Co nevibruje, zůstane špinavé, mokré a může i zmrznout

Zatímco u lidí bývá čistota určitou vizitkou a třeba i možností, jak se alespoň z půli dopracovat k pověstnému zdraví, v případě techniky již máme celou situaci malinko složitější.

Elektronika se totiž s vodou jen tak nekamarádí, a pokud se přesto nějaké očistě nevyhneme, znamená to zpravidla nejednu komplikaci. Jenže nebyly by to stroje ani různá zařízení, kdyby si nedokázaly znovu samy poradit i v této choulostivé záležitosti. Pokud má být ovšem celý proces efektivní, a ještě k tomu chytře postavený, na tradiční mechanické záležitosti zkrátka zapomeňte. Klíčem k úspěchu se totiž stávají tři písmena: ULC.

Nechť se to hezky vlní

Jak na to, ukázali vývojářům začátkem letošního roku kolegové ze společnosti Texas Instruments [1].

Obr. 1 Ať je přes to radost pohledět. Zašpiněné objektivy kamer nebo také jiných senzorů nemusí v provozu jen obtěžovat, ale s neustále rostoucím významem všudypřítomné elektroniky začínají rychle ohrožovat i samotnou bezpečnost [1]

V polovině ledna totiž představili první polovodičové součástky navržené speciálně pro účely technologie ULC, tedy „Ultrasonic Lens Cleaning“, jinými slovy též chipset umožňující nejen tradičním kamerovým systémům, které nás asi napadnou jako první, ale samozřejmě i dalším snímačům či senzorům rychle detekovat a následně odstranit vše, co na ně prostě nepatří – prach, špínu, nečistoty, a pokud to bude zapotřebí, rovněž i vodu, nebo dokonce led. Jak už název systému napovídá, čisticím prostředkem nebude nic jiného než mikroskopické vibrace. Chytré? Souhlasíme, určitě ano.

Kouzelný zde bude právě princip. Stačí si jen představit, co vše obnáší prosté odstranění nečistot z objektivů kamer klasickou cestou – a že to bývá v nejrůznějších provozech opravdu zapotřebí! Nic proti manuální práci, ale i když se bude jednat o pouhé jednotky případů, proč si tím často vynucovat dočasné odstavení systému nebo jindy zase riskovat, že nám budou rozličné mechanické součásti špatně fungovat, až se v krajním případě dokonce porouchají? A právě zde vstupuje na scénu nový čipset ULC od firmy TI složený ze dvou integrovaných obvodů, digitálního signálového procesoru (DSP), který svou příslušnost a také úzkou specializaci nezapře ani v názvu – ULC1001, doplněného o souputníka, budicí strukturu DRV2901 navrženou právě pro aplikace s piezo měniči (transducery). V základním přiblížení je oba sledujeme na obr. 2 a 3.

Obr. 2 Zjednodušený blokový diagram integrovaného obvodu ULC1001 odkazuje na jádro DSP,
pulzně-šířkovou modulaci, analogové měřicí rozhraní a samozřejmě externí budič vytvářející společný chipset [2]

Obr. 3 Piezo měniči se shunt rezistorem pro měření proudu
bude dále předřazen jednokanálový budič TI, DRV2901 zvládající až 48 V [3]

Co dokáže jedno QFN-HR s HTSSOP

Jak již bylo řečeno, chráněná technologie zde umožňuje, aby se kamery, např. v systémech strojového vidění, dokázaly rychle a zejména samy zbavit znečištění, a to na základě přesně dávkovaných, řízených vibrací, takže lze po zákroku znovu skloňovat bezpečnost, přesnost systému a třeba i menší požadavky kladené na jeho pravidelnou údržbu. Součástky se vším okolo sebe navíc nezaberou ani příliš mnoho místa a díky cenové dostupnosti se mohou brzy stát čestnou výbavou mnoha systémů či aplikací pracujících se snímači, klidně o různé velikosti.

