خمس مهارات تصميمية ومؤشرات فنية للمستشعر

يتزايد عدد أجهزة الاستشعار بشكل كبير على سطح الأرض وفي الفضاء المحيط بنا، مما يزود العالم بالبيانات. تُعد هذه المستشعرات ذات الأسعار المعقولة القوة الدافعة وراء تطوير إنترنت الأشياء والثورة الرقمية التي يشهدها مجتمعنا، ومع ذلك، فإن ربط البيانات من أجهزة الاستشعار والوصول إليها لا يسير دائمًا بسلاسة أو بسهولة. ستتناول هذه الورقة البحثية المؤشر التقني لأجهزة الاستشعار، وخمس مهارات تصميمية، وشركات تصنيع المعدات الأصلية (OEM).

أولاً، تُعدّ المؤشرات الفنية الأساس الموضوعي لتقييم أداء المنتج. ويساعد فهم هذه المؤشرات على اختيار المنتج واستخدامه بالشكل الأمثل. وتنقسم المؤشرات الفنية للمستشعر إلى مؤشرات ثابتة ومؤشرات ديناميكية. تُعنى المؤشرات الثابتة بدراسة أداء المستشعر في ظل ظروف الثبات، وتشمل الدقة، والتكرارية، والحساسية، والخطية، وخطأ الإرجاع، والعتبة، والزحف، والاستقرار، وغيرها. أما المؤشرات الديناميكية، فتُعنى بدراسة أداء المستشعر في ظل ظروف التغير السريع، وتشمل استجابة التردد واستجابة الخطوة.

نظراً لتعدد المؤشرات التقنية للمستشعر، تُشرح البيانات والمراجع المختلفة من زوايا متعددة، مما يؤدي إلى اختلاف الفهم، بل وحتى سوء الفهم والغموض. ولذلك، سيتم تفسير المؤشرات التقنية الرئيسية التالية للمستشعر:

1، القرار والقرار:

التعريف: تشير الدقة إلى أصغر تغيير قابل للقياس يمكن للمستشعر اكتشافه. وتشير الدقة إلى نسبة الدقة إلى قيمة النطاق الكامل.

التفسير الأول: الدقة هي المؤشر الأساسي للمستشعر. وهي تمثل قدرة المستشعر على تمييز الأجسام المقاسة. أما المواصفات الفنية الأخرى للمستشعر فتُوصف بدلالة الدقة كوحدة قياس دنيا.

بالنسبة لأجهزة الاستشعار والأجهزة المزودة بشاشة عرض رقمية، تحدد الدقة الحد الأدنى لعدد الأرقام التي يجب عرضها. على سبيل المثال، تبلغ دقة الفرجار الرقمي الإلكتروني 0.01 مم، وخطأ المؤشر ±0.02 مم.

التفسير الثاني: الدقة هي رقم مطلق بوحدات. على سبيل المثال، دقة مستشعر درجة الحرارة هي 0.1 درجة مئوية، ودقة مستشعر التسارع هي 0.1 جرام، وما إلى ذلك.

التفسير 3: الدقة مفهوم ذو صلة ومشابه جداً للدقة، وكلاهما يمثل دقة المستشعر في القياس.

الفرق الرئيسي هو أن الدقة تُعبّر عنها كنسبة مئوية من دقة المستشعر. وهي نسبة نسبية بلا أبعاد. على سبيل المثال، دقة مستشعر درجة الحرارة هي 0.1 درجة مئوية، ونطاقه الكامل 500 درجة مئوية، وبالتالي فإن الدقة هي 0.1/500 = 0.02%.

2. قابلية التكرار:

التعريف: تشير قابلية تكرار المستشعر إلى درجة الاختلاف بين نتائج القياس عند تكرار القياس عدة مرات في نفس الاتجاه وتحت نفس الظروف. وتسمى أيضاً خطأ التكرار، خطأ إعادة الإنتاج، وما إلى ذلك.

التفسير الأول: يجب أن تكون قابلية تكرار المستشعر هي درجة الاختلاف بين القياسات المتعددة التي يتم الحصول عليها في ظل نفس الظروف. إذا تغيرت ظروف القياس، فإن قابلية المقارنة بين نتائج القياس ستختفي، وهو ما لا يمكن استخدامه كأساس لتقييم قابلية التكرار.

التفسير الثاني: تمثل قابلية تكرار المستشعر مدى تشتت وعشوائية نتائج قياساته. ويعود سبب هذا التشتت والعشوائية إلى وجود اضطرابات عشوائية مختلفة داخل المستشعر وخارجه، مما يؤدي إلى ظهور خصائص المتغيرات العشوائية في نتائج القياس النهائية.

التفسير 3: يمكن استخدام الانحراف المعياري للمتغير العشوائي كتعبير كمي قابل للتكرار.

التفسير الرابع: في حالة القياسات المتكررة المتعددة، يمكن الحصول على دقة قياس أعلى إذا تم اعتبار متوسط ​​جميع القياسات هو النتيجة النهائية، وذلك لأن الانحراف المعياري للمتوسط ​​يكون أصغر بكثير من الانحراف المعياري لكل قياس على حدة.

