Laaglandse sensoren te land, ter zee en in de ruimte

Nieuws Rosmalense start-up bewaakt energieverbruik op chip

Nieuws Omniradar maakt zich klaar voor marktbestorming

2

Maandelijks magazine voor de hightechindustrie // 1 maart - 29 maart 2013 // www.bits-chips.nl

Laaglandse sensoren te land, ter zee en in de ruimte

Design for Six Sigma programma Nieuwe producten en processen moeten in steeds

Integratie met het Product Creatie Proces

kortere doorlooptijden ontwikkeld worden, in één

Het Design for Six Sigma (DfSS) programma behandelt de IDOV methode voor het ontwikkelen van nieuwe producten én de DMAIC

keer goed en met de juiste kwaliteit. Met complexe producten gebeurt dat in multidisciplinaire teams van

verbetermethodiek. Deze methodes worden geplaatst binnen het bedrijfsspecifieke Product Creatie Proces. Het doel is de oplevering

specialisten van diverse organisaties en nationaliteiten.

van een robuust product dat voldoet aan de eisen van de klant,

Een gestructureerde ontwikkelaanpak met de

op tijd (Time to Market) en

universele Design for Six Sigma methodiek is daarbij

binnen budget. Deze opleiding wordt gegeven in samen werking

een geweldig hulpmiddel voor u om geplande

met IBIS Universiteit van

marktintroducties van succesvolle producten te

Amsterdam onder leiding van

realiseren.

Business Case

Prof. Dr. Jeroen de Mast.

Specificatie

Definitie

Ontwerp

Implementatie

DfSS Black Belt 23 t/m 26 april • 25 t/m 28 maart • 14 juni 20 13 t/m 11 • i me 21 t/m 24

Aanmelden: tive.nl ww w.holland-innova

Verificatie

Nazorg

Productleiderschap: ‘de factor 10’ Wat betekent het voor uw business als de specificaties aan het begin

Of welke parameters veroorzaken variatie? Wat als uw “Cost of

van uw project helder zijn? Als u inzicht heeft in de risico’s in uw

Non-Quality” een stuk lager zouden liggen?

product ontwikkeling? Als u weet welke parameters belangrijk zijn

Al deze vragen liggen ten grondslag aan Productleiderschap.

en welke juist niet?

Daag ons gerust uit en sta versteld van de kracht van de aanpak!

Resultaten

Het Holland Innovative Huis:

High Tech Campus 9 β-Technology Center 5656 AE Eindhoven

De kern

De resultaten

Round Table Meetings

Executive Events

Reliability

Product- en Procesontwikkeling

Project Management

Trainingen en Seminars

User Groups

Holland Innovative BV: • Voor oplossingen in projectmanagement, procesverbetering en productbetrouwbaarheid • 30 Professionals met ervaringsniveau van meer dan 20 jaar • Marktgebieden: HighTech & Automotive, Solar&Energy, Zorg, Agro&Food

De enablers

T +31 40 85 14 611 E [email protected] W www.holland-innovative.nl

Focus on complex business processes

Opinie Redactioneel

Leren programmeren

D

Nieke Roos is hoofdredacteur van Bits&Chips.

e vakman is aan het uitsterven. Het televisieprogramma ‘Man bijt hond’ volgde vorige week een middenstander die na 38 jaar stopt met zijn winkel in onderdelen voor koelkasten, stofzuigers en wasmachines. De goede man gaat het rustiger aan doen en heeft geen opvolgers. Bovendien legt hij het op prijs af tegen de grote witgoedketens met hun inkoopvoordelen. Zo verdwijnen er steeds meer speciaalzaken uit het straatbeeld. Extra jammer is dat daarmee ook een heleboel expertise verloren gaat. Als er vroeger een apparaat stukging, brachten we het naar de vakman op de hoek. Die haalde zijn gereedschapskist tevoorschijn, ontmantelde de boel, verving een condensatortje hier en een zekeringetje daar, en het ding werkte weer. We konden er bij wijze van spreken op wachten. Nu zijn we overgeleverd aan de super stores. In plaats van er zelf aan te gaan sleutelen, sturen die de kapotte elektronica zonder blikken of blozen naar de fabrikant, die de reparatie weer uitbesteedt. We mogen blij zijn als we het apparaat een maand later weer in huis hebben, en onze handjes dichtknijpen als het euvel ook daadwerkelijk is verholpen. Vaker komt het ding ‘gerepareerd’ terug maar is het gewoon nog steeds kaduuk. Of reparatie blijkt duurder dan vervanging. Natuurlijk is de garantietermijn dan net verlopen, zodat we het volle pond mogen betalen om een nieuw exemplaar aan te schaffen. Dat werkt de weggooicultuur van de laatste dertig jaar alleen maar in de hand (zie de column van Joachim Burghartz op pagina 15). Voor een belangrijk deel is deze ontwikkeling het gevolg van de toegenomen systeemcomplexiteit. In de tijd dat apparaten nog puur mechanisch waren, kwamen reparateurs een heel eind met alleen werktuigbouwkundige kennis. Later deed de elektronica haar intrede en moesten ze ook wat afweten van schakelingen. Vandaag de dag voert software de boventoon en zouden enige programmeervaardigheden goed van pas komen. Juist daar lijkt het echter aan te ontbreken.

Zo heb ik mijn autoradio onlangs laten nakijken bij de garage omdat hij kuren vertoont: te pas en te onpas springt hij op stil en vertoont het display de melding ‘Phone’, alsof er in de buurt een telefoon overgaat. Alleen een koude herstart biedt dan nog soelaas. Ik heb het sterke vermoeden dat dit probleem softwarematig te verhelpen is, bijvoorbeeld door de telefoonfunctie uit te zetten. Bij mijn garage komen ze echter niet verder dan de kabeltjes controleren en, wanneer dat niks oplost, mij de keuze bieden tussen opsturen ter reparatie of een nieuwe radio. In beide gevallen mag ik diep in de buidel tasten. Het is de reparateurs van tegenwoordig niet euvel te duiden. Als ze al de mogelijkheid hebben om de embedded software te (her)programmeren, dan zijn er maar wei-

De scholing is niet meegeëvolueerd met de apparatuur nig die daar ook daadwerkelijk kaas van hebben gegeten, is mijn indruk. De scholing is niet meegeëvolueerd met de apparatuur. Ik zou niet weten welke techniekopleiding buiten informatica hardcore code kloppen in het curriculum heeft staan. De rol van software wordt alleen maar groter en daarmee de noodzaak om deze discrepantie op te heffen. De KNAW wil een verplicht vak informatica in de onderbouw van havo en vwo, maar voor mij kunnen we er niet vroeg genoeg mee beginnen. Onder meer president Obama, WWW-oprichter Tim Berners-Lee en de Britse tak van Microsoft pleitten er onlangs voor om basisschoolkinderen al programmeren te leren. Prima idee. Kan mijn dochtertje van één over een paar jaar mooi mijn autoradio fiksen.

2|3

Inhoud Deze keer in Bits&Chips

10

26

Nieuws

Rosmalense start-up maakt draadloze sensornode zes keer zuiniger

De powermanagementchip van Anagear houdt de stroomtoevoer naar de microcontroller en de radio in een draadloze sensor onder de duim.

15 Iknietbengektoch

In 140 woorden Overzicht Rosmalense start-up maakt draadloze sensornode zes keer zuiniger Nieuwe tool maakt multicoreperikelen inzichtelijk Lage landen schitteren opnieuw op ISSCC De wetenschap is op, maar innovatie niet Moleculaire assemblagelijn bootst biologisch hoogstandje na

Opinie

3 13 15 19 25 29 67

4|

Leren programmeren – Nieke Roos De headhunter – Anton van Rossum Ik ben toch niet gek – Joachim Burghartz =Spreadsheet(Business;Risico) – Derk-Jan de Grood Rotte software – Jeroen Bouwens De communicatietrainer – Jaco Friedrich Hup Hue hup – Joost Backus

2

Verpleegoproepsysteem wordt multifunctioneel communicatiecentrum In opdracht van Ascom ontwikkelde 3T een multifunctioneel communicatieplatform voor verzorgings- en bejaardentehuizen.

landen schitteren 16 Lage opnieuw op ISSCC

Nieuws

7 8 10 14 16 22 24

Achtergrond

is op, 22 Demaarwetenschap innovatie niet

Tech-kiek

20 Verkeer en vervoer

Achtergrond

26 Verpleegoproepsysteem wordt multifunctioneel communicatiecentrum

En verder

68 69 72 75

Trainingen Events Wegwijzer Colofon

Thema Sensoren

32

58

Nieuws

Achtergrond

Afgelopen augustus zag Omniradar de eerste prototypes van zijn eenchipradar van de band rollen bij NXP.

De sensor van AMC-spin-off Microvision voor haarvaatjes is hard op weg om te behoren tot de standaarduitrusting van het ziekenhuis.

Eindhovense starter stoomt eenchipradar klaar voor de markt

groeit uit 36 totSensorsysteemchip

Bewegingen meten 40 zonder draadje

Nieuws

32 Eindhovense starter stoomt eenchipradar klaar voor de markt

Achtergrond

36 40 44 47 50 54 58 60 61 62 64

Bloedvatsensor maakt doorstart op intensive care

Sensor groeit uit tot systeemchip Bewegingen meten zonder draadje Positiebepaling in een Zigbee-sensornetwerk Mems-sensoren volgen scheepsbewegingen langs zes assen Op naar een vierkante kilometer antenneoppervlak Radiotelescoop zwermt uit rond de maan Bloedvatsensor maakt doorstart op intensive care CMosis en de renaissance van een Leica Sensoren bewaken de koude keten Sensorkastjes houden luchtkwaliteit Eindhoven realtime in de gaten Overkoepelend systeemmodel maakt slimme sensornetwerken toekomstbestendig

naar een vierkante 50 Opkilometer antenneoppervlak

Opinie

43 Sensorkakofonie – Anton Duisterwinkel

In bedrijf

48 Microflown 56 Caeleste

2|5

Tim Groeit En jij? Persoonlijke groei, dat vinden wij belangrijk. Groeien

professionals werken voor en bij klanten zoals ASML,

als mens, groeien als professional. Wij bieden jou als

Océ, Philips en TomTom. Op dat allerhoogste niveau

embedded software of hardware expert de ruimte en de

kun jij je talent en ambities optimaal ontwikkelen. Op dat

®

mooiste merken. Zodat jij Groeit .

®

niveau kun je wérkelijk groeien. Als professional en als ®

mens. Wij bieden je de kans. Zodat jij Groeit . Onze arbeidsvoorwaarden en ons Employment Benefit Program zijn uitstekend. Zeker zo belangrijk is dat je bij

TOPIC zoekt Software- & Hardware-engineers.

TOPIC een unieke kans krijgt om jezelf te ontwikkelen

Interesse?

in de top van de markt. Onze software en hardware

Kijk snel op www.topic.nl voor onze vacatures.

Topic. Blijf groeien

Analyse In 140 woorden

Innovatie

Te weinig geld voor R&D Terwijl het mondiale financiële systeem zich herpakt, blijft er te weinig geld over voor langetermijninvesteringen in R&D, scholing en infrastructuur, kortom: voor zaken die nodig zijn om de economie van morgen op gang te houden. Dat stelt de Group of Thirty, een financiële denktank die gezien zijn bezetting ofwel respect afdwingt ofwel complottheorieën inspireert. ‘Er zijn vergaande hervormingen nodig in het internationale financiële systemen om ervoor te zorgen dat aan de stijgende vraag naar langetermijnkapitaal kan worden voldaan’, zegt G30-lid en oud-president van de Europese Centrale Bank Jean-Claude Trichet. Nu banken hun balansen versterken en pensioenfondsen onder druk staan, is er eigenlijk maar één kapitaalbron over: spaargeld. Overheden en toezichthouders zouden financiële instrumenten mogelijk moeten maken om een brug te slaan tussen dit geld aan de zijlijn en de behoeftes van de toekomst. PvG

Onderzoek

Chemie schrikt wakker Een paar jaar geleden, toen Point-One nog als zelfstandige entiteit bestond, stampvoette het mkb dat het te weinig R&D-subsidie kreeg. Bij invoering van het topsectorbeleid klom de wetenschap op de barricaden, bang om naar de pijpen van het bedrijfsleven te moeChemie versus hightech ten dansen. En nu? Nu zijn de grotere beProductie Toegevoegde Export R&D Fte drijven aan de beurt. waarde (x 1000) Dertien daarvan, Chemie 90 15 28 0,7 80 vooral uit de chemische hoek, willen met Hightech 95 32 41 2,6 444 minister Kamp (EZ) Topsectoren 429 141 149 5,0 1435 in gesprek, omdat zij vinden dat hun De hightechindustrie is goed voor meer dan de helft van alle onderzoek te weinig R&D die wordt uitgevoerd binnen de topsectoren. Alle cijfers wordt ondersteund. hebben betrekking op 2010. Bedragen in miljard euro. Tja. Twee jaar lang Bron: Monitor Topsectoren, opgesteld door het CBS prees het bedrijfsleven het topsectorbeleid de hemel in, maar nu de bezuinigingen landen, klinkt ineens een klaagzang. Laat de chemie een voorbeeld nemen aan de hightech, dat zijn eigen zaakjes allang keurig heeft geregeld en alternatieve financiering voor het Esi, het Holst Centre en (binnenkort) M2I heeft gevonden. PvG

Onderzoek

Hocus-pocus-wetenschap In deze tijd kan het best verstandig zijn om als onderzoeksinstituut een wit voetje in China te halen. In dat licht bezien, is het niet zo gek dat TNO in een persbericht hoog van de toren blaast over het combineren van westers medicijnonderzoek met traditionele Chinese geneeskunde. Een kwalijke zaak. De boosdoener is niet zozeer het project zelf, maar de boodschap van het bericht: de westerse wetenschap is niet perfect en de duizenden jaren oude oosterse wijsheid, gebaseerd op ongeteste hypotheses en onderbuikgevoelens, vult dit hiaat op. Door deze aanpak te valideren, ondermijnt TNO het aanzien van de wetenschappelijke methode. Als andere gerenommeerde instituten zich ook zo zouden opstellen, is het wachten op programmeurs die bugs wijten aan een onbalans van krachten en aankomende elektrotechnici die Qi-tronica willen studeren. PE Zonnecellen

Europese PV in tweeën De Europese PV-keten splijt in tweeën nu de Europese Commissie importtarieven op Chinese zonnecellen overweegt. Fabrikan-

ten van zonnecellen of -modules zijn vanzelfsprekend voor; een aantal van hen heeft zelfs op de maatregelen aangedrongen in Brussel. De installatie- en servicebranche daarentegen vreest vraaguitval als gevolg van hogere prijzen. Ook menig PV-machinebouwer ziet liever dat zijn Chinese klanten niet over tariefmuren hoeven te klim-

Foto: Tempress

men. Vanuit Nederland sloten onder meer Solaytec en Tempress zich daarom aan bij de Alliance for Affordable Solar Energy, een lobbygroep die de importtarieven probeert tegen te houden. De twee facties kruisten laatst de degens, toen de Afase een rapport presenteerde met alle schadelijke gevolgen die importtarieven zouden hebben, ook op de werkgelegenheid. Pijnlijk detail: dezelf-

de dag gingen er weer twee Europese PVfabrikanten failliet. PvG Software

Ann Droid en de Werkelijkheid van het Orakel Voor softwareontwikkelaars die aanhikken tegen een grote codereview: prijst u gelukkig, u bent eigenlijk een literair werk aan het lezen. Mei vorig jaar oordeelde de rechter dat Api’s niet onder copyright vallen en dat Google voor Android best een eigen Java-implementatie mag maken met dezelfde functienamen als de officiële versie van Oracle. Dat gaat nu echter in beroep met een amusante vergelijking: ‘Ann Droid wil een bestseller publiceren. Ze pakt een voorpublicatie van een Harry Potter-boek en kopieert letterlijk de hoofdstuktitels en de sleutelzinnen van elke paragraaf, de rest schrijft ze zelf. Dan publiceert ze het boek snel voordat het origineel uitkomt. Als J.K. Rowling haar aanklaagt, zegt ze dat de meeste woorden zelf geschreven zijn en dat ze alleen delen heeft gekopieerd die nodig zijn om aan te haken bij Harry Potter-fans. Zo’n verdediging zou uiteraard falen.’ PE

2|7

Nieuws Overzicht Printindustrie Mutracx harkt zes miljoen binnen PCB-jetspin-off Mutracx heeft zes miljoen euro aan nieuw kapitaal vergaard. De investe-

ringsronde wordt geleid door de bestaande kapitaalschieters Brabantse Ontwikkelingsmaatschappij, Simal, Sioux en het Mutracx-management. Nieuw is de inbreng van een investeringsconsortium onder leiding van Nausicaa Ventures. AP /mutracx

Halfgeleiders Axiom IC breidt uit met eigen chips UT-spin-off Axiom IC is begonnen met een kapitaalronde om eigen chips op de markt te zetten. Het bedrijf levert diensten en IP-bouwblokken rond AD- en DA-conversie, maar ziet binnen drie tot vijf jaar een markt weggelegd van honderdduizenden stuks voor een eigen IC voor high-end audioversterkers. PE /axiomic NXP verbetert omzet Het laatste kwartaal van 2012 heeft NXP 1116 miljoen euro omgezet, een vijfde meer dan in K4 van 2011. Het verlies daalde daarbij van 182 naar 116 miljoen. Heel 2012 verbeterden de inkomsten met vier procent tot 4358 miljoen euro. De winst kwam marginaal lager uit op 429 miljoen. PE /nxp

Medisch

een pilotlijn de roll-to-roll- Vici-subsidie voor productieprocessen naar het 32 onderzoekers Philips trekt eigen plan vereiste kwaliteits- en betrouw- NWO deelt 32 Vici-subsidies uit, voor medische beeldvorming baarheidsniveau te tillen. De pi- een beurs van anderhalf miljoen in China lotlijn moet in september 2015 euro waarmee een wetenschapPhilips Healthcare trekt zich operationeel zijn. PvG per gedurende vijf jaar zijn terug uit zijn Chinese joint ven- /flexofab eigen onderzoeksgroep kan opture voor beeldvormende apzetten. Drie van deze subsidies paratuur met Neusoft Medical. zijn bestemd voor medewerkers Het neemt daarbij honderd tot Draadloos van een TU: Eelco Visser van de honderdvijftig CT-specialisten TU Delft, Bettina Speckmann mee voor een nieuw ontwikkel- Option op zoek naar van de TUE en Pepijn Pinkse centrum in Shenyang. De rest 9 miljoen euro van de UT. PE wordt samengevoegd met de Option heeft niet vijf, maar /vici R&D-afdeling van het Chinese negen miljoen euro aan verse bedrijf, dat ook actief blijft in investeringen nodig om zijn toe- EU steekt miljard in grafeen komst veilig te stellen. In okto- en brein CT-apparatuur. PE /philipshealthcare ber kondigde het de kapitaalron- De Europese Commissie heeft de aan, maar erg soepel lijkt het Graphene en het Human Brain MRI-versnellerconsortium nog niet te verlopen. Eind 2012 Project (HBP) aangewezen als krijgt Amerikaans had het nog 3,2 miljoen euro winnaars van de wedstrijd Fugezelschap aan cash op de rekening staan. PE ture and Emerging Technologies. Het MD Anderson Cancer Center /option Beide onderzoeksprojecten kunuit Houston sluit zich aan bij het nen de komende tien jaar rekeonderzoeksconsortium van Phinen op een miljard euro financielips, Elekta en het UMC Utrecht Onderzoek ring elk. De EU neemt hiervan de voor tumorbestraling in een helft voor haar rekening. PvG /euprojecten MRI-scanner. Het Amerikaanse 150 miljoen voor fundamenteel onderzoek Het kabinet heeft bekendge- Egbert-Jan Sol bijzonder maakt hoe de in het regeer- hoogleraar in Nijmegen akkoord aangekondigde hon- De Radboud Universiteit Nijderdvijftig miljoen euro voor megen heeft Egbert-Jan Sol befundamenteel onderzoek zal noemd tot bijzonder hoogleraar worden ingevuld. Honderd mil- researchstrategie en -managejoen ervan zal via NWO zijn weg ment. In deze hoedanigheid gaat naar onderzoekers vinden. De hij het gelijknamige keuzevak instituut is een van de wereld- resterende vijftig miljoen wordt geven binnen de masteropleiwijde topcentra voor onderzoek – ook via NWO – geïnvesteerd in dingen van de faculteit Natuuren behandeling van kanker. Het publiek-private Topconsortia wetenschappen, Wiskunde en Informatica. Daarnaast neemt is de tweede klinische partner in voor Kennis en Innovatie. PvG /150miljoen hij de begeleiding op zich van het consortium. PE /mriversneller onderzoekers en promovendi UT haalt banden met op zijn expertisegebied. NR /sol Groningen aan Verlichting De Universiteit Twente gaat nauwer samenwerken met de RijksEU-project maakt flexibele universiteit Groningen en het Zonnecellen oledverlichting marktrijp Groningse UMC. De drie partijen Een consortium onder leiding willen geld vrijmaken om meer Solaytec verkoopt eerste van het Holst Centre heeft fi- gezamenlijke projecten te finan- productiemachine nanciering van de Europese cieren en iemand aanstellen om Solaytec verscheept nog dit Unie gekregen om flexibele de samenwerking te coördineren. kwartaal zijn eerste ALD-producoledverlichting marktrijp te Dit voorjaar willen zij de samen- tiemachine en denkt er dit jaar nog eens vier te kunnen verkomaken. Het Flex-o-Fab-project werking op schrift stellen. PE pen. Het rekent uiteindelijk op beoogt met de constructie van /utrug

De volledige artikelen zijn te vinden op www.bits-chips.nl/nr2 gevolgd door het label bij het betreffende stuk.

