango frecuencial de operación más alta reportado hasta la fecha, asimismo con la tensión de alimentación más baja.
En general, los LIA integrados presentados en esta Tesis se han diseñado buscando la compatibilidad con los requisitos de alimentación de nodos sensores que funcionan con baterías así como una alta versatilidad para su uso en diferentes aplicaciones sensoras y/o multi-sensor. Por otra parte, las técnicas de diseño de bajo consumo y baja tensión de alimentación discutidas en secciones anteriores se han utilizado para la implementación de los bloques activos de los LIA. Esto se ha llevado a cabo con el propósito de obtener una mejora de las prestaciones así como de la eficiencia energética de los LIA. Los resultados experimentales, que han mostraado lo anterior, son muy prometedores para futuras implementaciones de sistemas de acondicionamiento de sistemas multi-sensor totalmente integrados en tecnología CMOS [VAL14c].
A modo de ejemplo de aplicación, se ha presentado un interfaz electrónico portátil para aplicaciones sensoras en sistemas ciber-físicos haciendo uso de los bloques diseñados en esta tesis. Uno de ellos, el LIA, se ha modificado para superar algunos problemas de los presentados en capítulos anteriores. Los resultados experimentales de una versión integrada en tecnología CMOS de 0,18 micras han mostrado sus prestaciones mejoradas. El interfaz contiene en una sola placa de circuito impreso la etapa de acondicionado de señales -tanto de entrada única como diferenciales -, la etapa de conversión analógico-digital y la inteligencia (un microcontrolador) necesaria que permite el procesamiento completo de la señal y por ende, de la información que ésta contiene. Los resultados experimentales obtenidos han mostrado su capacidad para operar en un rango de frecuencias - incluso con onda cuadrada de entrada - de hasta 1 MHz, característica no reportada en ningún otro LIA hasta la fecha.
BIBLIOGRAFÍA [ECE14] https://ec.europa.eu. Last access: July, 2014.
[NSF14] http://www.nsf.gov. Last access: July, 2014.
[RAM13] Ramírez-Angulo, J.; Valero Bernal, M. R.; López-Martin, A.; Torralba, A.; Carvajal, R. G.; Celma, S. Medrano, N.; Chapter 12 ¿The Flipped Voltage Follower: Theory and Applications,¿. Analog/RF & Mixed Signal Circuit Sys Design, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, pp. 269-287.
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[LEE11] Lee, E. A.; & Seshia, S. A., Introduction to embedded systems: A cyber-physical systems approach, Lee & Seshia, 2011.
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