. Yan Vainter , Freescale Israel. חלופה מעניינת למתגים המכניים הוא חיישן הקרבה. המונח “קרבה” מתייחס לעובדה שאין מגע בין האמצעי שאותו אתה רוצה לגלות (כלומר אצבע, נוזל, מתכת וכיו”ב) לבין ההתקן שחש בפועל. סביר ביותר שלוחית זכוכית או פלסטיק מפרידה בין השניים. על אף שכנראה נוצר מגע עם החלק המפריד, אין מגע פיסי עם החיישן.הטכנולוגיה של חישני הקרבה מאפשרת שימוש בפקדים ניתנים להתאמה, מקלה על בעיות הקשורות בבידוד, משפרת את העמידות הכוללת של היישום, יוצרת גמישות בלתי מוגבלת כמעט בעיצוב, ומאמצת פונקציונליות חדשה.
טכנולוגיות של חישני קרבה
טבלה 1 מתארת כמה מהטכנולוגיות המקובלות של חישני קרבה. אפשרויות נוספות כוללות את אפקט Hall, שינוי התנגדות בשדה מגנטי, מכ”ם, סונאר ואחרים.
שתי הטכנולוגיות המשמשות ביותר כתחליף למתגים מכניים הן חיישנים אופטיים וחישני קיבול. ואולם, כפי שמעיד על כך כיוון השוק, חישני הקיבול הם הרב–תכליתיים והגמישים ביותר. מאמר זה מתאר חלק מהתיאוריה שמאחורי גילוי קיבולי ומראה כיצד ניתן ליישם תיאוריה זו בסביבת אדם מכונה.
טכנולגיות חישה מקובלות
טכנולוגיה גילוי אופן יתרונות חסרונות
השראתית מתכת זרמים אלקטרומגנטיים בהשראה – פועל בתנאי סביבה קשים
– זמן תגובה מהיר – טווח קצר
– גילוי של תנועות בלבד
– קשיים בהתקנה
אולטרה–סונית (על–קול) כמעט את כל העצמים הד של גלי קול – טווח רחב
– מדידת מרחק – עלות
– אזורים מתים
– ללא נתונים לגבי גודל וצורה
פוטואלקטרית עצמים קשיחים החזרה או בליעה של אור שונה מהרקע – טווח בינוני – קיימת אפשרות להפרעות
– עלות
– חסימה מתכולת עופרת בערפל, בעשן ובחומרים אטומים
קיבולית עצמים בעלי יכולת בליעה או יכולת יצירה של מטען חשמלי שינויים בחדירות החשמלית (permitivity) ביחס לרקע. מערך במבנה פשוט
גילוי של מתכות ואל–מתכות –טווח קצר
– תלוי תכונות העצמים
טבלה 1
יסודות הקבל
קבל הוא התקן שעשוי משני מבני חומר מוליך מבחינה חשמלית (הקרויים אלקטרודות), שכל אחד מהם נמצא בפוטנציאל חשמלי אחר, והם מופרדים באמצעות חומר שאינו מוליך (מבודד). הערך הפיסיקלי של קבל תלוי בקבוע הדיאלקטרי של המבודד, בחדירות החשמלית (permittivity) היחסית של אוויר חופשי, בשטח של כל אחת מהאלקטרודות ובמרחק המפריד בין האלקטרודות. ערך זה תואם לכמות האנרגיה שהקבל יכול להכיל.
הפעלת מתח על אחת האלקטרודות, מתח שונה מזה הקיים באלקטרודה השנייה, משרה דרך הקבל זרם חשמלי אשר הולך וקטן ככל שהמטען גדל על האלקטרודה. הפרש הפוטנציאלים החשמלי הזה יוצר שדה חשמלי בין האלקטרודות.
טכניקות למדידת קיבול
קבועי זמן: הזן פונקצית מדרגה לכניסה של רשת RC (קבל–נגד) שבה הנגד קבוע, מדוד את הזמן עד לקבלת מתח נתון במוצא.
הזזות פאזה: הזן אות מחזורי, מדוד את ההשהיה באות המוצא בתלות בקיבול.
אפנון תדר: תכנן מעגל שהתדירות שלו תלויה בטעינה ובפריקה של קבל.
אפנון משרעת (אמפליטודה): המשרעת של צורת גל חילופין (ac) משתנה בתלות ברשת קבל–נגד, כאשר הנגד הוא בעל ערך קבוע. להלן מופיעים תרשימים מפושטים של האופן בו אפשר לבצע את המדידות האלה (טבלה 2).
במציאות האתגר הוא במציאת הפשרה שבין רגישות, עמידות, חסינות לרעש ועלות.