8|

2

Ruimtevaart

vroege traject van conceptstudie tot technologiedemonstratie. NR /thales

Dutch Space heeft nieuwe CEO Sinds 1 februari is Arnaud de Jong de nieuwe CEO van Dutch Microscopie een aandeel van dertig procent Space. Hij vervangt Bart Reijnen, in een markt van naar schatting die doorschuift naar een topposi- Forse omzetgroei voor Fei tweehonderd machines. Solay- tie bij moederbedrijf Astrium. De Voor het derde jaar op rij ziet tecs technologie verhoogt het Jong stond de laatste vijf jaar aan Fei zijn jaaromzet spectaculair rendement van zonnecellen met het roer bij de divisie Training & stijgen. De elektronenmicroscorelatief weinig investeringen. PvG Flight Operations Services van penbouwer verkocht voor 892 /solaytec miljoen dollar aan producten defensiezuster Cassidian. NR /dutchspace en diensten, bijna acht procent NVWA waarschuwt voor meer dan het jaar ervoor. De zonnepanelen Scheuten nettowinst steeg met bijna elf De Nederlandse Voedsel- en Defensie procent naar 115 miljoen. PE /fei Warenautoriteit (NVWA) heeft een waarschuwing uitgedaan Thales opent over een bepaald type zonne- radarexpertisecentrum Elektronica panelen van Scheuten Solar. in Singapore Panelen van het model Multisol Thales Nederland krijgt een R&Dzouden door een gebrekkige dependance in Singapore. Met lo- Goede cijfers, mindere elektrische aansluiting brand- kale bedrijven en kennisinstitu- vooruitzichten Philips gevaarlijk zijn en al minstens ten gaat het Centre of Excellence Philips heeft zijn omzet opgevijftien dakbranden hebben voor Radar en Geïntegreerde krikt van 22,6 miljard euro in veroorzaakt. In Nederland heb- Sensoren daar technische oplos- 2011 naar 24,8 miljard in 2012. ben zich voor zover bekend nog singen ontwikkelen die het Hen- Daarbij behaalde het een netgeen incidenten voorgedaan. PvG gelose portfolio aanvullen. Het towinst van 231 miljoen euro, /scheuten gaat hierbij voornamelijk om het tegen een verlies van bijna 1,3 miljard in 2011. De kortetermijnvooruitzichten zijn niet

rooskleurig, maar Philips verwacht dat de omstandigheden later dit jaar aantrekken. PvG /philips

Halfgeleidermachines Aandeelhouders Cymer keuren overname door ASML goed Cymers aandeelhouders hebben op een buitengewone vergadering ingestemd met een overname door ASML. Nu moeten de autoriteiten in diverse landen nog groen licht geven. ASML verwacht geen obstakels en gaat ervan uit de transactie à 1,95 miljard euro nog in de eerste helft van dit jaar te kunnen afronden. PvG /cymer

Meest geklikt

1.

1

Consumentenelektronica

Philips ruimt consumentenelektronica op Philips draagt zijn audio-, accessoire-, multimedia- en videoactiviteiten over aan het Japanse Funai. Dat betaalt honderdvijftig miljoen euro plus 5,5 jaar licentiekosten voor gebruik van de Philips-merknaam, met een optie voor nog eens 5,5 jaar. De transactie wordt naar verwachting later dit jaar afgerond. PvG /philipsce

2 Elektronica

Neways sluit vestiging Echt Neways Electronics Echt gaat dicht. De vestiging

ontwikkelt, assembleert en test industriële besturingselektronica. Deze activiteiten en het bijbehorende machinepark herverdeelt Neways over zijn andere locaties. De honderd vaste medewerkers probeert het ook zo veel mogelijk elders in de organisatie onder te brengen. NR /neways

3 Zonnecellen

Bosch schrijft PV-divisie volledig af Robert Bosch heeft na een afschrijving van zeshonderd miljoen euro zijn solartak voor nul euro in de boeken staan. De in 2008 opgerichte PV-divisie leed vorig jaar ook

nog eens een operationeel verlies van 450 miljoen. Bosch beraadt zich op de toekomst van de geldverslindende solaractiviteiten. PvG /bosch

4 Innovatie

‘Topsectorbeleid dreigt te mislukken’ Dertien grote bedrijven beklagen zich in een brandbrief aan minister Kamp van Economische Zaken dat hun onderzoeksactiviteiten te weinig steun van de overheid krijgen. Zij waarschuwen dat het topsectorbeleid op een mislukking dreigt uit te lopen. Onder de briefschrijvers domineren de chemiebedrijven,

waaronder Akzonobel, DSM en Unilever. PvG /topsectorbeleid

5 Medisch

Medische apparatuur groeimarkt in Nederland De uitgaven aan medische apparatuur in Nederland stijgen tot en met 2015 met gemiddeld vier procent per jaar, voorspelt de ING. In 2011 werd er 464 miljoen aan besteed. Het bedrag is nog wel een schijntje vergeleken met de 77 miljard die in totaal aan de zorg wordt uitgegeven. PE /medischgroeimarkt

2|9

Nieuws Chipontwerp

N

a er ruim twee jaar onder de radar aan te hebben gewerkt, trad fabless halfgeleiderbedrijf Anagear uit Rosmalen onlangs voor het voetlicht met zijn eerste product. De ANG1010 is een powermanagementchip voor toepassingen die zeer weinig energie verbruiken. De start-up richt zich met name op draadloze sensornetwerken die bijvoorbeeld in huis worden gebruikt voor beveiliging, lichtregeling of rookdetectie. Door de stroomtoevoer naar de sleutelcomponenten nauwkeurig te regelen, weet het IC de totale energieconsumptie van het systeem drastisch terug te brengen. In stand-by scheelt het meer dan een factor zes. Een draadloze sensornode bestaat typisch uit een microcontroller die de regie voert en de meetgegevens uitleest, en een radiochip om die data te versturen. Traditioneel zijn beide via powerelektronica zoals DC-DC-converters en low-dropout-regelaars (LDO’s) verbonden met een centrale energievoorziening. Dit kan een gewone batterij zijn of een energy harvester, waarbij een separaat managementsysteem de energie buffert in een oplaadbare batterij of supercapaciteit. Zowel de MCU als de radio heeft bovendien een eigen kwartskristal voor de interne klok. Anagear pakt een heleboel van deze functionaliteit samen in één chip. Aan de ene kant heeft het Rosmalense IC ingangen voor een coin cell en een zonnepaneeltje, dat via een boostconverter met power point tracking is verbonden met een externe oplaadbare batterij of supercap. Aan de andere kant biedt het twee afzonderlijk regelbare spanningsdomeinen waarop de microcontroller en de radio zijn aan te sluiten. Verder heeft de chip onder meer een 12 bit ADC aan boord om een externe sensor te monitoren, alsook EEPromen Ram-geheugen, een eigen on-chip klokpulsgenerator en een kwartskristaloscillator.

» HMI. Clearly ahead of its time « Technology made for the world of tomorrow » » » »

Modern edgeless design PCAP 15.6"– 22" multi-touch display 10.4"– 17" resistive-touch display 4:3 and 16:9 format

Micro Client 3/ 3W New Dimension of Visualization Control of Production Lines

Het dubbele

OmniClient Performance at its best Complex Factory Automation Applications

Learn more about Kontron HMIs at www.kontron.com/ hmi

The pulse of innovation

10 |

2

24_eu_95x235_UpdateNov2012_Bits&Chips.indd 1

18.02.2013 16:45:0

‘Microcontrollers en radiochips worden steeds kleiner. Hoe kleiner de geometrie, hoe groter echter de lekstroom en hoe groter dus het stroomverbruik. De meest recente MCU van TI, de MSP430 alias ‘Wolverine’, zit bijvoorbeeld op 700 tot 800 nA in stand-bymodus, de allernieuwste radio zelfs op 2,5 tot 3 µA’, vertelt Guus Dhaeze, vicepresident marketing en sales bij Anagear. ‘In onze oplossing is onze chip de enige die in de slaapstand energie consumeert. En doordat we niet de meest geavanceerde procestechnologie gebruiken maar standaard CMos voor analoge componenten, trekt de ANG1010 slechts 600 nA in stand-by. We leveren daarnaast een speciale variant die met een interne klokfrequentie van 4 kHz in ruste slechts 250 nA nodig heeft.’ Ook in actieve modus is de Anagear-oplossing zuiniger dan een traditionele draadloze sensornode, stelt Dhaeze. ‘Veel microcontrollers werken met een spanningsbereik, bijvoorbeeld van 1,8

Rosmalense start-up maakt draadloze sensornode zes keer zuiniger Anagear heeft een powermanagementchip ontwikkeld die de stroomtoevoer naar de microcontroller en de radio in een draadloze sensornode nauwkeurig regelt en de totale energieconsumptie daarmee drastisch reduceert. Nieke Roos

tot 3,6 V. Hoe hoger het voltage, hoe hoger echter ook het energieverbruik. Wij hebben een heel efficiënte programmeerbare DCDC-converter aan boord die de microcontroller steeds precies die voedingsspanning aanbiedt die hij minimaal nodig heeft. Een programmeerbare LDO doet hetzelfde voor de radio. Deze voltage scaling-techniek houdt het stroomverbruik zo laag mogelijk als de chips actief zijn.’ Daarbij bespaart de Rosmalense oplossing energie door de MCU alleen te wekken als er iets aan de hand is. ‘De ingebouwde ADC houdt autonoom alle kritieke parameters in de gaten, zoals de temperatuur en de verschillende voltages’, verklaart Dhaeze. ‘Bovendien is er een externe analoge sensor op aan te sluiten waarvan hij de meetwaarde kan vergelijken met programmeerbare onder- en bovengrenzen. Zolang die daartussen blijft, houdt hij de microcontroller in slaap. In plaats van zelf voortdurend de sensor te monitoren, wordt de MCU alleen wakker als de ANG1010 alarm slaat.’ Door het lagere energieverbruik gaat de batterij langer mee of volstaat een kleiner exemplaar. Meestentijds zal het Anagearsysteem echter draaien op een zonnepa-

neeltje ter grootte van een paar vierkante centimeter. ‘Daar hebben we doorgaans genoeg aan’, zegt Dhaeze. ‘We mikken weliswaar op indoor toepassingen, waar we het moeten doen met zo’n honderd tot tweehonderd lux aan omgevingslicht, maar de 20 tot 200 µA die het paneeltje daaruit peurt, is ruim voldoende voor onze behoefte. Mocht er minder of zelfs helemaal geen licht zijn, bijvoorbeeld gedurende langere tijd in een donkere omgeving, dan putten we eerst uit de energiebuffer en als die leeg is, spreken we de batterij aan. Zo blijft het systeem te allen tijde beschikbaar.’ Anagears powermanagementchip drukt de kosten verder door een aantal componenten overbodig te maken. ‘Doordat de ANG1010 een boostconverter en batterijen vermogenbeheer ingebouwd heeft, hoef je geen aparte energieoogster toe te voegen. Ook heb je geen losse DC-DC en LDO meer nodig. De microcontroller en de radio hoeven bovendien geen eigen kristallen te hebben omdat ze van ons een kloksignaal krijgen. Dit alles geeft een aanzienlijk lagere bill-of-materials: waar de ANG1010 zo’n tweeënhalve dollar kost bij een afname van duizend stuks, ben je anders bijna het dubSinds kort heeft Anagear een ontwikkelkit beschikbaar, bestaande uit een evaluatiebordje, een zonnepaneeltje, bekabeling en een USB-stick met de benodigde software en documentatie. Via een USB-verbinding met een Windows-pc en een eenvoudige Gui is het mogelijk om de registers in de ANG1010 uit te lezen en te beschrijven. Op het relatief grote maar daardoor gemakkelijk toegankelijke bordje heeft de powermanagementchip onder meer gezelschap van verschillende meetpinnen, een supercap en een socket voor een coin cell.

bele kwijt aan die extra componenten. En je bespaart oppervlakte op je printplaat.’

Engineeringsample De oorspronkelijke opzet van de ANG1010 is afkomstig van Peter Kamp. De huidige CEO van Anagear werkte lange tijd als manager analoog design bij het Europese ontwerpcentrum van Sierra Semiconductor in ’s-Hertogenbosch. Met een aantal collega’s zette hij het centrum in 1994 op eigen benen als SitelSierra, dat twee jaar later in handen kwam van National Semiconductor en zich in 2005 weer losmaakte. Kamp bleef echter bij National. In 2007 verkaste hij naar de kersverse Bossche ontwerpclub van H-Stream Wireless, om een jaar later met Anagear aan zijn eigen powermanagement-IC te beginnen. ‘We hebben het bedrijf met zijn vieren opgericht’, vult Dhaeze aan, die zelf ook meer dan dertig jaar ervaring heeft in de halfgeleiderindustrie. ‘Met Manjo Nijrolder, de huidige VP engineering, en Dirk Smits, die nu voor ons business development doet in Amerika, heeft Peter nog gewerkt bij National Semiconductor, ik ben een oud-collega uit de Sierra-tijd. De bv stamt uit 2009, maar in mei 2010 zijn we echt van start gegaan met financiële ondersteuning van het Point-One Innovation Fund en Technostars. Inmiddels hebben we ook de Bom als investeerder en zijn we gegroeid naar acht man, van wie vijf design-engineers.’ De eerste chip rolde afgelopen december van de band bij productiepartner X-Fab in Maleisië. ‘We leveren het IC nu als engineeringsample uit aan potentiële klanten. Ik kan geen namen noemen, maar we zijn in gesprek met een paar grote partijen in de gebouwautomatisering. Daarnaast zijn we de chip intern aan het karakteriseren, waarbij we kijken of hij in alle hoeken van de voedingsspanning en over het hele operationele temperatuurgebied functioneert binnen de specs. Begin mei verwachten we klaar te zijn voor volumeproductie.’

2 | 11

Exhibition and Conference on Electronics and Chip Design Sponsor

Wednesday 12 June 2013 1931 Congrescentrum Brabanthallen ’s-Hertogenbosch, the Netherlands

Bits&Chips Hardware Conference 2013 On 12 June 2013 Techwatch Events will organise the sixth edition of the Bits&Chips Hardware Conference, the event that traditionally attracts the best and the brightest from the Benelux high-tech electronics sector. There is business to be done at Bits&Chips Hardware Conference and expertise to be shared, so register now as an exhibitor or sponsor. Visit the website for more information.

Reserve your stand now Visit www.hardwareconference.nl/en for more information

www.hardwareconference.nl/en BCHC13 Partners

Opinie De headhunter D.M. vraagt:

Anton van Rossum [email protected]

Ik werk bij een chipontwerper die onlangs is overgenomen door een buitenlandse firma. Dat heeft een behoorlijke impact op mijn dagelijkse werk als teamleider R&D. We blijven weliswaar op onze bestaande locatie gevestigd, maar ons nieuwe moederbedrijf heeft een vicepresident benoemd in het buitenland aan wie het Nederlandse management moet rapporteren. Deze vicepresident hanteert andere omgangsvormen en stelt andere eisen dan bij ons gebruikelijk is. Bij de eerste kennismaking kwam hij vriendelijk over, maar al snel bleek dat hij ook behoorlijk dominant is en niet altijd even redelijk. Hij heeft overal kritiek op, het lijkt wel alsof niets deugt. Tijdens vergaderingen laat hij duidelijk merken geen prijs te stellen op kritiek; we moeten gewoon zijn ‘voorstellen’ uitvoeren. Brengt iemand een goed idee naar voren, dan doet hij tegenover het hogere management net alsof hij het zelf heeft bedacht. Verder bemoeit hij zich overal mee en eist hij dat de teamleiders wekelijks een voortgangsrapportage aanleveren. Durf je te melden dat iets niet kan of lukt, dan ontploft hij en zegt hij je de wacht aan. Iedereen loopt inmiddels op eieren. Ik vind mijn baan inhoudelijk te leuk om op te zeggen, maar intussen erger ik me dagelijks aan deze micromanager. Wat kan ik doen?

De headhunter antwoordt: Wanneer een bedrijf wordt overgenomen, betekent dat niet automatisch dat er veel zal veranderen. Toch is dat meestal wel het geval. Hoeveel er verandert, is afhankelijk van een aantal omstandigheden, zoals de intenties die de overnemende partij heeft met de acquisitie, de winstgevendheid van het overgenomen bedrijf en de congruentie van de bedrijfsculturen. Wat ook een grote rol speelt, is of de bedrijfsprocessen voldoende overeenkomen. Zo niet, dan zal een synchronisatie onvermijdelijk zijn. Hoe deze veranderingen worden doorgevoerd, verschilt van geval tot geval. Dat soms enige haast geboden is, zal niemand verbazen. Duidelijk is wel dat een goede implementatie beslissend is voor het uiteindelijke resultaat.

Je kunt natuurlijk van mening verschillen over de juiste aanpak. Ik heb de indruk dat de manager aan wie jij refereert zich er niet voldoende bewust van is dat hij voor de veranderingen genoeg draagvlak moet creëren. Zijn managementstijl wijkt af van wat in jouw organisatie gebruikelijk is geweest en daardoor roept hij weerstand op. Ik heb dit in het verleden vaker zien gebeuren, met soms minder positieve gevolgen. De sfeer verslechtert, werknemers stappen op en doelstellingen worden niet gehaald, met alle gevolgen van dien. Vaak

Een gezamenlijke lunch kan de onderlinge verhoudingen verbeteren volgt een poging om uit de impasse te komen door een schuldige aan te wijzen. Dat kan het management van het moederbedrijf zijn, maar vaker zal de afdelingsleiding moeten wijken. Dit alles is te voorkomen als het overnemende bedrijf voldoende aandacht heeft voor de bedrijfscultuur en met zorg de managers uitkiest die verantwoordelijk worden voor de veranderprocessen. Nu dit niet is gebeurd en jij in deze situatie zit, is goede raad duur. Eén ding is duidelijk: jullie kunnen niet langer zo doorgaan. Een gezamenlijke lunch of gezamenlijk diner kan een effectieve tool zijn om de onderlinge verhoudingen te verbeteren. Door een collega mee te nemen die een betere synergie heeft met je manager, kunnen jullie aan de onderlinge verhouding werken. Onthoud dat je manager ook niet gebaat is bij een onwerkbare situatie. Misschien is hij bang voor gezichtsverlies en stelt hij zich daarom zo stram op. Wanneer dit charmeoffensief niets uithaalt, kun je een gesprek hebben met human resources of de CEO. Zij zullen zeker oor hebben voor je verhaal; het raakt immers de hele organisatie.