3. الخطية:

التعريف: تشير الخطية (Linearity) إلى انحراف منحنى إدخال وإخراج المستشعر عن الخط المستقيم المثالي.

التفسير 1: يجب أن تكون علاقة الإدخال/الإخراج المثالية للمستشعر خطية، ويجب أن يكون منحنى الإدخال/الإخراج الخاص به خطًا مستقيمًا (الخط الأحمر في الشكل أدناه).

ومع ذلك، فإن المستشعر الفعلي يحتوي على مجموعة متنوعة من الأخطاء، مما يؤدي إلى أن منحنى الإدخال والإخراج الفعلي ليس خطًا مستقيمًا مثاليًا، بل منحنى (المنحنى الأخضر في الشكل أدناه).

الخطية هي درجة الاختلاف بين منحنى الخصائص الفعلي للمستشعر والخط غير المتصل بالإنترنت، والمعروف أيضًا باسم اللاخطية أو الخطأ اللاخطي.

التفسير الثاني: نظرًا لاختلاف الفرق بين منحنى الخصائص الفعلي للمستشعر والخط المثالي باختلاف أحجام القياس، غالبًا ما تُستخدم نسبة القيمة القصوى للفرق إلى قيمة النطاق الكامل في نطاق القياس الكامل. ومن الواضح أن الخطية هي أيضًا كمية نسبية.

التفسير الثالث: نظرًا لعدم معرفة الخط المثالي للمستشعر في ظروف القياس العامة، فإنه لا يمكن الحصول عليه. ولذلك، غالبًا ما يُعتمد أسلوبٌ وسط، وهو استخدام نتائج قياس المستشعر مباشرةً لحساب خط المطابقة الأقرب إلى الخط المثالي. وتشمل طرق الحساب المحددة طريقة خط نقطة النهاية، وطريقة أفضل خط، وطريقة المربعات الصغرى، وغيرها.

4. الاستقرار:

التعريف: الاستقرار هو قدرة المستشعر على الحفاظ على أدائه على مدى فترة زمنية.

التفسير الأول: يُعدّ الاستقرار المؤشر الرئيسي لتقييم مدى استقرار عمل المستشعر خلال فترة زمنية محددة. وتشمل العوامل التي تؤدي إلى عدم استقرار المستشعر بشكل أساسي الانحراف الحراري وتحرر الإجهاد الداخلي. لذا، يُفيد تحسين الاستقرار من خلال زيادة تعويض درجة الحرارة ومعالجة التقادم.

التفسير الثاني: يمكن تقسيم الاستقرار إلى استقرار قصير الأجل واستقرار طويل الأجل وفقًا لطول الفترة الزمنية. عندما تكون فترة الملاحظة قصيرة جدًا، يكون الاستقرار وقابلية التكرار متقاربين. لذلك، يركز مؤشر الاستقرار بشكل أساسي على دراسة الاستقرار طويل الأجل. ويتم تحديد طول الفترة الزمنية المناسبة وفقًا لبيئة الاستخدام والمتطلبات.

التفسير 3: يمكن استخدام كل من الخطأ المطلق والخطأ النسبي للتعبير الكمي عن مؤشر الاستقرار. على سبيل المثال، يتمتع مستشعر قوة من نوع الإجهاد باستقرار قدره 0.02%/12 ساعة.

5. تردد أخذ العينات:

التعريف: يشير معدل أخذ العينات إلى عدد نتائج القياس التي يمكن أخذ عينات منها بواسطة المستشعر لكل وحدة زمنية.

التفسير الأول: يُعدّ معدل أخذ العينات أهم مؤشر للخصائص الديناميكية للمستشعر، إذ يعكس قدرته على الاستجابة السريعة. ويُعتبر معدل أخذ العينات أحد المؤشرات التقنية التي يجب مراعاتها بدقة في حالة التغير السريع في القياس. ووفقًا لقانون شانون لأخذ العينات، يجب ألا يقل معدل أخذ العينات للمستشعر عن ضعف معدل تغير القياس.

التفسير الثاني: مع استخدام ترددات مختلفة، تختلف دقة المستشعر تبعاً لذلك. وبشكل عام، كلما زاد تردد أخذ العينات، انخفضت دقة القياس.

غالباً ما يتم الحصول على أعلى دقة للمستشعر عند أدنى سرعة أخذ عينات أو حتى في ظل ظروف ثابتة. لذلك، يجب مراعاة الدقة والسرعة عند اختيار المستشعر.