מדידת קבועי הזמן של מעגל קבל–נגד עם פונקצית גל מרובע היא, ללא ספק, הפתרון הפשוט והזול ביותר. עם זאת, בין החסרונות אפשר למצוא רגישות, תדירות או מהירות הגילוי ורעש אלקטרו–מגנטי, מאחר שבדרך כלל הפתרון כרוך בהזרקת פונקצית מדרגה של אות יחיד עם קצב חזרה נתון ליצירת מיצוע של ההשהיה.
חברת Freescale בחרה בטכניקה זו עבור משפחת MPR08x החדשה של חישני קרבה המבוססים על בקר המיקרו S08 של החברה. היא מספקת פשרה מיטבית בין ביצועים לעלות – הטובה ביותר עבור תחליפים ללוחות מקשים, למסכי מגע וללחצנים פשוטים.
להזזות פאזה יש בעיות דומות של רגישות, אבל יש להם נטייה להיות מהירים יותר בזמני התגובה. גם כאן, ייתכן שהרעש יהווה בעיה. אפשר לשלב בקלות את טכניקת המדידה הזו ביחידת MCU, אם כי יידרשו לה כמה רכיבים חיצוניים.
אפנון תדר הוא פתרון טוב לתכנונים ברכיבים בדידים, במיוחד כאשר משתמשים בצורות גל מרובע או משולש. ממיר תדירות למתח (V–F) מספק אז מידע שאפשר לתרגם אותו בקלות באמצעות יחידת MCU. החסרון של אפנון התדר הוא הרעש.
אפנון משרעת כרוך בתכנון רב למדי, עם זאת הוא מספק את הביצועים הטובים ביותר במושגים של עמידות להפרעות אלקטרומגנטיות, מאחר שאפשר להתאים טכניקה זו לגלי סינוס. הרגישות זהה לזו של אפנון תדר.
Freescale יצרה תיק מוצרים המבוסס על עירור סינוס באות קטן. כתוצאה מאות הסינוס שהוא למעשה מושלם, ספקטרום ההפרעות האלקטרו–מגנטיות שנוצר הוא הטוב מסוגו. תיק מוצרים זה נמצא בייצור מלא, מזה כמה שנים, ומוצריו הוכיחו עמידות וביצועים מצוינים.
פתרון מציאותי
נשאלת השאלה – אם כל מה שצריך לעשות הוא למדוד קיבול – אז מה בדיוק הבעיה? מאחר שהקיבול משתנה עם הסביבה, הרי שכל דבר משפיע על המדידה – חרקים או בוץ, מזג אוויר טרופי או יובש מדברי, צעצועים של ילדים או אף שק תפוחי אדמה. המפתח לפתרון כל הנושאים האלו הוא האופן שבו מכיילים את מערכת החישה.
לא רק הסביבה החיצונית יכולה להשפיע על המדידה, אלא גם התכנון של מערכת המדידה יכול למלא תפקיד חשוב ברגישות ובטווח הדינמי. קיבול בלתי רצוי (או קיבול פרזיטי) יכול להיווצר על ידי בסיס ההתקנה (חלקי מקבע, בית מתכת וכיו”ב) או על ידי ניתוב מוליכי האלקטרודות בקרבת אותות אחרים (כבלים שטוחים, ניתוב במעגל המודפס וכיו”ב). על אף שייתכנו יישומים מסוימים שבהם תהיה מעונין לגלות את כל אלה למשל, כדי למנוע חבלה או לגלות אבטחה, יש בכך יותר אי נוחות מאשר יתרון עבור הרוב המכריע של השימושים.
קיימות שתי שיטות באמצעותן ניתן להתגבר על הבעיות הכרוכות בהפרעות אלו: אפשרות אחת היא להבטיח שחלק A/D במשוואה של הקבל יהיה קטן עד כדי כך שלתוצאה תהיה השפעה קטנה או שלא תהיה לה השפעה כלל, ואפשרות שנייה היא לסכך את ערוץ המדידה. כבר אפשר היה לראות קודם ששדה חשמלי נוצר בין שתי נקודות שיש ביניהן הפרש פוטנציאלים, לכן על ידי יצירת מעגל סיכוך שבו קיימים משרעת ופאזה זהים כמעט לאות שבאלקטרודות, אנו מבטיחים שיש הפרש פוטנציאלים קטן או שאין כלל הפרש פוטנציאלים בין שני האותות, ובכך מתבטל כל השדה החשמלי. על ידי יצירת עכבה (אימפדנס) של הסיכוך שהיא נמוכה במידה מספיקה, אפשר לטעון ולפרוק את כל הקבלים הפרזיטיים הקיימים בין הסיכוך לבין בסיס ההתקנה, אותות ההארקה וכיו”ב בלי להשפיע על משרעת האות.