2 | 13

Nieuws Tooling

Nieuwe tool maakt multicoreperikelen inzichtelijk NXP’er Jan Hoogerbrugge bracht onlangs de eerste versie uit van een gereedschap om softwareontwikkelaars te helpen bij het schrijven voor multicore processoren. De aanpak is nét even anders dan het bestaande aanbod. Pieter Edelman

‘E

lke ondernemer heeft natuurlijk de droom dat zijn bedrijfje ooit uitgroeit tot een succesvolle onderneming, maar voorlopig doe ik Biface erbij, naast mijn normale veertigurige baan bij NXP’, vertelt Jan Hoogerbrugge over zijn eenmanszaak. Zijn tools moeten programmeurs helpen hun sequentiële C-software om te zetten naar geparallelliseerde code voor multicore processoren. ‘Vanuit mijn studie in Delft en bij Philips en later NXP heb ik altijd aan compilers en multicoreachtige zaken gewerkt. Maar door de strategiewijziging naar high-performance mixed-signal van NXP, zit ik nu in de digitale-radiohoek en doe ik daar niets meer mee. Toen ben ik dat in de avonduren ernaast gaan doen.’ Na twee jaar ontwikkelen zette hij onlangs een punt achter het bètaprogramma en bracht hij versie 1.0 van zijn Parallellization Assistant (PA) uit. Het gereedschap analyseert C-applicaties, brengt in kaart waar de meeste potentie zit voor parallellisering en geeft aan welke hobbels hiervoor geslecht moeten worden. Het is dus een tool voor code die reeds is geschreven, met name gericht op legacy toepassingen. Hoogerbrugge koos de naam Biface, het Engelse woord voor ‘vuistbijl’, om het belang van gereedschap voor technologische vooruitgang te onderstrepen. ‘Een aantal Amerikaanse profs in het vakgebied heeft ooit eens een mooi lijvig rapport geschreven voor de overheid, getiteld ‘The future of computing performance: game over or next level?’. Een van de aanbevelingen was dat er meer tools moeten komen om legacy code te transformeren naar multicores. Dat was een trigger om met Biface te beginnen.’ Ondertussen zijn er verschillende startende en groeiende bedrijven die dit hiaat proberen op te vullen. Van een afstandje bieden ze zo ongeveer hetzelfde. Een dynamische profiler analyseert hoeveel tijd een applicatie doorbrengt in elke loop van het programma en maakt duidelijk waar de

14 |

2

meeste winst te halen valt voor dataparallellisme, waarbij de programmeur een dataset zodanig opdeelt dat elke core de bewerking op een deel van de gegevens kan uitvoeren. Vervolgens maken de tools duidelijk hoe de verschillende variabelen binnen deze loop van elkaar afhangen, zodat de programmeur de code hierin zodanig kan herschrijven dat de iteraties net zo goed parallel als na elkaar uitgevoerd kunnen worden.

Aan de voorkant Biface’ Parallellization Assistant is geen uitzondering op het aanbod, maar Hoogerbrugge denkt dat er wel een subtiel verschil is dat de programmeur in sommige gevallen enorm kan helpen. Dat is terug te voeren op zijn aanpak: vóór de compiler wordt er eerst een programma actief dat op strategische plekken in de broncode functieaanroepen plaatst. De aangepaste broncode wordt vervolgens door GCC of een andere standaard toolketen gecompileerd en gelinkt met een runtimebibliotheek van Biface die de profiling uitvoert. ‘Andere tools vertrouwen op de debuginformatie in de binary. Daarmee kun je de regelnummers aanwijzen, maar als daar meerdere variabelen worden gerefereerd zoals bij array-indices, dan is het nog steeds de vraag waar de afhankelijkheden precies vandaan komen. PA instrumenteert de broncode aan de voorkant van de compiler. Daardoor kun je heel accuraat feedback geven aan de gebruiker over de variabelen die afhankelijkheden veroorzaken’, vertelt Hoogerbrugge. Een ander voordeel van deze aanpak is dat het gereedschap voor de programmeur transparant in de standaard toolketen integreert. In de makefile of de projectinstel-

lingen moet alleen een andere compiler worden opgegeven, de Biface-tool sluist de opties een op een door. Voor de weergave van de resultaten krijgt de gebruiker wel met een eigen grafische interface te maken. Hierin is direct de broncode aan te passen zodat de programmeur iteratief naar de parallelle implementatie toe kan werken. ‘Ik kijk ook wel met een schuin oog naar een plug-in voor Eclipse, maar ik probeer nog een beetje helder te krijgen of je daar alles in kunt weergeven wat je wilt’, aldus Hoogerbrugge. ‘Ik toon bijvoorbeeld ook grafen van de afhankelijkheden in de functies. Dat moet ik wel kunnen blijven doen.’ PA is geschikt voor Linux- en native Android-applicaties op X86- en Arm-processoren. ‘In de tooling zit informatie over specifieke processoren om een schatting

te kunnen maken van de versnelling die is te realiseren via parallellisatie. Je hebt ook een paar processorafhankelijke assemblyinstructies nodig om accuraat te kunnen meten’, legt Hoogerbrugge uit. En het parallelliseren van code via GPU’s? ‘Die vraag krijg ik ook wel eens’, zegt Hoogerbrugge. ‘Ik heb er wel eens naar gekeken, maar voorlopig wil ik CPU’s goed doen. Het blijft tenslotte voorlopig iets voor de avonduren.’

Opinie Elektronica

Ik ben toch niet gek

D

Joachim Burghartz is directeur van het Instituut voor Micro-elektronica Stuttgart (IMS Chips) en oud-directeur Dimes bij de TU Delft.

it jaar kijkt de IEEE Electron Devices Society (EDS) terug op 35 jaar in de IEEE en zestig jaar in de Electron Devices Group van het Institute of Radio Engineers (IRE). Het boek ‘Guide to state-of-theart electron devices’, waaraan ik afgelopen jaar heb meegeholpen, behandelt alle soorten elektronische devices in 21 hoofdstukken, geschreven door zeventig expert-leden van de EDS. Naast deze technische teksten is er een doorgaande historische tijdlijn in de vorm van een filmstripje, dat in chronologische volgorde de belangrijke technische mijlpalen op het gebied toont. Terugkijkend op de geschiedenis van de micro-elektronica valt op hoe more Moore ons het meest heeft beziggehouden. Toch zijn de experts het erover eens dat we ons op een langzamere ritmiek in de miniaturisatie van de micro-elektronica zouden moeten instellen. Het einde van de wet van Moore is al enkele keren geproclameerd, maar nu zijn er echt enkele technische en economische redenen waarom de miniaturisatie in de niet al te verre toekomst zal eindigen. Met dit in het achterhoofd verbaast het me dat Europa nog steeds miljoenen investeert in onderzoek naar structuren ter vervanging van het werkpaard van de microelektronica, de planaire Mos-transistor. De chipindustrie in de EU heeft immers besloten niet verder te kijken dan 45 nanometer. Het sub-45-nanometerdomein laat zij min of meer over aan het Verre Oosten. Alleen topinstituten als Imec begeven zich nog op dit terrein – gelukkig maar, want dat is belangrijk om met de Europese toeleverindustrie aan de top te kunnen blijven. Wat gebeurt er als de wet van Moore stokt? Tak Ning, IBM-fellow en een van de grote micro-elektronicapioniers, zei ooit tegen mij: ‘Het einde van de wet van Moore zal misschien een zegen blijken, omdat de waarde van elektronische functies niet verder zal afnemen, maar constant zal blijven of zelfs toenemen.’ De perceptie van waarde zal dus veranderen. Waardevol is dan niet de nieuwste technologie maar de manier waarop standaard technologie is toegepast en hoe betrouwbaar deze technologie is. Betrouwbaarheid en duurzaamheid van elektronica zijn nieuwe begrippen voor de jongeren, zeker als het over consumentenelektronica gaat. Die zijn gewend om mobieltjes, pc’s en tv’s elke twee jaar te vervan-

gen – de wet van Moore zit in ons hoofd. Alles moet meer en goedkoper, en dus accepteren we slechte kwaliteit. We gaan naar de Mediamarkt en denken: ik ben toch niet gek! Ik hoop dat deze mentaliteit zal terugveranderen, in lijn met andere technologieën. Mijn eerste auto’s liepen maar vijftigduizend kilometer, daarna maakte of de motor of de roestende carrosserie er een einde aan. Moderne limousines gaan enkele honderdduizenden kilometers mee, en roest is er geen probleem. Relatief gezien, betalen we nu meer voor een auto, maar het zijn waardevollere, waardevastere en veiligere producten dan vroeger. Wellicht zal dit met de elektronica eveneens gebeuren, want in het verleden was elektronica duurzaam en betrouwbaar. Deze cultuur in de techniek werd vervangen door de weggooicultuur van de laatste dertig jaar.

De laatste dertig jaar is er voor elektronica een weggooicultuur ontstaan Ouderen zullen zich de hoge kwaliteit en het mooie design van de apparaten van Philips, Braun, Dual, Grundig en anderen herinneren; die zijn allemaal verdwenen. Bij Philips gingen in januari de laatsten van de consumentenelelektronicaploeg van boord. Ook met Sony en andere leveranciers van kwaliteitsproducten in Japan staat het slecht. Jammer. Onlangs ging mijn weggooistereo kapot. Toevallig kwam ik in de kelder van mijn vaders huis een oude Yamahareceiver tegen. Ik heb hem gepakt, schoongemaakt en geïnstalleerd. Hij werkt perfect, na meer dan dertig jaar. En wat een prachtig toestel: hout van de notenboom en massief aluminium. Voor mij is het zo klaar als een klontje: liever minder vaak kopen, iets meer betalen en voor kwaliteit kiezen. Het not-for-profit-boek ‘Guide to state-ofthe-art electron devices’ onder redactie van Joachim Burghartz is vanaf april 2013 bij uitgever Wiley-IEEE verkrijgbaar (45 dollar plus verzendkosten), of voor IEEE-leden direct bij de EDS (25 dollar plus verzendkosten).

2 | 15

Nieuws Chipontwerp

Lage landen schitteren opnieuw op ISSCC Op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) waren de lage landen opnieuw goed vertegenwoordigd. Met name voor de TU Delft was dit jaar een glansrol weggelegd: de universiteit zag maar liefst twaalf inzendingen geaccepteerd. Een greep uit de Belgische en Nederlandse bijdrages. Pieter Edelman

H

et is officieel geen competitie, maar dit jaar wint de TU Delft: de meeste geaccepteerde inzendingen op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). In San Francisco werden twaalf papers gepresenteerd waaraan Delftenaren hebben meegewerkt. ‘We hebben goud’, vertelt een trotse hoogleraar Kofi Makinwa, die zelf zijn naam onder vier papers heeft staan. ‘De ISSCC wordt ook wel eens bestempeld als de Olympische Spelen van de chipwereld. Meer dan tien papers is echt weggelegd voor bedrijven als Intel en Samsung of instituten als Kaist [Korea Advanced Institute of Science and Technology, PE].’ Voor Makinwa is er overigens extra reden voor champagne: voor de tweede keer in zijn carriere ontvangt hij de best paperaward van het Journal of Solid-State Circuits, samen met zijn PhD-student en NXP-medewerker Muhammed Bolatkale en NXP-medewerkers Lucien Breems en Robert Rutten. Het is het resultaat van een paper dat twee jaar geleden al op de ISSCC werd gepresenteerd: het tijdschrift vraagt elk jaar aan een select aantal conferentiepapers om een bewerking voor publicatie. De award wordt op de ISSCC uitgereikt. Traditioneel doen de lage landen het goed op de ISSCC. Ook dit jaar staan er onder 31 van de in totaal 209 inzendingen een of meerdere Belgische en Nederlandse instituten of bedrijven. De onderwerpen lopen uiteen van kleine componenten voor energieoogst of RF-verwerking tot complete biomedische Socs en innovatieve sensoren.

Sneeuwbaleffect Edoardo Charbon, hoogleraar bij de Delftse Circuits & Systems-groep, presenteert bijvoorbeeld samen met een van zijn postdocs en het Jet Propulsion Laboratory een sensor voor ‘rovergebaseerde planeetexploratie’, aldus de titel. ‘De sensor is gemaakt voor de geplande volgende Marsrover, die waarschijn-

16 |

2

lijk in 2018 wordt gelanceerd. De kans is zeer groot dat hij meegaat’, licht de Zwitser toe. De sensor is bedoeld voor Raman-spectroscopie, waarbij de eigenschappen van een materiaal worden onderzocht door het te beschijnen met laserlicht en te kijken hoe de golflengtes hiervan subtiel veranderen onder invloed van moleculaire interacties. ‘Er kleeft alleen één probleem aan deze methode’, legt Charbon uit. ‘Het laserlicht wekt ook fluorescentie op, en dat is doorgaans veel sterker dan de Raman-verstrooiing.’ Het Delfts-Amerikaanse onderzoeksteam past een nieuwe methode toe om dat eruit te filteren: tijd. ‘Bij fluorescentie is er altijd minstens een paar nanoseconden vertraging, terwijl Raman instantaan is en direct uitdooft. Als je het aan- en uitzetten van de camera zeer nauwkeurig kunt regelen, kun je dat er dus uit filteren’, vertelt Charbon. Daarvoor wordt Spad ingezet, ofwel single-photon avalanche diode. Elke pixel bestaat uit een speciaal soort diode die in sperstand wordt aangesloten. Als hier een foton op inslaat, maakt dat een elektron vrij die op zijn beurt ook weer elektronen losslaat. Door het elektrische veld over de structuur ontstaat een sneeuwbaleffect dat ertoe leidt dat de diode in zijn sperrichting geleidend wordt. Dit mechanisme werkt razendsnel en is ook even snel uit te zetten. ‘Wat we hier presenteren, is een manier om de camera

typisch vijf- tot zevenhonderd picoseconden aan te zetten, en dat gesynchroniseerd met de laserpuls’, legt Charbon uit. Voor de goede orde: de ‘camera’, die stralingshard moest worden uitgevoerd, is niet bedoeld om een tweedimensionaal kiekje te schieten, maar als lineaire sensor van in totaal 1024 bij 8 pixels. Een grating moet in de toekomst het gereflecteerde laserlicht over een aantal frequentiebanden uitsplitsen zodat de plek op de sensor de Ramanverschuiving verklikt. Overigens is de sensor ook prima te gebruiken voor het meten van fluorescentie door juist wat later in de tijd te kijken. Dat levert weer extra informatie op over het monster. Net als de beoogde toepassing van laser-induced breakdown spectroscopy: de laser op de Marsrover wordt krachtig genoeg om een stukje steen te verdampen.

Honderden metalen strips Een verdieping hoger huist hoogleraar Robert Bogdan Staszewski, een naam die op maar liefst vier ISSCC-inzendingen prijkt. Allemaal over digitaal RF. ‘We vervangen analoge door digitale technieken in RF. Traditioneel codeer je een signaal in de modulatie van een golf. Wij kijken echter niet naar het absolute voltage maar naar de overgang van laag naar hoog of andersom, en coderen het signaal met de tijd daartussen. Dat is iets Een sensor die mede in Delft werd ontwikkeld, zal naar alle waarschijnlijkheid in de volgende Marsrover van de Nasa helpen bij het onderzoeken van gesteente. Foto: ISSCC

Imecs analoge front-end maakt pacemakers en implanteerbare defibrillatoren een stuk zuiniger.

fundamenteel anders dan digitale logica. Wij hebben geen klok of Vss of Vdd; onze aanpak kijkt alleen naar de richting en de timing daartussen op het niveau van attoseconden.’ De aanpak leidt meestal tot een veel kleinere en dus goedkopere en energiezuinigere implementatie. Bovendien spelen de analoge eigenschappen niet langer een rol in het ontwerp, dat daardoor makkelijker schaalt met de procestechnologie. Functie voor functie wordt op deze manier omgezet naar een digitaal ontwerp. Zoals een golfvormgenerator voor het steeds belangrijker wordende gebied rond de 60 GHz. ‘Normaal heb je daar omvangrijke schakelingen voor nodig met allerlei off-chip componenten. Wij hebben dit nu in één enkel IC gemaakt’, vertelt Wanghua Wu, die de chip ontwierp. Met de eerder genoemde voordelen: kleiner, goedkoper, zuiniger, nauwkeuriger en redelijk makkelijk schaalbaar naar een volgende procesgeneratie. En nog iets: hij kan binnen een paar microseconden de frequentie veranderen, een fractie van wat normaal nodig is. Essentieel voor de beoogde toepassing in radarsystemen. Maar ook communicatie met millimetergolven staat in de belangstelling. Staszewski en Wu willen dan ook een bedrijf opzetten rond de vinding. De basis van deze aanpasbaarheid is een transmissielijn op de chip: twee parallelle sporen waar de golf in loopt. Als bielzen bij een spoorbaan zijn hieronder honderden metalen strips aangebracht, die in het midden met een transistor zijn verbonden. Wanneer die wordt gesloten, veranderen de eigenschappen en daarmee de frequentie. ‘Waar je normaal gesproken actieve componenten nodig hebt, gebruiken wij gewoon metaal’, vertelt Wu trots.

Tussen longen en borstkas Een van de inzendingen van Imec moet het juist wel hebben van een volledig analoog ontwerp. Samen met Olympus presenteert de groep van Firat Yazicioglu een IC dat in

pacemakers en implanteerbare defibrillatoren de relevante signalen uit de metingen extraheert. ‘Traditioneel wordt dat digitaal gedaan’, vertelt Yazicioglu. ‘Maar wij hebben de preprocessing in een analoog circuit uitgevoerd. Dat is een stuk energiezuiniger en daardoor hoeft de digitale processor vervolgens veel minder werk te verzetten, wat ook weer het energiegebruik reduceert.’ Met alle meetkanalen actief verstookt het IC toch slechts twintig microwatt. En die meetkanalen, dat zijn er nogal wat. Ten eerste beschikt het IC niet over één ecgkanaal, zoals bij klassieke pacemakers, maar over drie. Dat is nodig voor een relatief nieuwe toepassing. De linker- en rechterhelft van het hart horen tegelijkertijd te slaan, maar bij sommige hartpatiënten zit er een klein verschil in waardoor het een stuk minder efficiënt werkt. Door op drie plekken te meten (en op twee plekken te stimuleren), kunnen linker- en rechterhelft weer worden gesynchroniseerd. Daarnaast beschikt het IC over een meetkanaal voor een accelerometer om activiteit van de patiënt te schatten en de regulering daarop aan te passen. Ten slotte kan het IC ook nog de impedantie meten van de vloeistof tussen de longen en de borstkas. Die blijkt namelijk allerlei informatie over de hartwerking te bevatten. ‘Dat is wat ingewikkelder dan alleen de weerstand; je hebt ook te maken met capaciteit en niet-lineaire elementen’, vertelt Yazicioglu. Bovendien moest er rekening worden gehouden met het energiegebruik. ‘Traditioneel geef je een stroompje en meet je het voltage om de weerstand te berekenen. Daarbij gebruik je een sinusvormige golf om de verschillende componenten van de impedantie te begrijpen. Maar een pure sinusgolf vereist veel energie, terwijl een benadering veel harmonischen bevat. Wij gebruiken een andere benadering met veel minder harmonischen, zodat je toch een laag energiegebruik hebt.’