Konfigurovatelný digitální signálový procesor ULC1001 pro ultrazvukové čištění [2] s pulzně-šířkovou modulací, napájením ze zdroje 3,3 V (IOVDD) a chráněnými algoritmy pro automatické snímání, čištění a také detekci teploty či možného selhání, ovšem bez jakéhokoli zpracování obrazu, oficiálním názvem pak „Configurable Ultrasonic PWM Modulator With I/V Sense Amplifiers“, se již sériově vyrábí, přičemž Texas Instruments pro jeho jádro – kontrolér, doplněný o trasu přijímače RX s analogově-číslicovým převodníkem a oběma vestavěnými zesilovači pro snímání proudu tekoucího piezo měničem, včetně souvisejícího napětí na zátěži, výstupní trasu TX, rozhraní I²C, nezbytné detekce či ochrany a třeba též blok potřebný k řízení napájení volí provedení pouzder typu QFN (quad flat no-lead) HotRod™ s 32 vývody a plochou o rozměrech 4,5 × 5,0 mm. Při odběru jednoho tisíce kusů za výsledek tvořivé činnosti zaplatíme přibližně šest a půl dolaru.

To v případě stejně tak již vyráběného budiče – doprovodného zesilovače DRV2901 s řadou vlastních ochran (Single-Channel PWM-input Piezo Transducer Driver for Ultrasonic Cleaning with Wide Supply Voltage, [3]) raději počítejte s provedením HTSSOP o 44 vývodech, na kterém sice za stejných podmínek ušetříte jeden dolar, ovšem na desce již budete zabírat hned 14,0 × 6,1 mm. Výrobce zde slibuje napájecí rozsah 12 V až 48 V nebo až padesát wattů špičkového výkonu. A pokud byste mezitím zatoužili po vývojové desce, pak vězte, že za ULC1001-DRV290XEVM, kterou v článku rovněž ilustruje obr. 4, účtují v Texasu 249 dolarů [4]. Integrované řešení s chipsetem ULC nám ve výsledku samozřejmě pomáhá výrazně snížit rozměry, stejně jako složitost návrhu, který se může za účelem čištění konečně obejít bez problematických mechanických částí a také zásahu ze strany člověka. Na desce plošného spoje totiž výsledek nemusí zabírat ani 25 × 15 mm. Zbytečně drahé, složité a samozřejmě nepraktické věci se zkrátka nenosí.

Obr. 4 Vývojová deska ULC1001-DRV290XEVM pro názornou demonstraci řešení s konfigurovatelným DSP – kontrolérem a navazujícím budičem akčního členu [4]

Zašpinilo se to? Tak ať se to samo i vyčistí

Pole působnosti pro systémy ULC odkazující na ultrasonické čištění objektivů, čoček, skel a prostě všeho podobného, co se může u kamer či senzorů v provozu běžně zašpinit, je neskutečně široké a z pohledu bezpečnosti či spolehlivosti se např. nevyhýbá ani oblasti automobilů a dopravy obecně, chytrých měst, průmyslové výroby apod., kde také počet nejrůznějších snímačů nejen že neustále roste, ale raketově zde stoupá i jejich samotný význam. Stačí si jen vybavit pokročilé systémy ADAS asistující nepřetržitě řidičům. Ostatně, koho již např. někdy nerozčílila špinavá parkovací kamera? A to je přitom ještě to nejmenší! A pak zde samozřejmě máme tolik oblíbené drony nebo termovizi, bezdrátové zabezpečovací kamery, systémy počítačového vidění atd. Určitě je na co se těšit.

Flexibilní řešení se však nemůže nechat zahanbit a ve společnosti Texas Instruments proto u svého konfigurovatelného modulátoru ULC1001 s podporou přímého, vysoce efektivního řízení v kmitočtovém pásmu od 25 kHz až do 5 MHz a také s požadavkem na vnější hodiny – oscilátor (doporučeno 10 MHz a 5 ppm) uvažují hned několik integrovaných režimů pro čištění. Bude se jednat o „nakládání“ s vodou (Water), námrazou (Deice) a také blátem (Mud), automatické čištění (Auto-Cleaning) nebo i vlastní přístup (Custom). Tomu dle dokumentace rovněž odpovídají činnosti, jako je např. vypuzování společně s rozpuštěním nebo vysoušením. Embedded algoritmy se poté dotýkají otázek spojených s kalibrací, automatickou detekcí materiálu, regulací výkonu či diagnostikou samotného systému (hlášení o chybě, teplotní regulace apod.). Další informace, včetně názorných nákresů, mohou zájemci najít v [5] a [6].

robenek@dps-az.cz