יישום התיאוריה: החיים קלים יותר וצריכת ההספק נמוכה יותר
אופטימיזציה של סביבת אדם–מכונה
כאשר קיימת פעילות גומלין משותפת לאדם ולמכונה, קיים לעתים מחסום פיסי או אזור הפרדה שמגביל את המכונה. מחסום זה מוגדר לעתים כמחסום של “אי נוחות” עבור המפעיל, כלומר, מיקום שעל מנת להגיע אליו יהיה על המפעיל להימתח. המטרה העומדת מאחורי מחסום כזה היא להבטיח שבשום תנאי המכונה לא תוכל להגיע קרוב מדי אל אדם כלשהו מבלי שאדם זה יבחר במכוון בקרבה כזו.
עם זאת, מרחק שיכול להיחשב “מרחק ביטחון” במקרה אחד, כמו למשל במקרה של כלי רובוטי, יכול להתפרש על ידי המפעיל כמרחק שהוא רחוק מדי במעט מכדי להיות נוח.
אפשר לתאר מצב של נוחות משופרת עם ביצועי מכונה משופרים אם הרובוט יכול היה לסגל את עצמו למיקום של המפעיל. על ידי גילוי הנוכחות של המפעיל במרחק נתון, הרובוט יכול לכוונן בבטחה את המיקום שלו ביחס למפעיל.
אפשר גם לשפר מדידות בטיחות ביישומים שבהם יש לאמת את נוכחות המשתמש לפני ביצוע פעולה, כמו למשל מכסחת דשא. אם המשתמש מחליק או מאבד שליטה על מכסחת הדשא באופן כלשהו, המכסחה תפסיק לפעול במהירות האפשרית. דוגמה נוספת היא מכונת ביול תעשייתית שבה יש לוודא שהמשתמש נמצא במרחק בטוח מהציוד, לפני שזה יופעל.
בה במידה, אפשר ליישם את התפישה של הגנה על בני אדם לצורך הגנה על ציוד רגיש, כמו למשל מצלמה. אם היא נופלת, השימוש בגילוי קרבה יאפשר למצלמה לגלות את העובדה שאין בקרבתה אדם והיא תוכל להציב את עצמה במצב יותר בטוח, כמו למשל על ידי סגירת העדשה.
פתיחת דלתות אוטומטית
אחד היישומים הנפוצים ביותר של גילוי נוכחות אדם הוא דלת אוטומטית. בדרך כלל כשמתקרבים לדלת מתבצע גילוי באמצעות חיישן אופטי או שמשקל האדם סוגר מגע ברצפה.
אפשר לשלב את חיישן השדה החשמלי ברצפה והוא יכול לגלות נוכחות של אדם דרך חומרים שונים (עץ, מרצפות, שטיח וכיו”ב). אין שימוש בחלקים נעים והחיישן עמיד בפני חלודה וכמעט שלא ניתן לפגוע בו, לכן הוא מהווה את טכנולוגית התחליף המתאימה לחישני לחץ מכניים. האופן הפיסי של האלקטרודה מבטיח אזור חישה מוגבל ומוגדר היטב, בניגוד לפתרון האופטי אשר להם נדרשים הגדרות של ספי נפח ורגישות.
לחלופין, אפשר לשבץ חישני קרבה בקיר או בחפץ אחר כדי שיופעלו רק כתוצאה מתנועה מכוונת. כך מתאפשר לדלת להיפתח ללא מגע פיסי.
ביצוע של אופטימיזציה של בקרת הגישה יכול גם להוביל ליתרונות נוספים בצריכת האנרגיה. קיצור הזמן שבו הדלת נשארת פתוחה מבטיח את התחלופה הקצרה ביותר האפשרית בין האוויר החם או הקר מחוץ למבנה לבין האוויר הממוזג שבתוכו.
גילוי נוכחות
כדי לגלות כמה אנשים נמצאים במטוס, כמה מושבים פנויים באולם קולנוע, או מהי תפוסת המיטות בשטח של מחלקה בבית חולים, אפשר לספור את מספר הכרטיסים שנמכרו או את מספר האנשים הנוכחים, או שאפשר להניח למושב או למיטה, שכל אחד מהם מצויד בטכנולוגית חיישני הקרבה, לגלות בעצמם אם הם תפוסים או פנויים.
על ידי שימוש בריבוי של אלקטרודות חישה בכל מושב, אפשר לגלות לא רק אם הוא תפוס, אלא גם למדוד את גודלו ואת תנוחתו של היושב בו. אפשרות זו שימושית במיוחד כשמשתמשים בה בשילוב עם מערכות בטיחות של כריות אוויר ברכב.
צריכת אנרגיה במערכות המופעלות בסוללות
כמות האנרגיה המתבזבזת בציוד אלקטרוני כשאינו בשימוש מעוררת לאחרונה עניין רב בציבור. תצוגות ונוריות שנשארות במצב פועל וציוד שממשיך לצרוך הספק, גם כשהוא במצב כבוי, הם רק דוגמאות בלבד.