Enorme puzzel Een team van de TU Eindhoven, CEA-Liten, de universiteit van Catania en STMicroelectronics maakt op de ISSCC furore met de eerste geprinte organische AD-converter. ‘Dit is gedaan in het Europese Cosmic-programma, waarbij het scenario echt is om elektronica op verpakkingen van biefstukjes en dergelijke te zetten’, vertelt Eugenio Cantatore van de Mixed-Signal Microelectronics-groep aan de TUE. ‘De verpakking zou dan zelf bijvoorbeeld de zuurgraad van de biefstuk kunnen meten en veel nauwkeuriger uitspraken kunnen doen over de houdbaarheid.’ Lithografie van silicium is hiervoor echter te duur en bovendien kan het plastic substraat niet tegen de hoge temperaturen bij deze processen. Printen van organische halfgeleiders is beter geschikt. ‘Maar bij silicium kun je doteren om n- of p-type transistoren te maken, terwijl een organische halfgeleider maar een van beide is. Daardoor kun je veel minder betrouwbare circuits maken en is de uitval tijdens de productie vrij groot’, vertelt Cantatore. ‘Wij lossen dat op door twee verschillende halfgeleiders te printen. Daardoor wordt de schakeling robuuster en stijgt de yield, dus worden de kosten lager.’ De circuits worden via een zeefdrukproces geproduceerd. ‘Om heel eerlijk te zijn, is er nog wel een eerste stap met een laser nodig om de transistorkanalen te definiëren’, erkent Cantatore. De halfgeleiders, interconnecties en weerstanden worden echter via een zeefdrukproces opgebracht. Voor elk laagje wordt een zeef met een patroon opgelegd en daar wordt het materiaal overheen gesmeerd. ‘Elke laag zit in een oplosmiddel, waardoor het een enorme puzzel is om te kijken wat er over elkaar kan worden aangebracht. Dat doen ze bij CEA-Liten. Wij hebben het circuit op abstract niveau ontworpen. De uitdaging voor ons was om het betrouwbaar genoeg te maken ondanks de enorme procesvariatie die het zeefdrukproces met zich meebrengt.’

2 | 17

Opinie Groods greep

=Spreadsheet(Business;Risico)

T

Derk-Jan de Grood helpt organisaties meer grip te krijgen op hun (test)project.

ijdens de Eurostar-conferentie ontmoette ik Felienne Hermans van de TU Delft. Zij is gepromoveerd op het testen van spreadsheets. Een opmerkelijk onderwerp omdat er traditioneel veel aandacht uitgaat naar het testen van grote en complexe administratieve systemen, embedded software of, als we het over kleinere toepassingen hebben, mobiele applicaties. Allesbehalve spreadsheets. Waarom dan toch daarop focussen? Volgens Felienne zijn spreadsheets de meest succesvolle applicaties aller tijden. Onderzoek wijst uit dat op 90 procent van alle computers wereldwijd een spreadsheetprogramma geïnstalleerd staat en dat 95 procent van alle Amerikaanse bedrijven spreadsheets gebruikt in het financiële proces. In Nederland is dat niet veel anders. De infiltratie van spreadsheets is enorm. Ga voor jezelf maar eens na waarop de Clevel managers in jouw organisatie hun belangrijkste beslissingen baseren. Tien tegen een dat dat gegevens zijn afkomstig uit of gegenereerd met een spreadsheetprogramma. Felienne kent zelfs een organisatie die drie miljoen euro heeft verloren omdat er per ongeluk twee velden waren omgedraaid. Omdat spreadsheetbestanden geen echte programma’s zijn en er weinig programmeerervaring nodig is om ermee aan de slag te gaan, ligt de ontwikkeling ervan vaak buiten de IT-afdeling. Het zijn typisch toepassingen die klein en eenvoudig beginnen en door de jaren heen steeds verder uitdijen. Een gemiddelde spreadsheet heeft een levensduur van vijf jaar en in die tijd ongeveer dertien verschillende gebruikers. Zij brengen de ene aanpassing na de andere aan, waardoor er al snel onopgemerkte fouten of kwetsbare constructies in de spreadsheet sluipen. Binnen de IT is het standaard om belangrijke applicaties grondig door te lichten, maar wie test de spreadsheets? Waren zij onderdeel van het IT-landschap, dan zouden ze waarschijnlijk niet aan de aandacht van professionele testers ontsnappen. Persoonlijk ken ik echter geen organisatie die ze in haar database van configuratie-items heeft opgenomen. Sterker nog: mijn ervaring is dat de IT-afdeling vaak geen weet heeft van hun bestaan. Tijdens een van mijn opdrachten bij een zorgverlener wilde de beheerorganisatie de netwerkschijven opnieuw indelen. De

migratie was tot in de puntjes voorbereid: van alle applicaties was geïnventariseerd welke mappen ze gebruikten en waren de configuratieaanpassingen meegenomen in het migratiescript en naar alle gebruikers was zorgvuldig gecommuniceerd wat de impact zou zijn. Vol vertrouwen zetten de beheerders zich aan de migratie, tot er ineens grote paniek uitbrak: de financiële afdeling lag helemaal stil. Bleken ze daar voornamelijk te werken met Excel-sheets die verborgen, hard gecodeerde verwijzingen bevatten naar sheets die door de migratie op een andere plek waren komen te staan. Wat kunnen we hiervan leren? De eerste les is dat er verschillende manieren zijn om een spreadsheet te bouwen. De TU Delft

Spreadsheets moeten een integraal onderdeel zijn van het IT-landschap heeft honderden spreadsheets verzameld en geanalyseerd. Op basis van dit wetenschappelijke onderzoek hebben Felienne en haar collega’s een goed beeld van de fouten die vaak worden gemaakt maar beter kunnen worden vermeden. Hard gecodeerde paden is er daar een van. Een geautomatiseerde scan geeft aan waar in een file de zwakke plekken zitten. Deze scan ziet natuurlijk geen problemen in bijvoorbeeld een verkeerd uitgevoerde berekening, maar reduceert wel de kans op fouten. De belangrijkste les is echter dat spreadsheets een integraal onderdeel moeten zijn van het IT-landschap. We dienen ze op te nemen in het application lifecycle management. Omdat ze vaak cruciaal zijn voor de bedrijfsvoering, moeten we ze goed ontwikkelen, beheren en testen. Hier hebben we vanuit de IT-afdeling nog missiewerk te verrichten. Op de barricaden dus om onze collega’s uit de business bewust te maken van de risico’s die ze lopen.

2 | 19

Tech-kiek Verkeer en vervoer

Eind januari organiseerde de TU Eindhoven een bijeenkomst om haar laatste innovatieve technologieën voor duurzame mobiliteit te laten zien. In een van de tentoongestelde projecten gaven drie kleine robotauto’s een demonstratie van coöperatief rijden. Foto: Bart van Overbeeke

Analyse Onderzoek

24 and 25 April 2013 Klokgebouw Eindhoven, NL

M

Check out the excellent conference programme online Vibrant sessions on international high tech collaboration, featuring top speakers from ASML & Zeiss, Mapper & Leti, Philips Research & Süss Microtec Conference themes: agro & food, medical systems, automotive, semicon

#HTS13

Platinum sponsors

aak een reis terug in de tijd en ga na welke technologieën achtereenvolgens afvallen. Eerst de mobiele telefoon, internet en de computer, daarna volgen moderne vervoersmiddelen als de auto en het vliegtuig en televisie en radio. Rond de start van de twintigste eeuw verdwijnen elektriciteit en stromend water uit het gemiddelde huishouden en niet veel verder terug sanitaire voorzieningen. Begin achttiende eeuw zijn er geen fabrieken en spoorwegen meer. Als we de Industriële Revolutie eenmaal zijn gepasseerd, moeten we steeds grotere stappen maken om een wereldveranderende technologie weg te strepen. Het is deze tijdreis die centraal staat in een discussie die econoom Tyler Cowen in 2011 aanzwengelde met de publicatie van zijn e-book ‘The great stagnation’. Collega Robert Gordon koos vorig jaar met ‘Is US economic growth over?’ voor een iets voorzichtigere titel, maar op hoofdlijnen komt hij tot dezelfde conclusie als Cowen. Beide economen stellen dat de afgelopen twee eeuwen een unieke periode in de geschiedenis zijn geweest in de zin dat technologie het menselijk bestaan – en daarmee de economie – op grandioze manier

Gold sponsor

Cosponsors

Exhibitors • AAE • Alten Mechatronics • Altran • ASML • Bakker Fijnmetaal • Beckhoff.nl / IAL • BKL Engineering • Brainport Industries • CCM Centre for Concepts in Mechatronics • Ceratec Technical Ceramics • Claytex Services • Controllab Products • DEMCON advanced mechatronics • De Ontdekfabriek • Dutch Precision Technology • Dutch Society for Precision Engineering • Eltromat • Enterprise Europe Network / Syntens • Festo • Framo Morat • Frencken Europe • GDO • Greentech Engineering • Hauzer Techno Coating • HEIDENHAIN • Hittech Group • Holland High Tech • IAI industrial systems • IBS Precision Engineering • Infinite Simulation Systems • Irmato Industrial Solutions • Janssen Precision Engineering • Keonys • KMWE • KU Leuven • LEMO Connectors Benelux • Masévon Technology • MathWorks • maxon motor benelux • MetaCase • MTA • MTSA Technopower • National Instruments • Nijdra Group • Nobleo Technology • Norma Groep • NTS-Group • Océ-Technologies • Philips Innovation Services • PM-Bearings • Prodrive • ProduktionNRW • Reden • Settels Savenije van Amelsvoort • Sorama • Technologiestichting STW • Tecnotion • Telerex • TEVEL Components • The High Tech Institute • TMC Group • TNO • Topic Embedded Systems • Variass • VDL ETG • Vernooy Vacuüm Engineering • Yacht • Yaskawa Benelux • Yokogawa

22 |

2

Ondernemer Peter Thiel wil vliegende auto’s.

heeft getransformeerd, maar dat daaraan nu een einde is gekomen. Omdat al het laaghangende fruit is geplukt, hoeft het westen niet meer te rekenen op de spectaculaire economische groei die het sinds 1800 heeft doorgemaakt.

De wetenschap is op, maar innovatie niet Er is geen reden om pessistisch te zijn over het economisch rendement van onderzoek, maar de essentie van fundamentele wetenschap lijkt te veranderen. Paul van Gerven

Schaakkampioen

Singulariteit

Het meest controversiële aan deze stelling is niet dat de Industriële Revolutie grote vooruitgang heeft gebracht, maar dat deze nu zou stagneren. Dat kun je met statistieken aantonen, zoals Cowen en Gordon in hun publicaties doen, maar je kunt het ook overal om je heen zien, zeggen hun medestanders. In vijftig jaar zijn lijnvluchten nauwelijks sneller geworden en de auto’s rijden nog steeds op verrotte planten. Een huishouden van de hogere middenklasse beschikt over dezelfde huishoudelijke apparatuur en voorzieningen. En de laatste drie decennia kruipt de levensverwachting nog slechts omhoog; kennelijk kunnen al die miljarden aan biomedische research niet op tegen simpele vindingen als het toilet en het riool. Psycholoog Dean Keith Simonton van UC Davis, die zijn leven heeft gewijd aan de bestudering van genialiteit, ziet het ook gebeuren in de wetenschap. Het lijkt Simonton onwaarschijnlijk dat er in de natuurwetenschappelijke disciplines nog fundamentele doorbraken zullen plaatsvinden, althans van het soort dat herziening vereist van de studieboeken die eerstejaarsstudenten gebruiken. Als het al lukt om aan de top te komen, wat gezien de grote hoeveelheid reeds opgebouwde kennis alleen maar moeilijker is geworden, dan resten daar nog slechts een paar losse eindjes. Zelfs in het hart van de mondiale innovatiemachine, Silicon Valley, vindt het gedachtegoed van Cowen en Gordon gehoor. Ondernemer en durfkapitalist Peter Thiel, medeoprichter van betalingsdienst Paypal en de eerste externe investeerder in Facebook, is diep teleurgesteld in de technologische prestaties van de laatste tijd: ‘We wilden vliegende auto’s, we kregen [berichten van] 140 karakters.’ Samen met voormalig schaakkampioen Garry Kasparov heeft Thiel een blauwdruk geschreven om innovatie (en de vrije markt) te redden.

Niet iedereen gaat mee in de redenering van Cowen en Gordon. Weekblad The Economist voert onder meer aan dat relatief recente uitvindingen waarschijnlijk nog lang niet hun maximale economische potentie hebben bereikt, net zoals het decennia duurde voordat elektriciteit of de computer een zichtbare impact had op de statistieken. Gentechnologie en moleculaire geneeskunde, zelfrijdende auto’s en de overgang op duurzame energiebronnen moet je niet wegwuiven als ‘meer van hetzelfde’, zelfs al behoeven deze geen fundamenteel nieuwe kijk op de zaken. Dat geldt beslist ook voor informatietechnologie. Zelfs al heeft de wet van Moore niet het eeuwige leven, de efficiëntie en snelheid van informatieverwerking door machines zullen nog grote stappen maken. De impact daarvan is bijna niet te voorspellen, behalve dat een verdubbeling aan het begin van een exponentiële curve in absolute zin minder aantikt dan een stuk verderop. Uitvinder, ondernemer en futuroloog Ray Kurzweil neemt dit fenomeen uiterst serieus en spreekt van een singulariteit, het punt waarop de intelligentie van kunstmatige levensvormen die van de mens voorbijschiet en uiteindelijk op zichzelf is aangewezen voor verdere verbeteringen. Deze superbreinen zouden technologische vooruitgang een ongekende zwieper geven.

Volwassen Al met al lijkt het pessimisme van Cowen en Gordon overtrokken. En zelfs al zou innovatie op dit moment stagneren, dan hoeft zij niet tot het einde der tijden stil te staan. Met de opkomst van Azië en Zuid-Amerika kent de wereld tegenwoordig alleen maar meer knappe koppen, en er is genoeg voor hen te doen. Onze groei is gered. De observatie van Simonton snijdt meer hout: als de wetenschap een gebouw is, dan is de fundering wel zo’n beetje af en rest

onderzoekers weinig anders dan er verdiepingen, kamers en uiteindelijk nog slechts inloopkasten op te bouwen. Steeds vaker zullen ze echter met de kennis die hun voor-

Het laaghangende fruit is geplukt, zegt econoom Tyler Cowen.

gangers hebben opgebouwd willen ‘spelen’ (zie ook pagina 24). De wetenschapper doet een stap in de richting van de ingenieur. Dit roept belangrijke vragen op. Als het kennisbouwwerk zorgvuldig is gestut, zou de wereld er niet meer bij gebaat zijn als bedrijven het voortouw in innovatie nemen, zoals liberalen altijd al graag wilden? In hoeverre de markt beter dan academici weet wat de wereld wil, is al decennia onderwerp van discussies, maar de mate waarin de wetenschap ‘volwassen’ is en welke consequenties dat heeft op innovatiebeleid nemen die nooit mee. In die zin is het topsectorbeleid zijn tijd misschien wel ver vooruit.

2 | 23

Technieuws Nanotechnologie

Moleculaire assemblagelijn bootst biologisch hoogstandje na Nanowetenschappers worden steeds vaker moleculair-ingenieurs, die niet in de eerste plaats proberen te doorgronden maar hun eigen complexe systemen willen bouwen. De natuur dient daarbij vaak als inspiratiebron, zoals de synthese van een artificieel eiwitfabriekje door Engelse onderzoekers laat zien. Paul van Gerven

A

ls een van de meest fundamentele bouwstenen van het leven tref je het ribosoom in bijna iedere cel aan. Dit wonderlijke fabriekje spuugt eiwitten uit, de werkpaarden die het gros van de biologische functies verzorgen, variërend van stevigheid van weefsel (bijvoorbeeld van de huid) tot katalyse van chemische reacties (zoals de afbraak van alcohol in de lever). Het ribosoom werkt als een soort turingmachine. Het neemt een ‘tape’ in van instructies afkomstig van het genetisch materiaal en brengt op basis daarvan specifieke aminozuren in elkaars nabijheid. Deze aminozuren koppelen aan elkaar en de aldus gegroeide streng vouwt zich na afloop op tot een eiwit. Het ribosoom brengt dus de DNA-code tot leven. De mate van controle die het ribosoom uitoefent op de moleculaire chaos die ieder mengsel van moleculen onwillekeurig vormt, is indrukwekkend. Op basis van alle aanwezige ingrediënten kunnen er ontelbaar veel verschillende eiwitten worden gevormd, maar dankzij het ribosoom worden losse aminozuren uitsluitend in een volgorde achter elkaar gezet die een functioneel eiwit oplevert. Het is alsof een onzichtbare hand de anders zo onverbiddelijke wetten van de statistiek bijstuurt. Dat zouden nanowetenschappers ook maar al te graag willen doen. Nu de chemische en fysische fundamenten die aan de biologie ten grondslag liggen stevig zijn verankerd en de moleculaire processen in een cel dankzij geavanceerd instrumentarium tot in steeds groter detail bekend zijn, proberen onderzoekers deze kennis ook steeds vaker zonder tussenkomst van Moeder Natuur tot leven te wekken. En daarin slagen zij steeds beter. Voorlopig hoogtepunt in deze tak van sport, die je bio-geïnspireerde moleculaire

24 |

2

nanotechnologie zou kunnen noemen, is de demonstratie van een primitief man-made ribosoom door David Leigh en collega’s van de University of Manchester. Hun in Science gepubliceerde moleculaire machine zet een klein eiwitje (een peptide) in elkaar, in een aminozuurvolgorde die van tevoren werd bepaald.

Grip De basis voor het Engelse ‘ribosoom’ is een zogeheten rotaxaan, een complex van twee mechanisch verbonden moleculen. Als het oog van een naald is het ene, ringvormige,

wat verder langs de as en herhaalt het proces zich, behalve dat het volgende aminozuur aan het vorige wordt gekoppeld in plaats van aan de katalysator. Zo plukt de ring een voor een de aminozuren van de as af en smeedt die achter elkaar. Na afloop glipt de ring met peptide en al van de as af. Natuurlijk steekt de imitatie in alle opzichten mager af bij het origineel: de onderzoekers hebben zelf de volgorde van de aminozuren in het rotaxaan vastgelegd toen ze dat synthetiseerden, terwijl het biologische ribosoom ‘externe’ instructies gebruikt en zelf de juiste ingrediënten uit zijn omge-

Figuur 1: Een voor een plukt de ring de aminozuren van de as af.

molecuul om het andere, draadvormige, molecuul geregen (zie Figuur 1). De ring kan vrij over de as bewegen, maar in principe niet ontsnappen omdat grote blokken aan de uiteinden van de as de weg versperren. Aan de ene zijde betreft het een inerte en verder onbelangrijke chemische groep, maar aan de andere kant zitten achter elkaar drie verschillende aminozuren in de weg. De Engelse onderzoekers bevestigden op de ring een katalysator die deze aminozuren van hun as losweekt en aan de katalysator zelf plakt. Nadat het eerste aminozuur van as naar ring is verplaatst, beweegt de ring zich

ving vist. Ook vernielt de imitatie zichzelf tijdens het klaren van de klus. En waar het echte ribosoom vijftien tot vijftig aminozuren per seconde verwerkt, doet Leighs creatie er twaalf uur over om één aminozuur te verplaatsen. Het enige praktische nut die de vondst zou kunnen hebben, is om moleculen te synthetiseren die niet met de huidige methodes zijn te maken. De waarde van het werk uit Manchester is dan ook voornamelijk symbolisch: de wetenschap heeft haar grip op het allerkleinste weer een klein beetje verstevigd.