خمس نصائح تصميمية لأجهزة الاستشعار

1. ابدأ بأداة ناقل البيانات

كخطوة أولى، ينبغي على المهندس اتباع نهج توصيل المستشعر أولاً عبر أداة ناقل البيانات للحد من المخاطر. تربط أداة ناقل البيانات جهاز كمبيوتر شخصي، ثم تتصل بالمستشعر عبر بروتوكول I2C أو SPI أو أي بروتوكول آخر يسمح للمستشعر بالتواصل. يوفر تطبيق الكمبيوتر الشخصي المرتبط بأداة ناقل البيانات مصدرًا معروفًا وفعالًا لإرسال واستقبال البيانات، وليس برنامج تشغيل وحدة تحكم دقيقة مضمنة غير معروف وغير مصادق عليه. في سياق أداة ناقل البيانات، يمكن للمطور إرسال واستقبال الرسائل لفهم كيفية عمل القسم قبل محاولة التشغيل على مستوى الأنظمة المضمنة.

2. اكتب كود واجهة الإرسال بلغة بايثون

بعد أن يجرب المطور استخدام مستشعرات أداة ناقل البيانات، تتمثل الخطوة التالية في كتابة كود التطبيق الخاص بهذه المستشعرات. بدلاً من الانتقال مباشرةً إلى كود المتحكم الدقيق، يُنصح بكتابة كود التطبيق بلغة بايثون. تقوم العديد من أدوات ناقل البيانات بتهيئة المكونات الإضافية ونماذج التعليمات البرمجية عند كتابة البرامج النصية، وهو ما تتبعه بايثون عادةً. تُعد .NET إحدى اللغات المتاحة في بيئة .NET. كتابة التطبيقات بلغة بايثون سريعة وسهلة، وتوفر طريقة لاختبار المستشعرات في تطبيقات أقل تعقيدًا من الاختبار في بيئة مضمنة. سيُسهّل وجود كود عالي المستوى على المهندسين غير المتخصصين في الأنظمة المضمنة استخراج نصوص المستشعرات واختباراتها دون الحاجة إلى مهندس برمجيات مضمنة.

3. اختبر المستشعر باستخدام لغة البرمجة Micro Python

من مزايا كتابة أول كود تطبيق بلغة بايثون سهولة استبدال استدعاءات واجهة برمجة التطبيقات (API) الخاصة بأداة ناقل البيانات (Bus-utility) باستخدام مكتبة Micro Python. تعمل Micro Python في بيئة برمجيات مضمنة تعمل في الوقت الحقيقي، وتضم العديد من أجهزة الاستشعار التي تُمكّن المهندسين من فهم قيمتها. تعمل Micro Python على معالج Cortex-M4، مما يوفر بيئة مثالية لتصحيح أخطاء كود التطبيق. ليس هذا فحسب، بل إنها سهلة الاستخدام، ولا حاجة لكتابة برامج تشغيل I2C أو SPI، لأنها مُغطاة بالفعل في مكتبة وظائف Micro Python.

4. استخدم رمز مورد المستشعر

أي نموذج برمجي يمكن استخراجه من شركة تصنيع أجهزة الاستشعار، سيحتاج المهندسون إلى بذل جهد كبير لفهم كيفية عمل الجهاز. لسوء الحظ، لا يمتلك العديد من موردي أجهزة الاستشعار خبرة في تصميم البرمجيات المدمجة، لذا لا تتوقع العثور على مثال جاهز للاستخدام يتميز ببنية أنيقة وجذابة. ما عليك سوى استخدام كود المورد، وفهم كيفية عمل هذا الجزء، وستواجه صعوبة في إعادة هيكلة الكود حتى يتم دمجه بسلاسة في البرمجيات المدمجة. قد يبدأ الكود بشكل غير منظم، لكن الاستفادة من فهم الشركات المصنعة لكيفية عمل أجهزة الاستشعار الخاصة بها سيساعد في تقليل الوقت الضائع قبل إطلاق المنتج.

5. استخدم مكتبة وظائف دمج البيانات الحسية

على الأرجح، واجهة نقل البيانات الخاصة بالمستشعر ليست جديدة ولم تُستخدم من قبل. تساعد المكتبات المعروفة لجميع الوظائف، مثل "مكتبة وظائف دمج المستشعرات" التي توفرها العديد من شركات تصنيع الرقائق، المطورين على التعلم بسرعة، أو حتى بشكل أفضل، وتجنب إعادة تطوير أو تعديل بنية المنتج بشكل جذري. يمكن دمج العديد من المستشعرات في أنواع أو فئات عامة، وستُمكّن هذه الأنواع أو الفئات من التطوير السلس لبرامج التشغيل التي، إذا تم التعامل معها بشكل صحيح، ستكون شبه عالمية أو أقل قابلية لإعادة الاستخدام. ابحث عن مكتبات وظائف دمج المستشعرات هذه وتعرّف على نقاط قوتها وضعفها.

عند دمج أجهزة الاستشعار في الأنظمة المدمجة، تتوفر طرق عديدة لتحسين وقت التصميم وسهولة الاستخدام. ولن يخطئ المطورون أبدًا إذا تعلموا كيفية عمل أجهزة الاستشعار من مستوى عالٍ من التجريد في بداية التصميم وقبل دمجها في نظام ذي مستوى أدنى. ستساعد العديد من الموارد المتاحة اليوم المطورين على الانطلاق بقوة دون الحاجة إلى البدء من الصفر.