אך במקום לקבוע מגבלת זמן מסוימת לפני כיבוי התאורה האחורית או לפני העברת הציוד למצב המתנה, מדוע לא לגלות את נוכחות המשתמש ולהתאים את צריכת האנרגיה בהתאם?
יישומים המופעלים בסוללות יכולים להישאר במצב המתנה עד אשר חיישן הקרבה מגלה את התקרבותה של יד המשתמש. ההתקן יופעל במקרה כזה באופן אוטומטי. לאחר מכן, כאשר היד מתרחקת שוב, הממשק יכול לחזור למצב המתנה עם צריכת זרם נמוכה.
גילוי קרח
התכונות הדיאלקטריות של מים משתנות כשהמים עוברים למצב צבירה אחר מגז (אדים) לנוזל ולמים קפואים. לכן, כאשר אדי מים למשל הנמצאים בין שתי אלקטרודות עוברים למצב של קרח, ערך הקיבול שבין שתי אלקטרודות אלו ישתנה.
אפשר להשתמש בתופעה זו לצורך גילוי הצטברות של קרח בדפנות המקפיא, כדי למנוע היווצרות של אפקט איגלו, שם הקרח פועל למעשה כמבודד. בתנאים קיצוניים קרח שהצטבר יכול למנוע מהמדחס לקרר את המקפיא במידה הנדרשת, ולגרום בכך לבזבוז אנרגיה ולאוכל מקולקל.
בחירת הטכנולוגיה הנכונה
כאשר מתלבטים מהי הטכנולוגיה המתאימה לשימוש עבור כל אחד מהיישומים, עומד לרשותנו מדריך משוער: טכניקת קבל–נגד מתאימה במיוחד ליישומים שבהם אנו מצפים לתגובה “1” או “0”. אפנון המשרעת מאפשר למשתמש לזהות ולנטר את סיבית המצב “מעורפל” (fuzzy) שבין “1” ל–”0″ או אם לדייק יותר, את השינוי במצב. לפנינו טבלה פשוטה המתארת איזו טכנולוגיה תיושם בדרך הטובה ביותר עבור כל אחד מהיישומים:
בחירת הטכנולוגיה הטובה יותר
אפנון משרעת טכניקת נגד–קבל
גובה נוזל (רציף) לוח מגע
מרחק מתגים פועל/ כבוי
תכונות דיאלקטריות גילוי נוכחות בדיד
ביצועי EMI מעולים היעדר/נוכחות של נוזל
נוכחות של עד 15 ס”מ
לוחות מגע בסביבות קשות
טבלה 3
הפתרונות של Freescale
מזה עשר שנים שוקדת Freescale על מדידות בשדה החשמלי בסביבות קשות עם מודעות לאבטחה, עם כוונה מיוחדת לגילוי נוכחות של אנשים בסביבת הרכב. בנוסף לתיק המוצרים אנו מספקים ערכות הערכה שמאפשרות ביצוע ניסויים ובניית מערכות באופן מהיר ופשוט.
תיק המוצרים כולל שלושה תחומי מוצרים:
• מוצר ASSP אנלוגי שמספק את הרגישות הגבוהה ביותר
• פתרון מבוסס יחידת מעבד מיקרו עם נכס IP שפותח כדי לבצע כיול, סינון ואלגוריתמים אחרים לביטול הפרעת bounce שמוכוונים לפתרונות לוחות מגע.
• חבילת תוכנה עבור המוצרים S08 ו–ColdFire V1 שאותם הלקוחות יכולים לשלב בתוכנת היישום שלהם כדי לאפשר החלפת לחצן פשוט.
יישומים נוספים
ניתן להשתמש בטכנולוגיה המתוארת לעיל במטרה לחזק את האבטחה ואת המודעות של ציוד אוטומטי בדוגמאות הבאות:
• למטרת החלפה של המתג “האיש המת” (dead man) המכני הישן של בטכנולוגיה של חישני קרבה
• למטרה של אפשור למערכות רובוטיות לגלות נוכחות של אדם או בעל חיים כדי לשנות את מהירות המכונה ותנועתה בהתאם
• שילוב של חישת בקרת גישה אל תוך רצפה או קירות
יש אפשרויות אחרות רבות ליישום טכנולוגיה של חישני קרבה באמצעות שדה חשמלי, בה נכללים:
• הסתרת מתגי תאורה בתוך קירות גבס
• הצבת אלקטרודות מאחורי זכוכית כדי לפתח יישומי מסך מגע אינטראקטיביים
• גילוי נפח של נוזל וגובה נוזל
• פונקציות של בקרת גישה והגנה מפני היתפסות (למשל בחלונות אוטומטיים ובדלתות הזזה).