Opinie Software-engineering

Rotte software

I

Jeroen Bouwens is senior softwaredesigner bij Sioux Embedded Systems en blogt over softwareontwikkeling op weblog.jeroen.ws.

n het boek ‘The pragmatic programmer’ hebben Andrew Hunt en David Thomas het over de entropie van software. Hiermee bedoelen ze de schijnbaar onvermijdelijke en altijd maar toenemende chaos in de code van een stuk software. Ze trekken een parallel met de broken window-theorie, die stelt dat de aftakeling van een wijk begint bij iets kleins, zoals een ingegooid raam. Ze concluderen dat software-entropie, of softwarerot, voornamelijk een cultureel probleem is: een klein stukje slechte code zet een proces van aftakeling in gang met als uiteindelijke resultaat een fragiele brij van ondoorgrondelijke spaghetticode waar niemand meer wijs uit kan. Hoewel softwarerot helaas een realiteit is, en instabiele software het resultaat, denk ik dat Hunt en Thomas een belangrijke oorzaak over het hoofd zien: software-engineers die geen idee hebben waar ze mee bezig zijn. Niet doordat ze incompetent zijn (nou ja, dat ook in sommige gevallen), maar doordat ze om een aantal redenen niet voldoende weten over de onderliggende ontwerpfilosofie van de code waar ze aan werken. Alle software die wordt geschreven, heeft een ontwerp: een set van aannames en ideeen, een filosofie, die bij elkaar genomen bepalen hoe de code eruit komt te zien, welke abstracties er zijn en hoe dit alles gestructureerd wordt. Dit kan impliciet gebeuren, zonder enige vorm van documentatie, of het resultaat zijn van een lang, zorgvuldig proces, maar het is er altijd. Zolang er maar een paar mensen aan de software werken die er vanaf het begin bij zijn, heb je een kans dat de code het oorspronkelijke ontwerp volgt. Op het moment dat er echter nieuwe programmeurs bij komen, slaat de rot toe. Deze nieuwe mensen hebben niet hetzelfde denkproces doorlopen als het oorspronkelijke team. Ze zijn niet met niks begonnen en hebben niet hetzelfde voortschrijdend inzicht doorgemaakt dat heeft geleid tot een consistente set van ideeën die de basis vormt van alle goede ontwerpen. En één ding is zeker: als je er niet van het begin af aan bij was, is snappen waarom een stuk code op een bepaalde manier is geschreven haast ondoenlijk.

Een simpele oplossing voor dit probleem is er niet, maar er zijn wel enkele maatregelen om de ernst ervan te verminderen. Zo kun je codereviews verplicht stellen. Het is dan wel van wezenlijk belang om de reviewers goed te trainen. Ook goede tooling is belangrijk om het proces effectief te laten

Op het moment dat er nieuwe programmeurs bij komen, slaat de rot toe zijn. Als er veel nieuwe code wordt geschreven, kan reviewen een vervelende klus zijn. Het is echter een fout om het te zien als overhead die overgeslagen kan worden als de druk toeneemt. Dat leidt op termijn tot rotte software. Een andere maatregel is het genereren van documentatie uit code die met een systeem als Javadoc van commentaar is voorzien. De gegenereerde documentatie kan voor nieuwe mensen als naslagwerk dienen. Controleer in reviews of alles is becommentarieerd en of dit commentaar ook daadwerkelijk nuttig is. Verder hebben nieuwe mensen begeleiding nodig om bekend te raken met een bestaande codebase. Neem hier dan ook ruim de tijd voor! Als een nieuw teamlid op een goed moment code begint te wijzigen, review dit dan zorgvuldig met speciale aandacht voor zaken die duiden op een gebrek aan kennis van het onderliggende ontwerp. Het op peil houden van de kwaliteit is een van de fundamentele problemen in de software-engineering van dit moment, en softwarerot is hierbij een vervelend verschijnsel dat lastig aan te pakken is. Maar met aandacht voor het probleem, en met de juiste maatregelen, kan het wel.

2 | 25

Achtergrond Gezondheidszorg

Verpleegoproepsysteem wordt multifunctioneel communicatiecentrum Wat ooit begon als een simpel alarmeringssysteem, kon uitgroeien tot een multifunctioneel communicatieplatform. In opdracht van Ascom bracht 3T uiteenlopende functies voor bediening en gegevensuitwisseling bijeen op een embedded-Linux-gebaseerd platform. Vervolgens verzorgde het de productie en de levering van duizenden stuks. Jeroen Koëter

E

envoudige verpleegoproepsystemen (‘intercoms’ met alarmknop voor verzorgings- en bejaardentehuizen) waren er al in allerlei soorten en maten. Leverancier Ascom Nederland uit Utrecht kreeg echter steeds meer vraag naar geavanceerdere functionaliteit. Van het omroepen van de bingo in het tehuis tot nieuwe diensten via internet, zoals het aanbieden van tafeltje-dek-je of het laten bestellen van een taxi. Ook voor domoticatoepassingen als de regeling van licht, temperatuur, ventilatie en zonwering zou een dergelijk systeem geschikt moeten zijn. Interessant is verder het opkomende gebied van de telemedicine: de gebruiker zelf (of diens verzorgende) kan in de eigen omgeving metingen uitvoeren aan bijvoorbeeld zijn gewicht, bloeddruk of bloedsuiker. Het meetapparaat stuurt de resultaten via Bluetooth naar het oproepsysteem, dat ze ver-

René van der Veen

volgens via internet verzendt naar de zorgaanbieder. Ideaal is het als de communicatie twee richtingen op gaat: de gebruiker initieert in het systeemmenu zelf een meting of krijgt een oproep of herinnering daartoe. In 2008 besloot het Nederlandse dochterbedrijf van Ascom Zweden tot de bouw van een geavanceerd verpleegoproepsysteem. Het benaderde 3T om het complete traject uit te voeren, van ontwerp en ontwikkeling tot productie en levering. Het product kreeg de naam Amido (‘huisvriend’, een samentrekking van de Latijnse woorden amicus ‘vriend’ en domus ‘huis’).

Betrouwbaar Een van de uitdagingen was het combineren van uiteenlopende communicatieprotocollen en de bijbehorende digitale en analoge elektronica in één printontwerp (zie kader). Voor het afhandelen en loggen van de ver-

De gebruikersinterface is eenvoudig aan te passen aan de look-andfeel van een opdrachtgever.

26 |

2

pleegoproepen is de Amido afhankelijk van de achterliggende meldbanksystemen, die de verbinding tussen cliënt en verzorging regelen. Die communicatie loopt via een Sip-stack (Session Initiation Protocol), die ook wordt gebruikt voor bijvoorbeeld Voip. Er is echter geen standaardprotocol voor alarmering en uitwisseling van telemedicine-data. Dit maakte overleg met de verschillende meldbankleveranciers noodzakelijk. Voor alle communicatiefunctionaliteit hebben we uiteindelijk een complexe achtlaags print ontworpen, met een dusdanige lay-out dat de verschillende signalen zo weinig mogelijk interferentie en EMC-storing ondervinden van elkaar. Hart van het systeem is een Arm9-gebaseerde I.MX27-processor van Freescale. Veel van de gebruikte componenten zijn terug te vinden in mobiele apparaten, dus geminiaturiseerd. Denk aan een zeshonderd pinnen tellende ball grid array (BGA) met een pitch van 0,4 mm. Dit gaf een extra uitdaging bij het ontwerp en de productie (het solderen), waardoor er veel afstemming nodig was met de EMSproducent over test- en produceerbaarheid. De embedded software voor de systeembesturing hebben we gebouwd op een Linuxkernel. De keuze is hierop gevallen, niet alleen vanwege afwezige licentiekosten maar ook omdat de software naar eigen inzicht is aan te passen aan het gewenste hardwareplatform. Verder is een Linux-gebaseerd systeem goed configureerbaar en zijn er tal van applicaties en bibliotheken beschikbaar om het systeem mee op te bouwen en uit te breiden. Nadeel is het veranderlijke karakter en de beperkte support. Voor de kernel hebben we een aantal keer een baseline bevroren om niet telkens achter de laatste

releases aan te hoeven blijven lopen. Deze iteratieve benadering maakt het gebruik van open source tot een beheersbaar proces. Een belangrijk ontwerpaspect was de betrouwbaarheid. Een alarmeringssysteem moet 24/7 operationeel zijn. Omdat betrouwbaarheid niet een eigenschap is die achteraf is toe te voegen, liep het als een rode draad door het hele ontwerp- en realisatieproces. Dit is terug te zien in de systeemarchitectuur, waarin we alle functionaliteit van elkaar hebben ontkoppeld om ervoor te zorgen dat niets de alarmeringsfunctie in gevaar kan brengen. Ook de koppeling met een door Ascom ontwikkeld managementsysteem – dat op afstand zorgt voor het beheer van de instellingen en het updaten van de software – hebben we fouttolerant uitgevoerd en op robuustheid getest. Software-

De uiteindelijke print heeft een complexe vormfactor opgelegd door het design van de behuizing.

updates moeten betrouwbaar gebeuren, zelfs als er duizenden ‘oproepkastjes’ met het centrale systeem zijn verbonden.

Gebruikersvriendelijk De Amido reageert op een verpleegoproep door een spreek-luisterverbinding op te zetten tussen centralist en cliënt, waarbij het kastje fungeert als speaker-telefoon. Voor een optimale verstaanbaarheid past het daarbij realtime audioprocessing toe met behulp van de opensource Speex-bibliotheek. Deze regelt onder meer de akoestische echo- en ruisonderdrukking. Voor een goed resultaat is het belangrijk dat de audiostromen van en naar microfoon en luidspreker constant zijn. Om hiervoor te zorgen, hebben we de bestaande streaming geoptimaliseerd en gedeeltelijk opnieuw ge-

implementeerd middels interruptroutines. Door slim geheugengebruik en een juiste prioritering van de verschillende processen, zoals de user-interface, de communicatie en de audio, hebben we een goede geluidskwaliteit gerealiseerd, zonder haperingen. Bij het ontwerp van de Gui hebben we de verschillende doelgroepen scherp in het vizier gehouden: enerzijds de afnemers (typisch zorginstellingen), anderzijds eindgebruikers (veelal senioren die weinig ervaring hebben met moderne consumentenelektronica en internet). We hebben de interface zo opgezet dat deze als een website aanpasbaar is voor verschillende typen gebruikers en voor grootafnemers met een eigen huisstijl. Hiervoor hebben we de opensource toolkit WXWidgets gebruikt, waarmee de Gui in XML is te beschrijven. Uiteindelijk moet een IT’er of netwerkbeheerder bij de klant de interface kunnen configureren. Relevante ontwerpaspecten voor de gebruikersinterface waren onder meer de structuur (meer of minder eenvoudig, naargelang de gebruikersgroep) en de visuele presentatie (denk aan kleurenblindheid). Omwille van het design, de kosten en de gewenste gebruikersvriendelijke uitstraling heeft het systeem een kunststof behuizing. Ook hiervoor was 3T verantwoordelijk. Het ontwerp, de matrijzenbouw en de spuitgietproductie hebben we gecoördineerd en samen met Ascom zijn we naar enkele tehuizen gegaan om verschillende ontwerpen te testen bij potentiële gebruikers. Met het oog op een eenvoudige installatie heeft de Amido geen 230 V netaansluiting, maar Power over Ethernet-functionaliteit. Als back-up zijn er twee batterijen, waarmee het systeem bij stroomuitval twee uur door

2 | 27

Achtergrond Gezondheidszorg

De Amido bevat veel geminiaturiseerde componenten, zoals een zeshonderd pinnen tellende BGA met een pitch van 0,4 mm.

3T bouwde een gestandaardiseerde opstelling voor het automatisch testen en uploaden van een nieuwe softwarerelease.

kan draaien. In principe werkt het dan op een van beide, want voor een goed functioneren moet elke batterij van tijd tot tijd helemaal ontladen en weer opgeladen worden. Voor het benodigde batterijmanagement konden we de ervaring benutten die we onder meer hebben opgedaan voor de elektrische Ion-fiets van Sparta en de zonneauto van het Solar Team Twente (zie Bits&Chips 3, 2012, NR).

Overgenomen Bij elke softwarerelease hebben we de complete functionaliteit uitgebreid en deels automatisch getest op een gestandaardiseerde opstelling. Dat bleek nog tricky: het ene netwerk is het andere niet en een

Protocollen en aansluitingen Amido

software-update verloopt bij 25 systemen in een testomgeving toch even anders dan voor 2.500 systemen in het veld. Hoewel de integratie van de Amido-systemen met een meldbank bij de klant primair de taak van Ascom is, hebben we al het noodzakelijke proberen te regelen om een eventueel ongemak zo snel mogelijk te kunnen verhelpen. Hierbij is een goede foutrapportage vanuit het veld van wezenlijk belang. Daarom hebben we een geformaliseerde procedure uitgewerkt om bug-trackingsystemen op elkaar te laten aansluiten en extra diagnostische software toegevoegd om gedetailleerde debuginformatie te verkrijgen. De ontwikkeling, productie en levering van meerdere duizenden systemen heb-

ben we onlangs succesvol afgerond. Ascom Zweden heeft het product inmiddels in zijn geheel overgenomen – de productie, het testen (inclusief door 3T gemaakte testsystemen), het onderhoud en de ontwikkeling van nieuwe functionaliteit. Dit was vanaf het begin de bedoeling omdat het moederbedrijf over eigen ontwikkel- en productiefaciliteiten beschikt. Jeroen Koëter heeft als embeddedsoftwarearchitect aan het Amido-project gewerkt vanuit 3T’s vestiging in Eindhoven. René van der Veen was projectleider bij de Enschedese hoofdzetel van het bedrijf. Redactie Nieke Roos

• Ethernet: - Voeding (Power over Ethernet) - Sip voor meldbankkoppeling, digitale telefonie (Voip) en digitale intercomsystemen (bellenbord in centrale hal) - Unite (protocol van het Ascom-beheerplatform) - Streaming video (video-intercom) - Software-updates (ook via internet) - Koppeling naar online diensten • Analoge telefonie: - DTMF-meldbankkoppeling (alternatieve meldbank) - Analoge intercomsystemen • Bridging tussen Voip en analoge telefonie • Draadloos (voor de alarmknop op het lichaam van de bewoner; via een merkspecifiek protocol) • Bluetooth (telemedicine-toepassingen) • KNX (domotica) • USB (bijvoorbeeld voor een Wifi-stick en toekomstige uitbreidingen) • RS232 (debuglogging en toekomstige uitbreidingen) • RS485 (bijvoorbeeld voor een paslezer voor identificatie van een verzorgende) • Discrete I/O (bijvoorbeeld voor een deurbeldrukker of een detectiemat) • Relaisuitgangen (bijvoorbeeld voor een deuropener) • Voeding voor ledlampen boven de kamerdeur (rood voor alarm, groen voor aanwezigheid verzorging)

28 |

2

Opinie De communicatietrainer

Wat zeg ik bij de koffieautomaat? Een elektronicaontwikkelaar vraagt:

Jaco Friedrich is softskillstrainer bij The High Tech Institute. [email protected]

Tijdens een recent functioneringsgesprek zei mijn leidinggevende dat ik inhoudelijk prima werk lever, maar dat mijn communicatieve vaardigheden te wensen overlaten. Het klopt dat ik vaak niets zeg bij de koffieautomaat of op de werkborrel, want ik heb een hekel aan dat geklets over triviale onderwerpen. Volgens mijn baas is smalltalk echter noodzakelijk voor mijn loopbaan. Hoe zet ik me over mijn tegenzin heen en maak ik een luchtig praatje?

De communicatietrainer antwoordt: Met smalltalk leg je contact. Een gesprekje met iemand kunnen aanknopen is een belangrijke vaardigheid. Je leert zo makkelijk nieuwe mensen kennen en kunt ‘het ijs breken’. Als professional draait je communicatie op de werkvloer om content én de relatie met de ander. Inhoudelijke gesprekken gaan je waarschijnlijk goed af en dat is mooi want je wordt betaald om problemen op te lossen. Om optimaal informatie te kunnen uitwisselen, moet je echter ook een relatie opbouwen met de ander. Kraakt en piept de ‘verbinding’, dan kom je niet aan je inhoudelijke boodschap toe. Je hebt dus minimaal een beetje positief contact nodig om überhaupt over zaken te kunnen praten. En om met elkaar aan de praat te komen, moet je je mond opendoen. Dus wat zeg je bij de koffieautomaat of op de borrel als je geen inhoudelijk onderwerp hebt? Geen zorgen, dit valt te leren. Daarbij gaat het om drie dingen: je innerlijke houding, je lichaamshouding en dat wat je zegt. Contact leggen begint met je innerlijke houding: nieuwsgierigheid. Je zegt misschien: ‘Eigenlijk interesseert die ander me niet echt.’ Dat kan, alleen wordt soepel contact leggen dan nogal lastig. Je zult je nieuwsgierigheid dus aan moeten zetten. Vraag jezelf bijvoorbeeld in gedachten af: ‘Goh, wie is dat?’, ‘Waar zou hij mee bezig zijn?’, ‘Wat zou zijn specialisme zijn?’. Nieuwsgierigheid laat je openstaan voor de reactie van je gesprekspartner als jij het initiatief neemt om iets te zeggen. Voor je lichaamshouding geldt: dring jezelf niet op, maar maak jezelf ook niet onzichtbaar. Ontspan. Vervolgens: wat zeg je? Dat kan een vraag zijn die je hebt of iets dat je opvalt. Regel is dat het onderwerp in het hier en nu speelt.

Daarmee trek je de aandacht van de ander. Je zegt bijvoorbeeld: ‘Shit, wat is die koffie heet’ of ‘Stond je ook zo vast in de file?’. Nu je de aandacht hebt, kun je de bal naar de ander spelen. Dit doe je door een open vraag te stellen. Open vragen beginnen met ‘waar’ (‘Waar kom je vandaan?’), ‘hoe’ (‘Hoe vind je het hier?’), ‘wat’ (‘Wat doe je?’) of ‘welke’ (‘Bij welke afdeling werk je?’). Open vragen nodigen uit tot een gesprek. Vraag liever niet ‘waarom’ (‘Waarom ben je hier?’). Dit kan aanvallend overkomen, zeker als je iemand niet kent. Je wilt juist dat die ander openstaat voor contact. Ook liever geen gesloten vragen die de ander met een simpel ja of nee kan beantwoorden. Dus niet ‘Vond je het ook saai?’ of ‘Vind je de koffie ook niks?’, maar ‘Wat vond je van die bijeenkomst?’ of ‘Wat vind jij van de kof-

Voor optimale informatie-uitwisseling moet je een relatie opbouwen met de ander fie?’. Je kunt daarbij ook je eigen mening geven, bijvoorbeeld ‘Ik vind de koffie wat slap de laatste tijd. Wat vind jij?’. Als de ander reageert, is het eerste contact gelegd. Je kunt het gesprek nu voortzetten als je wilt en een inhoudelijke vraag stellen, zoals ‘Waar ben jij mee bezig?’ of ‘Wat vond jij van de lezing?’. Ingewikkelder dan dit is het niet. Kwestie van doen. Zomaar een praatje maken kan ongemakkelijk voelen. Als je deze vaardigheid echter onder de knie krijgt, vergroot het je vermogen om nieuwe mensen te leren kennen en relaties op te bouwen. Dus oefen en je zult merken dat het gemakkelijker gaat dan je dacht. En weet dat de meeste mensen het leuk vinden als je met wat smalltalk contact legt.

2 | 29

Solutions for Motion-, Pressure-, Magnetic-, Light-, Touch- and Temperature Sensors

ExtraSENSORy – EBV Makes Sense The World is Full of Impressions. We Like to Sense Them All. The human body uses billions of senses to experience the world but nowadays our daily life demands more and more sensitivity. This provides our industry with huge potential for millions of applications. It’s up to our customers and EBV now to create additional business with sensor-based systems while saving energy at the same time.

Distribution is today. Tomorrow is EBV! www.ebv.com

We are co-operating with world-class partners who offer you leading sensor technology. This portfolio in combination with our sales teams and 110 application engineers provide you with everything you need to convert your ideas into successful projects. For all info and design know-how please contact your local EBV partners as well as check at www.ebv.com/sensors.

Thema Sensoren Sensoren spelen een steeds grotere rol in de wereld om ons heen. In apparaten en machines verrichten ze allerhande metingen en in huis, op straat en zelfs op zee houden ze alles goed in de gaten. Deze uitgave gaat in op de laatste sensorontwikkelingen in België en Nederland.

Nieuws Chipontwerp

Eindhovense starter stoomt eenchipradar klaar voor de markt Afgelopen augustus zag Omniradar de eerste prototypes van zijn eenchipradar van de band rollen bij NXP. Halverwege dit jaar denkt het Eindhovense bedrijfje klaar te zijn voor productie op grotere schaal. Nieke Roos

P

aul van Zeijl werkte bij Philips Research aan radar, maar merkte dat dat daar geen topprioriteit had. Hans Brouwer was na het faillissement van de Vughtse systeembouwer CPS Europe op zoek naar een nieuwe uitdaging en had radar hoog op zijn lijstje van interessante technologieën staan. Een gemeenschappelijke kennis aan de TU Delft koppelde de twee in 2011 aan elkaar en Omniradar was geboren. Met eigen geld en twee STW-valorisatiebeurzen van vijfentwintig- en tweehonderdduizend euro werkt het fabless halfgeleiderbedrijfje uit Eindhoven aan een eenchipradar. CEO Brouwer: ‘Midden dit jaar zijn we klaar voor in-designs met oplages van tienduizenden stuks.’ De radarchip is vrijwel kant-en-klaar en komt met alles erop en eraan, waaronder een antenne om te zenden en twee om te ontvangen en analoog-digitaalconversie voor de 60-GHz-band waarin het IC werkt. Gebruikers hoeven geen complexe mi-

32 |

2

crogolf- of RF-bordontwerpen te maken, maar kunnen hun applicatie afbouwen met eenvoudige laagfrequente componenten. Door de eenchipradar te koppelen aan een standaard microprocessor, DSP of FPGA kunnen ze direct beginnen met de algoritmes voor de dataverwerking. Er is ook een variant zonder antennes, die te combineren is met een losse (maatwerk)array op dezelfde printplaat. Omniradar richt zich op productontwikkelaars die radartechnologie inkopen en opnemen in systemen die zij zelf weer wegzetten bij eindgebruikers. Klanten zijn er nog niet, maar de start-up werkt al wel nauw samen met een aantal bedrijven om te bekijken wat de chip voor hen kan betekenen. Een belangrijke partner is Radarxense uit Maarssen, dat complete radarmodules levert voor nonautomotivetoepassingen (zie Bits&Chips 3, 2012). ‘Zij zijn er vanaf het begin bij betrokken geweest’, vertelt Brouwer. ‘Ze hebben ons geholpen met de specs en overwegen nu om

ons front-end te gebruiken omdat dat beter is dan wat ze nu hebben. Daarnaast zijn we in gesprek met Chess.’

Verdere integratie Radar zit in de lift, verklaren de oprichters van Omniradar hun keuze voor deze technologie. ‘Er zijn een heleboel manieren om de nabijheid van objecten te detecteren: camera, infrarood, lidar, ultrasoon’, neemt Brouwer het woord. ‘Radar is echter superieur, zeker in moeilijke omstandigheden zoals wind, regen, mist en duisternis. Zogeheten Pirretjes, passieve bewegingsmelders op basis van infrarood, hebben daar bijvoorbeeld heel veel last van valse alarmen. Een zeer recente studie van de Duitse auto-industrie bedeelt radar bovendien een belangrijke rol toe in automotive.’ De Eindhovense starter is niet de enige die die kansen heeft gespot, maar wel een van de weinige die zijn heil zoekt op 60 GHz. ‘De bestaande radaroplossingen zit-

xxxx

ten vooral in de 5- en 24-GHz-banden’, stelt Brouwer. ‘Dat zijn echter vaak meer discrete oplossingen, wat betekent dat het designwerk complex is en dus duur. De ISM-band rond 5 GHz is bovendien drukbezet, zodat je daar veel last hebt van interferentie. 24 GHz heeft weer als nadeel dat die band slechts een kwart gigahertz breed is, waardoor je veel minder resolutie haalt.’ ‘Met een kwart gigahertz bandbreedte op 24 GHz moeten twee objecten minimaal drie kwart meter uit elkaar staan om ze van elkaar te kunnen onderscheiden’, haakt CTO Van Zeijl in. ‘Op een halve meter zie je ze als één object. De 60-GHz-band is momenteel een halve gigahertz breed, waarmee je dus al twee keer zo veel resolutie hebt en naar 35 centimeter gaat. Binnenkort wordt de vrije bandbreedte rond 60 GHz zelfs zeven gigahertz en kun je objecten tot op vier centimeter uit elkaar houden.’ De componenten voor 60 GHz zijn ook een stuk compacter. Van Zeijl: ‘Hun afme-

tingen zijn evenredig met de golflengte. Van 24 naar 60 GHz gaat die met een factor twee tot drie naar beneden, zodat ook de componenten twee tot drie keer kleiner kunnen. Dat maakt verdere integratie mogelijk. Onze chip is daardoor niet alleen nog kleiner, we kunnen er zelfs de antennes in opnemen.’

Onder de dollar Dat 60 GHz minder gangbaar is bij de beoogde doelgroep van autofabrikanten zien de mannen van Omniradar niet als een probleem. ‘Zij werken vooral met 77 GHz. Het zal een herontwerp vergen van onze chip maar er zijn zeker mogelijkheden’, meent Van Zeijl. ‘De grootste uitdaging is om binnen te komen. Autofabrikanten worden heel erg afgeschermd door hun eerstelijnsleveranciers. Die vertellen niet wat er allemaal mogelijk is, maar leveren gewoon hun eigen radartechnologie. Op een workshop in Zweden hadden we vorig jaar echter de

Op dit moment telt Omniradar vier medewerkers: systeemarchitect Tim Savelyev, designengineer Jacques Rompen, CTO Paul van Zeijl en CEO Hans Brouwer (van links naar rechts).

gelegenheid om onze oplossing direct aan mensen van Volvo te laten zien. Die waren zo enthousiast dat we nu een uitnodiging hebben om eens langs te komen, dus misschien dat we straks wel een speciale variant mogen maken voor de auto-industrie.’ Een interessante plek in de auto is de benzinetank. ‘Daar gebruiken fabrikanten nog vlotters om het peil te meten’, aldus Brouwer. ‘Dat is bijna prehistorische technologie. Iedereen die wel eens met nul op de teller nog tachtig kilometer heeft gereden, weet hoe onnauwkeurig ze zijn. Maar ja, ze kosten twee keer niks en daar gaat het om in de automotivesector. We zijn er echter van overtuigd dat we iets unieks hebben dat daar voor een doorbraak kan zorgen.’

2 | 33

Word ook abonnee

Bits&Chips is het leidinggevende Nederlandstalige nieuws- en opiniemagazine voor de hightechindustrie in België en Nederland. Behoort u tot een van de volgende doelgroepen? • Actief betrokken bij de ontwikkeling van slimme apparaten en machines • Beslisser in het hoger management van de hightechindustrie • Student van een hoger technische opleiding of professional in een technische richting • Eenieder die op de hoogte moet zijn van de ontwikkelingen in de hightechmarkt Dan mag een abonnement op het magazine Bits&Chips en/of de nieuwsbrief niet ontbreken. Voor meer informatie en aanmelden gaat u naar www.bits-chips.nl/abonneren.

Nieuws Chipontwerp

Hetzelfde geldt voor het meten van vloeistofniveaus in andere domeinen, gaat Brouwer verder. ‘In olieopslagtanks maken ze bijvoorbeeld ook gebruik van radar om het peil te bepalen. De bestaande systemen zijn vrij groot en duur, zodat daar kansen liggen voor ons. Met honderdduizend stuks is de markt op dit moment alleen wat klein om echt interessant te zijn voor een nieuwe speler. Een andere aardige toepassing is bepalen in welke stand een hydraulische cilinder zich exact bevindt. Daar zijn nu allerlei complexe mechanismen voor, onder meer door bij te houden hoeveel olie erin is gegaan. Het kan veel directer en veel goedkoper door met onze chip de hoogte van de vloeistofkolom in de cilinder te meten. Of hier echt een markt voor is, moeten we nog bekijken.’ Verder ziet Omniradar mogelijkheden in achteruitrijsensoren, parkeersensoren en sensoren die de deur openen of het licht aandoen als ze de aanwezigheid van mensen detecteren. Brouwer: ‘In potentie zijn dat afzetgebieden van honderden miljoenen stuks. Door vergaande integratie denken we de prijs van onze oplossing zo te kunnen drukken dat we die markten kunnen openbreken.’ Van Zeijl vergelijkt het met Bluetooth-chips: ‘Daar zijn ze ooit begonnen met een target van onder de vijf dollar; nu zitten ze al onder de dollar. Bij voldoende grote aantallen gaan wij ook die richting op.’

Echt Hollands Op zoek naar een productiepartner klopten de twee met hun businessplan aan bij NXP, waar Brouwer en vooral Van Zeijl goede contacten hebben. ‘Na mijn promotie in de elektrotechniek aan de TU Delft ben ik aan de slag gegaan bij Ericsson’, verklaart de laatste. ‘In Enschede heb ik gewerkt aan Dect-IC’s, die we lieten maken in het Qubicproces van Philips Semiconductors, en in Emmen heb ik aan de wieg gestaan van ’s werelds eerste Bluetooth-systeemchip. Tien jaar geleden ben ik overgestapt naar Philips Research om onderzoek te doen aan draadloze IC’s. Bij het huidige NXP ken ik nog verschillende mensen met wie ik toen heb samengewerkt en die bij de afsplitsing van Philips zijn meeverhuisd.’ Die connecties kwamen bij Omniradar goed van pas. ‘We zijn gaan praten bij NXP

De Eindhovense eenchipradar meet slechts 0,6 bij 0,7 centimeter, waar vergelijkbare digitale componenten al snel vijf keer zo groot zijn.

en daar waren ze eigenlijk gelijk bereid om ons te ondersteunen en ons toegang te geven tot hun processen’, vervolgt Brouwer. ‘We hebben nu een overeenkomst dat zij onze chip gaan maken in Qubic.’ ‘Het zal nog wel even spannend zijn als we naar grote aantallen gaan, want het is voor ons allemaal de eerste keer dat we een chip in productie brengen voor 60 GHz’, vult Van Zeijl aan. ‘Die onzekerheid heb je sowieso als je vanuit de research naar een product gaat, maar in het verleden is het me gelukt met Dect en Bluetooth en ik ben ervan overtuigd dat het nu weer gaat lukken.’ Om de chip te verpakken, hebben de Eindhovenaren een speciaal LGA-omhulsel laten ontwikkelen. ‘De gebruikelijke metalen frames verstoren de werking van de antennes die wij aan boord hebben’, legt Brouwer uit. ‘Onze verpakking heeft een onderkant die de signalen optimaal doorlaat. Dergelijke LGA-modules zie je steeds meer; ze zijn lekker klein, je kunt ze op maat laten maken en je kunt er zelfs meerdere chipjes in kwijt. Voor de onze hebben we min of meer om de hoek een prima producent gevonden.’ Zo levert Omniradar een echt Hollands product: zowel de technologieontwikkeling als de productie van de chip en de verpakking

gebeurt hier. Dat was volgens Brouwer ook een van de uitgangspunten. ‘In Nederland hebben we heel veel radarexpertise, onder meer bij Thales en TNO, en heel veel halfgeleiderkennis. Beide wilden we uitnutten.’

Eigen onderkomen Eind januari was de tweede tape-out van het Omniradar-IC. ‘We zijn de chip nu aan het verbeteren om vanaf mei op beperkte schaal grotere aantallen te kunnen leveren. Daarnaast zijn we algoritmes aan het schrijven zodat we halverwege dit jaar hele applicaties kunnen bouwen met klanten’, blikt Brouwer vooruit. ‘Begin 2014 willen we het IC als standaard component beschikbaar hebben, dus inclusief ondersteuning en ontwikkeltools.’ Behalve uit Brouwer en Van Zeijl bestaat Omniradar op dit moment uit design-engineer Jacques Rompen en systeemarchitect Tim Savelyev, maar uitbreiding staat op de kortetermijnplanning. Het team heeft nu nog onderdak bij de faculteit Elektrotechniek van de TU Eindhoven. In ruil daarvoor verleent Van Zeijl als visiting scientist hand- en spandiensten aan de afdeling. Binnenkort hoopt het bedrijf echter een eigen onderkomen te betrekken op Strijp.

2 | 35

Achtergrond Chipontwerp

Sensor groeit uit tot systeemchip De wereldwijde markt voor sensoren groeit hard. Om deze stijging het hoofd te bieden, komt er steeds meer behoefte aan slimmere oplossingen die de sensor in één chip combineren met een of meerdere processoren. Jos Hegge van Synopsys geeft een overzicht en beschrijft de uitdagingen voor de systeemontwerper. Jos Hegge

S

ensoren zijn hot. Er komen steeds meer apparaten die op een of andere manier samenwerken met hun omgeving en sensordata-invoer nodig hebben. Het totaalgebruik van sensoren zowel in termen van absolute aantallen als in de diversiteit van de gemeten grootheden is de laatste jaren enorm gegroeid. De verwachting is dat dit nog verder zal versnellen. In industriële toepassingen zoals fabrieksautomatisering spelen sensoren al geruime tijd een belangrijke rol. De oplossingen zijn er zeer applicatiespecifiek. De volumes zijn dan ook klein. De afgelopen jaren zijn er andere markten bij gekomen, met andere karakteristieken. Automotive is een relatief nieuw domein met een veel steilere groeicurve. Volgens schattingen vertegenwoordigen sensoren en andere elektronica in 2014 meer dan veertig procent van de waarde van een auto. Bepalende factoren hierbij zijn de steeds striktere eisen op het gebied van veiligheid en energieverbruik maar ook een trend naar (meer) autonome voertuigen. Meest opvallend is de doorbraak van sensoren in consumententoepassingen. Met de introductie van geavanceerde smartphones en tablets is er bijna vanuit het niets een consumentensensormarkt ontstaan. Dit domein groeit enorm, zowel in absolute hoeveelheden als in de aantallen sensoren per apparaat. De volumes zijn typisch hoog en de kosten per sensor laag.

Extra complexiteit Aangezien de fysieke wereld om ons heen analoog is, registeren alle sensoren hun fy-

Figuur 1: Een ADC converteert een analoge meetwaarde naar een digitale output.

36 |

2

sieke grootheid primair in analoge waardes. Temperatuur kunnen we bijvoorbeeld meten aan de hand van de stroom door een temperatuurgevoelige weerstand. Om de output van het sensorelement te gebruiken in een digitaal formaat is een vorm van analoog-naardigitaalconversie nodig (ADC). Door continu te blijven meten, ontstaat een digitaal signaal. Eenmaal in het digitale domein kunnen we het signaal filteren en bewerken voordat het uiteindelijk naar de gebruiker gaat via een of andere communicatie-interface of -peripheral. De combinatie van deze componenten vormt een digitale sensor (Figuur 1). Voor de systeemintegrator bieden digitale sensoren veel voordelen, in het bijzonder als netwerken gewenst zijn. Een netwerkimplementatie geeft zo’n dertig procent besparing in bedradingskosten omdat niet iedere sensor met een eigen kabel aan de centrale verwerkingseenheid hoeft te hangen. Digitale communicatie laat ook langere afstanden toe en verbindingen van verschillende lengte. Digitale sensoren die zichzelf kalibreren, kunnen we zelfs vervangen zonder de verwerkingseenheid te hoeven aanpassen. Een groot voordeel voor de IC-designer is dat digitale implementatie relatief eenvoudig is. Het maken van analoge bandfilters of adaptieve analoge filters is tamelijk veel werk, vraagt vaak nogal wat ruimte op de chip en vereist compromissen in de stabiliteit van de filterkarakteristieken. De rol van analoge signaalbewerking beperkt zich daarom meer en meer tot het normaliseren van het analoge signaal tot het invoerbereik van de ADC. Daarnaast worden sensoren steeds meer een integraal deel van processorgebaseerde

apparaten. Voor de communicatie tussen meet- en verwerkingseenheid bestaan vele mogelijkheden, variërend van bussen, een op een serieel, parallel, pulsgemoduleerd, via gedeeld geheugen of draadloos. Daarnaast is er nog een bijna oneindige verzameling van toegepaste protocollen. De interfacing naar analoog zorgt voor extra complexiteit die de ontwerpers van deze systemen liever kwijt dan rijk zijn. Zij gaan er tegenwoordig zelfs bijna vanuit dat sensoren een digitaal signaal afleveren.

Gecombineerde output Voor veel applicaties zijn de nauwkeurigheid en stabiliteit van een sensorsignaal cruciaal. Het is vaak moeilijk of zeer duur om een sensor te maken die aan de allerhoogste eisen voldoet. Een manier om dit probleem te omzeilen, is door sensorfusie te gebruiken. Normaal wordt dit ingezet bij meerdere sensoren die verschillende grootheden meten en hun resultaten zo combineren dat de ‘som’ beter is dan de delen. De inputs kunnen hierbij zowel analoog als digitaal zijn (Figuur 2). Deze aanpak wordt steeds meer toegepast in IC-ontwerp. Sensorfusie kunnen we ook inzetten in de strijd tegen het verlopen van de meetwaarde. Soms heeft de inherente ruis in een sensor een sterk negatieve invloed op de output, onafhankelijk van de nauwkeurigheid van de meting. Als een integratiestap nodig is, kan een kleine afwijking in het gemeten signaal bijvoorbeeld leiden tot een geleidelijk verloop van het resultaat. We kunnen dan een andere sensor gebruiken om hiervoor te compenseren of te kalibreren.

Figuur 2: Sensorfusie combineert de resultaten van meerdere sensoren zo dat de ‘som’ beter is dan de delen.

Er zijn meerdere standaard algoritmes om sensorwaardes te fuseren. De meest bekende is het Kalman-filter. Dit voert een recursieve operatie uit op ruizige datastromen om een statistisch optimale schatting te maken van de onderliggende systeemstatus. Simpel gezegd: het filter middelt ruis uit en kalibreert zichzelf aan de hand van corrigerende meetwaardes. De gecombineerde output kunnen we niet zonder meer gebruiken. We dienen rekening te houden met inherente effecten zoals een verschil in relatieve positie van de sensorelementen. Om hiervoor te corrigeren, zijn extra kalibratiestappen nodig.

Hardware of software De eerste sensoren met geïntegreerde ADC en digitale uitgang zijn pure hardwareoplossingen. De componenten gebruiken een converter, een communicatie-peripheral voor de digitale output en een hardwarematige state machine om de ADC-sampling en de uitgangscommunicatie aan te sturen. Daarbij kunnen ze filters toepassen om de signaalkwaliteit te verbeteren, bijvoorbeeld een analoog laag-doorlaatfilter voor antialiasing bij de AD-conversie. Sensoren moeten echter steeds meer kunnen. Een manier om aan deze vraag te voldoen, is door een microprocessor toe te voegen (Figuur 3) die de functionaliteit in software uitvoert. Processoren bieden een hoge functionele dichtheid tegen lage kosten en veel meer flexibiliteit. Sensorfuncties die we vaak in software geïmplementeerd zien, zijn bijvoorbeeld digitale filters, kalibratie, zowel initieel als continu om verloop of ver-

ouderingseffecten te compenseren, en grenswaardemonitoring of patroonherkenning. De laatste functie wordt steeds belangrijker, vooral in applicaties die decentrale sensoren gebruiken. Patroonherkenning tilt de communicatie met de centrale verwerkingseenheid naar een hoger abstractieniveau. In plaats van een continue stroom van waardes, bijvoorbeeld temperaturen, stuurt een sensor dan slechts een event zodra de gemeten grootheid een vooraf ingestelde grenswaarde overschrijdt. Dit bespaart niet alleen bandbreedte op het communicatiekanaal maar ontziet ook nog eens de verwerkingseenheid. De keuze tussen implementatie in hardware of software is aan de systeemontwerper. Sommige functies zijn zeer efficiënt in hardware terwijl voor andere software een betere oplossing is. Omdat dit sterk situatieafhankelijk is, zijn er geen algemene geldende regels te geven. Een afweging is de oppervlakte die een hardwarematige oplossing inneemt tegenover het benodigde geheugen voor een software-uitvoering. Deze vergelijking valt voor elke IC-technologie anders uit. Andere afwegingen zijn of de hardware generiek is en de productdiversiteit implementeerbaar is in software, en of er voorzieningen nodig zijn waarmee klanten hun eigen filters of andere functies kunnen toevoegen. Is de keuze eenmaal gevallen om een sensor uit te breiden met een processor, dan wordt het erg aantrekkelijk om de innovatieve, risicovolle functies eerst in software te implementeren en er later eventueel speciale hardware voor te ontwikkelen.

Slaaf en meester Het sensorsysteem levert zijn meetgegevens aan een apparaat dat er verder mee aan de slag gaat. Deze verwerkingseenheid is van origine relatief eenvoudig: neem een applicatieprocessor, koppel daar een of meerdere analoge sensoren aan via ADC’s en bouw een toepassing. Voor dit laatste gaat de voorkeur in het algemeen uit naar implementatie in software. Hoe hoger het aantal aangesloten sensoren en hoe hoger de ADC-bemonsteringsfrequentie, hoe hoger echter de belasting van de applicatieprocessor. Het probleem is daarbij niet zozeer de performance; moderne processoren zijn krachtig genoeg. Het leveren van de benodigde prestaties gaat ten koste van de energiezuinigheid. Dit nadeel kunnen we neutraliseren door de processor in slaaptoestand te brengen als er even niets te doen valt. Bij een heleboel aangesloten sensoren en een hoge bemonsteringsfrequentie blijft er echter weinig tijd over. Een veel efficiëntere oplossing is de sensorhub. Dit is een slaafprocessor die alle hoogfrequente maar niet rekenintensieve taken op zich neemt bij de afhandeling van de sensoringangen (Figuur 4). Het resultaat is een veel lagere datastroom naar de hoofdprocessor, die daardoor minder vaak actief hoeft te zijn en dus veel minder energie verbruikt. Slaaf en meester zitten over het algemeen in één chip, zodat ze kunnen communiceren via gedeeld geheugen. Steeds meer sensorleveranciers integreren processoren in hun producten om naar hogere abstractieniveaus in de uitgang te

Figuur 3: Inbedding van een microprocessor maakt het mogelijk om sensorfunctionaliteit in software te implementeren.

2 | 37

Achtergrond Chipontwerp

gaan. Aan de andere kant zien we steeds meer gebruikers een sensorhub introduceren om alle sensorgerelateerde verwerking naartoe te delegeren. Op systeemniveau geeft dit de uitdaging om een goede verdeling te kiezen van de functionaliteit over alle componenten. Omdat deze ontwikkeling relatief nieuw is, zijn daar nog geen standaarden voor.

Winst boeken Het ontwerpen van processorgebaseerde sensorapplicaties is tegenwoordig niet zo moeilijk meer. Er zijn grote bibliotheken met standaard bouwblokken beschikbaar waarmee zo’n systeem eenvoudig is samen te stellen. Synopsys levert bijvoorbeeld de 32 bit Arc EM4-processor, die vanwege zijn performance per eenheid oppervlakte en energie zeer geschikt is voor sensortoepassingen. Ook hebben we een breed scala

Figuur 4: Een sensorhub neemt alle hoogfrequente maar niet rekenintensieve taken op zich bij de afhandeling van de sensoringangen.

aan I/O-bouwblokken om een uitgebreid sensorsysteem te maken (zie Figuur 5). Voor specifieke applicaties zullen niet alle componenten nodig zijn, zodat een sensorsysteem in de praktijk veel kleiner zal zijn.

Senior electrical designer – job id 028113 Philips Innovation Services

Contactpersoon: Joeri van der Rhee E [email protected] T +31 6 52751738

Op zoek naar een baan (hbo+) in de hightechindustrie? Bekijk dan het uitgebreide vacatureoverzicht op www.hightechbanen.nl.

Als meer optimalisatie naar oppervlak of energieverbruik nodig is, zijn er verschillende mogelijkheden. Het is in ieder geval zaak om de configuratieopties van de processor af te stemmen op de andere bouwblokken

Software engineer PROMEXX

Contactpersoon: Suzanne van Dijck E [email protected] T +31 40 2676867

Sr. Software engineer / (sr.) software designer PROMEXX

Contactpersoon: Suzanne van Dijck E [email protected] T +31 40 2676867

Topbanen in hightech

Wilt u uw vacatures op laten vallen op www.hightechbanen.nl, de geheel vernieuwde website van Bits&Chips én in de nieuwsbrief van Bits&Chips? Neem dan contact op via [email protected] voor meer informatie of het reserveren van een topbaan.

38 |

2

www.hightechbanen.nl

@HightechBanen

in het systeem. De ontwerper kan daartoe niet alleen functionaliteit verwijderen maar ook parameters aanpassen van bijvoorbeeld de adresbus, interrupts, registers en timers, en buffers en geheugens op maat snijden met het oog op de gewenste performance en doorvoersnelheid. Verdere optimalisaties vergen meer drastische ingrepen. Daarvoor heeft de Arc-processor een mechanisme dat Extension Interface Architecture (EIA) heet. De ontwerper kan hiermee eigen uitbreidingen maken voor de processor. Zo kan hij nieuwe instructies toevoegen aan de instructieset. De configuratietool die bij de processor hoort, biedt een wizard die helpt bij het doorlopen van alle benodigde stappen. De hardwareimplementatie van de instructies gebeurt in een beschrijvingstaal zoals Verilog. Om te bepalen welke uitbreidingen van de instructieset zinvol zijn in een sensortoepassing moeten we de sensorsoftware analyseren op veelgebruikte sequenties van instructies. Binnen zekere beperkingen zijn deze dan samen te pakken in een soort macro-instructie. Als de uitdaging is om de programmacode te verkleinen, moeten we het statische voorkomen van de sequenties verminderen. Om de performance te verhogen, moeten we de software simuleren en het aantal processorcycli tellen. Op deze manier valt al snel zo’n dertig procent winst te boeken in codeomvang en performance. Het kan ook zonder de software te onderzoeken. Als we bijvoorbeeld digitale filters willen toevoegen die al in hardware beschikbaar zijn, kunnen we die middels de

Figuur 5: De Arc EM4-processor is te combineren met een breed scala aan standaard I/O-bouwblokken voor sensortoepassingen.

EIA afbeelden op nieuwe instructies, die we vervolgens direct kunnen aanroepen vanuit de applicatie. De EIA biedt ook de mogelijkheid om registers toe te voegen. Deze zijn voor de processor gewoon bereikbaar. Door deze registers in te zetten als buffers voor speciale I/O-bouwblokken kunnen we die I/O-functies direct aan de processor koppelen zonder dat er een tussenliggende bus nodig is (Figuur 6). Zo besparen we niet alleen hardwareoppervlak maar voorkomen we ook de extra latency en het performanceverlies die gepaard gaan met een on-chip bus.

Onderzoek met XSens Wat is nu de optimale systeemconfiguratie? Met name voor datatransport over een draadloos kanaal lijkt het aantrekkelijk om

Figuur 6: De Arc EM4 is verregaand te optimaliseren voor specifieke sensorapplicaties, onder meer door I/O-functies direct aan de processor te koppelen en extra instructies te implementeren in hardwareversnellers die eveneens rechtstreeks met de processor communiceren.

de gegevensstromen zo veel mogelijk te reduceren in een zo vroeg mogelijk stadium, zo dicht mogelijk bij de sensor dus. Hier staat tegenover dat de rekencapaciteit daar waarschijnlijk relatief veel energie kost. Om te kijken of hier standaard oplossingen in te bedenken zijn, is Synopsys samen met XSens uit Enschede een onderzoek gestart waarbij we behalve de datatransmissie ook aspecten beschouwen als de bemonsteringsfrequentie en de signaalverwerking. We hebben specifiek gekozen voor bewegingssensoren omdat dat domein relatief ver is met de toepassing van sensorfusie. Verschillende leveranciers hebben al accelerometers, gyroscopen en magnetische sensoren geïntegreerd tot multidimensionale producten, van 3D tot 10D, afhankelijk van het aantal sensoringangen. In een eerste fase porteren we de Motion Sensor Fusion-softwaresuite van XSens naar een fysiek prototype van een Arc EM4gebaseerd sensorsysteem. Met de EIA-functionaliteit onderzoeken we vervolgens hoe we de strap-down integration-stap (SDI) in het sensorfusieproces (zie het verhaal op pagina 40 en verder, NR) kunnen optimaliseren door een gehele of gedeeltelijke omzetting naar hardware. Doel van XSens is om de SDI-software te leveren aan makers van bewegingssensoren. Voor Synopsys is het een mooie demonstratie van de mogelijkheden die onze bouwblokken bieden. Jos Hegge is ontwikkelmanager bij Synopsys in Eindhoven. Redactie Nieke Roos

2 | 39

Achtergrond Consumentenelektronica

Bewegingen meten zonder draadje Bewegingssensoren in smartphones en tablets hebben Mems-sensoren een enorme impuls gegeven zodat ze kunnen worden gebruikt in andere consumententoepassingen. Vooral voor sporters ontstaan er interessante mogelijkheden voor systemen die lichaamsbewegingen meten. Maar dan moet de communicatie wel draadloos verlopen volgens een standaard protocol. Fred Dijkstra van XSens vertelt wat hiervoor nodig is. Fred Dijkstra

D

e afgelopen decennia is het meten van lichaamshouding en -bewegingen een sleutelrol gaan spelen in een aantal professionele markten. Denk aan de animatie van virtuele personages in computergames of biomechanisch onderzoek voor revalidatie. Van oudsher worden hiervoor reflecterende bolletjes op een proefpersoon geplakt die door hele bataljons peperdure camera’s worden gevolgd. De camera’s hebben echter maar een beperkt blikveld en missen soms lichaamsdelen doordat ze niet door ledematen heen kunnen kijken. Dit geldt net zo goed voor dure professionele systemen als voor nieuwe innovatieve versies zoals Microsofts Kinect en de Leap Motion. Ongeveer vijf jaar geleden kwamen er ook systemen beschikbaar die geen bolletjes en camera’s gebruiken, maar motion trackers geplaatst op de verschillende lichaamssegmenten: apparaatjes met Mems-gebaseerde bewegingssensoren. Doorgaans gebruiken ze een gyroscoop en een versnellingsmeter, aangevuld met een magnetometer (een soort elektronisch kompas) om respectievelijk de hoeksnelheid, versnelling en het aardmagnetisch veld te meten. Door deze gegevens te combineren met een biomechanisch model kan de houding van de drager worden berekend zonder de beperkingen van optische systemen. Door de relatief hoge kosten werd deze technologie tot nu toe eigenlijk alleen gebruikt in professionele markten. De omarming van bewegingssensoren in massaproducten zoals smartphones en tablets heeft echter een nieuw tijdperk ingeluid. Prijs, afmetingen en stroomverbruik zijn significant gedaald, waardoor het nu voor het eerst ook commercieel aantrekkelijk wordt om consumentenproducten te maken op basis van deze technologie.

40 |

2

Gameapparatuur als de Wii, de Playstation Move en de Kinect hebben een potentiële markt geopend voor toepassingen waarin het analyseren van bewegingen een rol speelt. Met name bij sport en fitness is er veel potentie voor elektronische coaches die realtime feedback leveren over houding en techniek. We zien dit terug in de opkomst van producten als de Fitbit-bewegingstracker en de Micoach-voetbalschoen van Adidas. Dit is echter nog maar de eerste golf van producten, die nog weinig te maken heeft met het werkelijke potentieel van deze technologie: het kwalitatief meten van menselijke bewegingen. Daarvoor moet echter nog wel een barrière worden geslecht. De huidige professionele systemen gebruiken vanwege de vereiste nauwkeurigheid draden om de motion-trackers te verbinden met een centrale console op het lichaam. Die bevat de batterij en zendt de gegevens naar een computer om de berekeningen uit te voeren. Voor consumententoepassingen moeten de trackers echter draadloos zijn, en bovendien een standaard

communicatieprotocol volgen zoals Bluetooth Smart, zodat ze direct verbinding kunnen leggen met de smartphone.

Hoogfrequente trillingen In een motion-tracker wordt doorgaans de informatie van een versnellingsmeter, gyroscoop en magnetometer met elkaar samengevoegd (zie kader). De gemeten versnelling wordt voortdurend geïntegreerd om de snelheid te bepalen. Een van de eerste consumententoepassingen hiervan was een snelheidsmeter die op een hardloopschoen kan worden geplaatst en informatie verschaft over de stapfrequentie, staplengte en loopsnelheid. Deze aanpak kan echter niet eindeloos worden gebruikt, want kleine fouten in de meting groeien hiermee op termijn uit tot een grote afwijking. Om deze integration drift op te heffen, is extra informatie nodig. De landing van de voet bijvoorbeeld; de snelheid is op dat moment nul en een nieuwe integratie kan beginnen. Op deze manier

Met enkele motion-trackers zijn de bewegingen van een skateboarder gewoon op een tablet in beeld te brengen.

is het tegenwoordig mogelijk om zonder GPS of andere infrastructuur een plaatsbepaling uit te voeren met een nauwkeurigheid van ongeveer twee procent van de afgelegde afstand. De motion-tracker bemonstert zijn bewegingssensoren op een vaste frequentie. Hoewel menselijke bewegingen zelden componenten bevatten boven de vijftig hertz, kan er wel sprake zijn van hoogfrequente trillingen, impact en schokken. Daarom kunnen de gyroscoop en versnellingsmeter het best worden gesampled op een frequentie van enkele honderden hertz. Nadeel is dat de sensorfusiealgoritmes op deze frequentie behoorlijk wat rekenkracht vergen, met groter verbruik en kortere batterijduur tot gevolg. Conventionele oplossingen sturen daarom alle data naar een centrale computer die meer vermogen tot zijn beschikking heeft. Maar dit gaat weer lastig samen met draadloze communicatie. Er is ongeveer tweehonderd kilobit per seconde aan bandbreedte nodig. Als je enige protocoloverhead in acht neemt, kan een typische draadloze link van 1 Mb/s slechts drie motion-trackers aan. Bovendien zijn daarvoor grote datapakketten nodig die niet worden ondersteund door standaard protocollen zoals Bluetooth Smart. Door de samplefrequentie terug te schroeven, kan dit worden opgelost, maar de nauwkeurigheid wordt dan al snel te laag voor goede toepassingen in sport en fitness.

Tussen de kakofonie van draadloos verkeer op de Ces kwamen de signalen van vijftien draadloze motiontrackers nog steeds op veertig hertz door.

Hapering Een betere aanpak is het gebruik van strapdown integration (SDI), waarbij de simpele integratiestappen van het sensorfusiealgoritme al op de motion-tracker zelf worden uitgevoerd. Hiermee veranderen de outputparameters van de tracker van aard:

2 | 41

Achtergrond Consumentenelektronica

het apparaatje verzendt nu niet de hoeksnelheid, de versnelling en het magnetische veld, maar de veranderingen in oriëntatie en snelheid na een specifiek interval. Met deze parameters kan de centrale computer de oriëntatie en versnelling bepalen. Het mooie van deze aanpak is dat de bemonsteringsfrequentie intern zeer hoog kan zijn om hoogfrequente componenten mee te nemen, terwijl de zendfrequentie een stuk lager mag liggen. Praktisch genereert deze methode ongeveer 10 kb/s aan data op vijftig hertz. Daarmee is zij dus geschikt voor de standaard draadloze protocollen. Een ander voordeel van SDI is dat het algoritme zeer energiezuinig kan worden geimplementeerd, zeker als het wordt meegenomen in de architectuur van de hardware. Voor mobiele toepassingen, dus zeker ook voor kleine draadloze motion-trackers, is dat van levensbelang. In de markt zijn er nu verschillende initiatieven van start gegaan om energiezuinige SDI-gebaseerde motion-trackers te realiseren. Zo werken we bij XSens samen met Synopsys aan een optimale implementatie van onze software en algoritmes op de Arc-core om dit als totaalpakket onder licentie aan te kunnen bieden aan makers van bewegingssensoren (zie pagina 36 en verder, PE). SDI heeft nog een voordeel: de tolerantie voor transmissiefouten. De meeste draadloosprotocollen proberen een datapakket direct opnieuw te versturen wanneer dat niet aankomt. Bij motion-trackers is deze aanpak doorgaans echter niet zinvol, want de kans is groot dat de oorzaak ligt in een verzwakking van het signaal door een lichaamsdeel dat in de weg zit. Daarom wordt een methode gebruikt waarin het SDI-algoritme steeds door-integreert. De centrale computer kan de integratiewaarde van het laatste interval telkens bepalen door de nieuwe meting te vergelijken met de vorige. Door deze methode, waar wij een patent op hebben, resulteert een transmissiefout wel in een langer interval en dus effectief in een hapering, maar niet in een vermindering van de nauwkeurigheid. Het draadloze kanaal wordt ook niet onnodig benut, zodat de data altijd realtime beschikbaar zijn. Gebruikmakend van deze methodes hebben we onlangs op de Ces in Las Vegas een demonstratie gegeven van een systeem dat met vijftien motion-trackers de bewegingen van een mens vastlegt. Om in dit soort

42 |

2

9D-sensorfusie

In zijn meest simpele en goedkoopste vorm kan een motion-tracker worden gebouwd met enkel een versnellingsmeter. Een versnellingsmeter is in feite een massa aan een veertje dat vastzit aan het object. Dit veertje wordt uitgerekt als het object versnelt. Het wordt echter ook uitgerekt door de zwaartekracht. Op de aarde meet zo’n sensor in stilstand dus altijd een versnelling van ongeveer 9,8 m/s2 in opwaartse richting. Hiervan kunnen we gebruikmaken: de hellingshoek van het object kunnen we meten door de richting van de zwaartekracht te bepalen. Versnellingsmeters zijn passieve componenten en het verbruik is slechts enkele microwatt. Batterijen gaan dus zeer lang mee. De meters worden bijvoorbeeld gebruikt om iemands houding te controleren (Lumoback) of om een activiteit te timen (Poolmate). Er zijn echter twee problemen. De meeste versnellingsmeters bevatten een significante ruis. Dit kan wel grotendeels worden opgeheven door de meting te middelen over tijd, maar dat zorgt er wel voor dat het systeem trager reageert. Fundamenteler is het probleem van versnellingen. In bijvoorbeeld een vrije val wordt er geen acceleratie gemeten; de zwaartekracht wordt gecompenseerd. Bij versnellingen kan de oriëntatie dus niet goed worden bepaald. In dergelijke situaties kunnen dus wel versnellingen worden gemeten in het coördinatensysteem van de sensor, maar doordat er geen informatie is over de oriëntatie kan de tracker niet bepalen welke richting de versnelling heeft in het globale coördinatensysteem en in welke richting de zwaartekrachtcomponent in deze versnelling wijst. Een gyroscoop, die de hoeksnelheid meet, heeft hier allemaal geen last van. Het integreren van de hoeksnelheid geeft de verandering in de oriëntatie. Hoewel een gyroscoop een actieve component is en in de orde van tien keer meer energie verbruikt dan een versnellingsmeter, werkt deze aanpak zeer goed en is hij zeer responsief. De technologie wordt bijvoorbeeld gebruikt in beeldstabilisatie in camera’s. Toch is ook dit niet zonder problemen: in de praktijk is er altijd sprake van een systeemfout. De integratie hiervan zorgt op de lange termijn voor een significante fout in de oriëntatie. De oplossing ligt in het combineren van de twee sensoren zodat de versnellingsmeter via een terugkoppelingsmechanisme op langere termijn de gyroscoop kan stabiliseren. Om de horizontale richting te bepalen, wordt in de praktijk nog een magnetometer toegevoegd. Hiermee is de oriëntatie in alle richtingen bekend en is ook onder dynamische condities (versnellingen) de richting van de zwaartekracht bekend in het coördinatensysteem van de versnellingsmeter; je weet immers de oriëntatie van de tracker. Nu wordt het mogelijk om de zwaartekracht van de gemeten versnelling af te trekken, zodat er wel een goede schatting ontstaat van de versnelling van het object. Door de combinatie van drie sensoren met elk drie assen wordt dit 9D-sensorfusie genoemd. omgevingen, waar het spectrum vol zit met Wifi-verkeer, een draadloze verbinding op te zetten, gebruiken we een kanaal van slechts 250 kb/s (IEEE 802.15.4). Ondanks deze lage bandbreedte en het grote aantal motion-trackers konden we de bewegingen toch op veertig hertz bemonsteren. Met deze aanpak wordt standaard draadloze technologie die mobiele apparaten gebruiken mogelijk, waardoor de data direct op een smartphone of tablet kunnen binnenkomen. We verwachten in de toekomst dan ook allerhande apps die zich hierop

baseren: de tweede golf van toepassingen waarin je niet alleen weet dat je beweegt, maar ook hoe goed en wat je kunt doen om te verbeteren. Fred Dijkstra is solutions architect bij de Technology Licensing-groep van XSens. Hij is verantwoordelijk voor systeemarchitectuur, integratie en innovatie van 3D-motion-tracking-technologie in consumententoepassingen. Redactie Pieter Edelman

Opinie Innovatie

Sensorkakofonie

D

Anton Duisterwinkel werkt bij TNO.

e wereld om ons heen is een ratjetoe van sensoren die een kakofonie van signalen veroorzaken. En dat gaat alleen maar meer worden. Sommige mensen maken zich dan ook erg druk om de netwerken tussen de sensoren en de netwerken tussen de netwerken. Da’s heel nuttig. Maar ik maak me meer zorgen om de coördinatie van sensorontwikkeling, want daar is het net zo goed een ratjetoe en een kakofonie. De BV Nederland dreigt geweldig achter te blijven op sensorgebied door een gebrek aan aandacht, focus en samenwerking. Het topteam HTSM heeft er geen roadmap voor, googelen op ‘hoogleraar sensortechnologie’ levert nul hits en zowel bij TNO als bij een bevriende universiteit weten we onderling en intern nauwelijks wat er allemaal gebeurt. Betere coördinatie is hard nodig, want sensorontwikkeling is een zwaar onderschatte bezigheid. Bij universiteiten, NWO-instituten en soms ook TNO worden regelmatig nieuwe principes voor transducers bedacht. Prachtige plannen om individuele moleculen te meten, om een haai voorbij te horen zwemmen op een kilometer afstand en om realtime neutronen waar te nemen. Briljant. Maar een transducer is nog geen sensor. Een sensor communiceert met zijn omgeving, registreert en verwerkt gegevens en slaat ze misschien wel tijdelijk op en heeft voor dat alles een energietoevoer nodig uit de omgeving, liefst zonder kabel. Een sensor heeft een interne kalibratie of een mogelijkheid om extern te kalibreren. Een sensor is dus een systeem, waarvan de transducer een essentieel maar vaak slechts klein deel uitmaakt. Voor de stap van transducer naar prototype sensor zijn integratoren nodig die je bij instituten en grote ontwikkellabs aantreft. En dan nog is er geen product. Want een sensorproduct is robuust en dus verpakt, vervangbaar en onderhoudbaar. Het is bovendien betaalbaar en dus goedkoop maakbaar. Klein en dus geminiaturiseerd. Veilig en dus CE-gekeurd. Kortom: een industrieel product dat alleen de industrie kan ontwikkelen. Het is het oude liedje: de keten van universiteiten via instituten naar industrieën kan mooie nieuwe innovaties opleveren (want pas als een uitvinding op de markt is

gebracht, is het een innovatie). Omgekeerd moet de industrie aangeven welke behoefte ze nu eigenlijk heeft. Juist aan deze ketenvorming ontbreekt het tot nu toe. Tot nu toe, want sinds kort zijn er initiatieven om deze impasse te doorbreken. Op landelijk beleidsmatig niveau is er een roadmapteam gevormd dat zich inzet voor een roadmap Advanced Instrumentation. Sensorsystemen is een van de focusgebieden daarvan. Het topteam HTSM kijkt belangstellend naar deze ontwikke-

Er is behoefte aan ac(tua)toren ling, maar ziet wel graag dat meer bedrijven zich roeren in de roadmapvorming. Waarvan acte. Bedrijven die meer willen weten hierover kunnen zich melden bij [email protected]. Op regionaal niveau roert Zuid-Holland zich met de recente oprichting van Holland Instrumentation (www.hollandinstrumentation.nl). Op 7 maart is het aftrapevent: Zie 2013. Deze club wil de toch al opvallend sterke hightech-instrumentatie-industrie in Zuid-Holland (na Oost-Brabant de tweede hightechsector in Nederland) verder versterken, onder meer door een betere samenwerking tussen profs, professionals en ondernemers. Al wat ouder is Sensor Universe in NoordNederland (www.sensoruniverse.com). Dit verband moet misschien wat grootser denken om zijn potentie helemaal waar te maken. Mooi, al die initiatieven om de keten bij elkaar te brengen en te versterken. Wel uitkijken dat we elkaar niet voor de voeten gaan lopen. En ook hier kan het nuttig zijn om die netwerken weer af te stemmen. Maar bij praten mag het niet blijven. Links en rechts zijn kennelijk sensoren over een alarmwaarde gegaan. Nu is er vooral behoefte aan ac(tua)toren. Wat heb je aan een sensor als je niets met de resultaten ervan doet?

2 | 43

Achtergrond Veiligheid

Positiebepaling in een Zigbee-sensornetwerk Binnen het Firebee-project hebben de hogescholen Avans en Fontys geëxperimenteerd met een veiligheidssysteem dat de positie van brandweerpersoneel binnen gebouwen bepaalt uit de looptijd van radiosignalen tussen Zigbee-nodes. De gebruikte commercieel verkrijgbare hardware haalt een nauwkeurigheid van vier meter. Robuuste algoritmes moeten de gemeten uitschieters zo veel mogelijk detecteren en elimineren. Wim Hendriksen

T

ot nu toe bestaat er nog geen systeem waarmee brandweerpersoneel automatisch op afstand is te volgen in een brandend gebouw. De bevelvoerder wordt nu op de hoogte gehouden via de radio en moet dan maar onthouden wat hij heeft gehoord. Met wat eenvoudige elektronische hulpmiddelen moet het toch niet moeilijk zijn om de actuele positie op een tablet te plotten, maar helaas is de praktijk ook hier redelijk weerbarstig. Allereerst zijn de betrouwbaarheidseisen zeer hoog en de omgevingseisen zeer ongunstig. Brandweerinzet is synoniem aan hoge temperaturen en veel water: twee componenten die niet zo goed samengaan met elektronica. Daarnaast zijn er nog geen standaard trackand-tracesystemen voor in gebouwen, aangezien GPS alleen buiten werkt. Maar de techniek staat niet stil. Met zelfconfigurerende en zelfherstellende draadloze ad-hocsensornetwerken is het mogelijk geworden om robuuste communicatiekanalen op te bouwen. Daarbij is de time of flight-methode (Tof) om afstanden tussen objecten te berekenen uit looptijden van radiosignalen niet langer alleen beschikbaar in peperdure radarapparatuur maar ook in draadloze netwerken van enkele euro’s. De benodigde algoritmes om om te gaan met fouten in de afstandsmetingen zijn te vinden in wetenschappelijke publicaties en hardware met voldoende rekenkracht, weinig gewicht en een goed scherm is voor relatief lage prijzen te koop.

44 |

2

Albert Lak

Jan Woolderink

Binnen het Firebee-project zijn we hiermee het beoogde veiligheidssysteem voor brandweermannen aan het realiseren. In onze opzet dragen zij een persoonlijke Zigbee-node bij zich en plaatsen ze onderweg à la Hans en Grietje lifeline-nodes, waarlangs het netwerk kan communiceren. Alle nodes meten zo veel mogelijk afstanden met andere knooppunten en het systeem berekent daaruit hun relatieve posities. Van minstens drie ankernodes moet de positie ten opzichte van de vaste plattegrond bekend zijn om de kaart- en Zigbee-coördinaten over elkaar te kunnen leggen. De positie van de persoonlijke nodes kunnen we nu weergeven op de tablet van de bevelvoerder. Deze werkwijze maakt het systeem volledig onafhankelijk van de beschikbare infrastructuur in het brandende gebouw. Wel hebben de brandweermensen extra werk met het plaatsen van de ankernodes en het neerleggen van de lifeline-nodes. Dit nadeel is te verkleinen door in de toekomst ook gebruik te maken van aanwezige Zigbee-functionaliteit in bijvoorbeeld brandmelders en deurschakelaars.

Voor het uitvoeren van een Tof-meting tussen twee nodes A en B zendt A een pakket naar B, waarna B een bevestiging terugstuurt (de Poll respectievelijk de Ack, zie Figuur 1). A meet vervolgens de tijd tTot tussen het versturen van het pakket en het ontvangen van de bevestiging. B bepaalt ondertussen de tijd tTat tussen het ontvangen van de Poll en het verzenden van de Ack en stuurt deze waarde na afloop van de meting ook naar A. De time of flight tTof volgt dan uit: tTof = (tTot – tTat) / 2. Afwijkingen in de klokfrequentie kunnen een fout veroorzaken. Deze kunnen sterk worden

Signaalcorrelator Elke node in ons Firebee-systeem bestaat uit een 16 MHz microcontroller van NXPdochter Jennic met een 2,4 GHz radio voor draadloos berichtenverkeer volgens de IEEE 802.15.4- en Zigbee-standaarden. De MCU is voorzien van een deels in hardware en deels in software geïmplementeerde Tofengine om de afstand tot een andere node te bepalen. Jennic levert een Tof-Api en een demoapplicatie mee.

Figuur 1: De time of flight wordt bepaald in een samenspel tussen de twee nodes A en B.

Figuur 2: De resultaten van een reeks afstandsmetingen in een ruimte tussen gebouwen bij een aantal afstanden van tien tot zestig meter. De duidelijke afwijking bij veertig meter kan mede ontstaan zijn onder invloed van Wifi-activiteit in deze omgeving.

gereduceerd door ook een omgekeerde meting te doen, een Poll van B naar A en een Ack van A naar B, en beide metingen te middelen. Het initiatief hiervoor komt ook vanuit A. De Tof-engine heeft verder de mogelijkheid om meerdere metingen achter elkaar te doen, een burst, zowel in voorwaartse richting als terug. De nauwkeurigheid hangt sterk af van de klokfrequenties waarmee beide nodes de tijdmetingen uitvoeren. Het exacte moment van ontvangst is niet te bepalen, aangezien de microcontroller de binnenkomst van een pakket detecteert bij een opgaande of neergaande flank van het interne kloksignaal. Bij een frequentie van 2 MHz kan deze tijdvertraging al oplopen tot een halve microseconde, wat overeenkomt met een zeer aanzienlijke afstandsfout van honderdvijftig meter. Om dit te ondervangen, bepaalt het systeem de tijdvertraging aan de hand van een ingebouwde hardwarematige signaalcorrelator met een softwarematige piekdetector. Bij Tof-lokalisatie is het niet ongebruikelijk om signaalcorrectietechnieken toe te passen. In de 802.15.4-standaard wordt elk data-element van vier bits omgezet in een reeks van 32 bits, zodat elke ontvangen boodschap bestaat uit een of meerdere 32-bitreeksen. De signaalcorrelator detecteert de 32-bitreeks en past autocorrelatie toe met een signaal dat stapsgewijs is vertraagd met een tijd die acht keer kleiner is dan de periode van de klok (1/16 µs). Dit levert een benadering op voor de waarde van de tijdvertraging, met een maximale fout van 1/16 µs, wat overeenkomt met een maximale afstandsfout van negentien meter. De positie van de correla-

Figuur 3: Metingen in een buitengebied ver van de bewoonde wereld vertonen geen uitschieters.

Figuur 4: Gebruik van een richtantenne bij beide nodes verkleint het effect van storende factoren.

tiepiek binnen het tijdsinterval van 1/16 µs wordt verder geschat door het gebruik van curve fitting (kwadratische regressie) op de outputwaardes van de correlator. Jennic meldt dat dit uiteindelijk een nauwkeurigheid oplevert van gemiddeld 3,9 m, waarbij negentig procent van de metingen preciezer is dan 9,1 m. Deze resultaten zijn gebaseerd op onbewerkte metingen buitenshuis tot 180 m.

Voor de toepassing van Tof kan deze vertraging relevant zijn. Time of flightmeetresultaten in een bebouwde omgeving geven onverklaarbare uitschieters (Figuur 2). Dat Wifi inderdaad van invloed is, blijkt uit metingen in een buitengebied ver van de bewoonde wereld, waar die uitschieters zich niet voordoen (Figuur 3). Gebruik van een richtantenne bij beide nodes verkleint het effect van storende factoren (Figuur 4). Deze resultaten en vervolgexperimenten met Tof op de verschillende Zigbee-kanalen tonen dat aanwezige Wifi-activiteiten van grote invloed zijn op de onderlinge spreiding van de metingen. Bovendien is het aantal mislukte metingen dan groter. Zelfs op een Wifi-vrij kanaal of in een omgeving met een geringe Wifi-activiteit komen soms uitschieters voor, bij een specifieke positie

Wifi-invloed Zigbee deelt de 2,4-GHz-frequentieband met Wifi. Ook de meeste kanalen overlappen. Onderzoek wijst uit dat de werking van Zigbee in een normale Wifi-omgeving gewaarborgd blijft, hoewel enige vertraging gaat ontstaan in de ontvangst van de datapakketten.

Figuur 5: Meetresultaten met multipadeffect. De werkelijke afstand is 13,8 m, maar de nodes zijn, per tien meetseries, telkens radiaal ruim zes centimeter verschoven. De ruitjes betreffen voorwaartse metingen, de vierkantjes metingen in omgekeerde richting. De resultaten 11 tot en met 20 tonen een sterke afwijking en zijn te kwalificeren als uitschieters.

2 | 45

Achtergrond Veiligheid

Figuur 6a: De a-prioritoestand bij particle filtering. De blauwe cirkels zijn ankernodes en de rode cirkels plaatsen waar de brandweerman kan zijn, kort nadat hij de meest rechtse ankernode heeft neergelegd.

Figuur 6b: De stippellijnen stellen de gemeten afstanden tot de ankerpunten voor. Het oppervlak van de rode cirkels is nu een maat voor het belang van de bijbehorende toestand na deze meting.

of bij verplaatsing van de nodes. Andere factoren zijn dus ook belangrijk, zoals de reflectie van vloeren en muren (multipadeffecten, Figuur 5). Het blijkt wenselijk om een meting te kunnen aanmerken als uitschieter of te kunnen voorzien van een betrouwbaarheidswaarde. Vervolgonderzoek richt zich op de vraag hoe we de betrouwbaarheid van de point-to-pointmeting kunnen bepalen op basis van het concept van Jennic en de onderliggende parameters/meetresultaten.

Bayesiaans Uit de gemeten afstanden kunnen we nu de posities bepalen. Een eenvoudige manier om dat te doen, is triangulatie. Alle punten met dezelfde afstand tot een node liggen (in 2D) op een cirkel. Als we de afstanden tot drie ankerpunten met bekende positie weten, is het punt het snijpunt van drie cirkels. Dit is het ideale geval, want de afstandsmetingen zijn niet volledig betrouwbaar. Bovendien zal de node van de brandweerman niet altijd de afstanden tot de ankernodes kunnen meten, maar alleen tot tussenliggende lifelinenodes en daarvan zijn de posities ook niet exact bekend. Er zijn diverse methodes om dit te ondervangen. Veel daarvan proberen het punt te vinden waarvoor de som van de kwadraten van de verschillen tussen gemeten en berekende afstanden minimaal is. Dan blijft echter nog het probleem dat eenmalige metingen er flink naast kunnen zitten. Het is dus verstandig om ook de resultaten van eerdere metingen en andere observaties mee te nemen. Zo zijn er posities waar de brandweerman op een gegeven moment op

46 |

2

Figuur 6c: De toestand na resampling. De spreiding van de punten komt door de beweging van de brandweerman die volgens het dynamische model mogelijk is.

grond van de plattegrond of zijn loopsnelheid niet kan zijn. Daarnaast kan hij via de radio informatie geven over zijn positie. Door Bayesiaanse filtertechnieken te gebruiken, kunnen we hier flexibel mee omgaan. Daarbij representeren we de toestand van het systeem als een aantal getallen, samengebracht in een toestandsvector. In ons geval bevat deze in het begin de positie van de node die de brandweerman met zich meedraagt. Telkens als een lifeline-node actief wordt, wordt de vector uitgebreid met de coordinaten van die node. Over het algemeen is de toestandsvector niet precies bekend, maar zijn de mogelijke waardes te beschrijven met een kansverdeling, waaruit een gemiddelde (de meest waarschijnlijke toestand) en een spreiding worden berekend. Het filteralgoritme is een continue herhaling van twee stappen. In de voorspellende stap wordt uit de kansverdeling van de voorgaande toestand een nieuwe kansverdeling berekend met behulp van een beschrijving van de systeemdynamica in termen van kansen dat het systeem vanuit een vorige toestand in een nieuwe toestand terechtkomt. De systeemdynamica is in ons geval dat de brandweerman kan stilstaan of een beperkte afstand kan afleggen en dat een lifelinenode meestal op zijn plaats blijft, maar niet altijd want er kan iemand tegenaan schoppen of water kan hem wegspoelen. In de tweede stap wordt de voorspelling op grond van een observatie gecorrigeerd. Een meting zal over het algemeen leiden tot andere schattingen van gemiddelde en spreiding. Bij een goede meting zijn dit verbeteringen, bij een slechte wordt het effect gedempt doordat de a-priorischattingen in de

berekening worden meegenomen. Hierbij is de veronderstelling dat het merendeel van de metingen redelijk goed is. De slechte meting die af en toe optreedt, wordt dan automatisch weggefilterd. Het leuke van dit verhaal is dat er geen eis wordt gesteld aan de aard van de observatie, behalve dat de diverse kansen gekwantificeerd kunnen worden. De Bayesiaanse techniek die wij gebruiken, is particle filtering oftewel de sequentiele Monte Carlo-methode. Deze neemt een grote random steekproef uit de toestandsverdeling op een zeker moment (Figuur 6a). Na een observatie kan aan ieder sample uit de steekproef een gewicht worden toegekend dat het belang van dat sample aangeeft bij de bepaling van het nieuwe gemiddelde en de nieuwe spreiding (Figuur 6b). Bij de volgende voorspelling wordt op grond van deze gewogen steekproef en het dynamische model een nieuwe steekproef genomen waarbij alle gewichten weer gelijk worden, maar meer samples op de meest waarschijnlijke plaatsen terechtkomen (figuur 6c). Door steeds opnieuw te samplen, worden de meest waarschijnlijke toestanden nauwkeurig berekend en is er weinig aandacht voor minder waarschijnlijke situaties.

Uitontwikkelen Er komen steeds meer goede sensoren beschikbaar, maar de meeste hebben nog onhebbelijkheden die achteraf in software verholpen moeten worden. Ook bij dit project was dat het geval. Met name de complexiteit van de wiskunde bij de op het eerste gezicht niet zo moeilijke locatiebepaling kwam voor ons als een verrassing. Onderschatting van de lange weg van ruwe meetdata naar robuuste informatie komt vaker voor dan menigeen wil toegeven. Dit jaar gaan we de software verder uitontwikkelen en afregelen. Pas als we daarmee klaar zijn, kan brandweerpersoneel er met een gerust hart op vertrouwen dat de informatie correct is. Wim Hendriksen en Albert Lak zijn werkzaam als lector respectievelijk docent aan de Fontys Hogeschool ICT in Eindhoven. Jan Woolderink is docent aan de Avans Hogeschool in Breda. Een uitgebreide versie van dit artikel is beschikbaar op de website van het Firebeeproject, www.fontys.nl/embeddedsystems. Redactie Nieke Roos

Achtergrond Maritiem

Mems-sensoren volgen scheepsbewegingen langs zes assen Embed Engineering heeft een Mems-gebaseerd sensorsysteem ontwikkeld dat bergingspersoneel inzicht geeft in de bewegingen van een schip. Marc Bisscheroux

V

roeger was het al een hele kunst om een systeem te bouwen dat de beweging rond een enkele as kon meten. Voor meerdere assen was dat helemaal ingewikkeld vanwege afwijkingen in drift en onderlinge synchronisatie. De komst van geavanceerde micro-elektromechanische systemen (Mems) heeft dat een stuk makkelijker gemaakt. De Mems van tegenwoordig maken onder meer complexe meetsystemen mogelijk. Een voorbeeld is de bewegingssensor met zes vrijheidsgraden (six degrees of freedom, 6DOF). Dit Mems-componentje registreert zowel de translatie als de rotatie in drie assen die loodrecht op elkaar staan: voor/achter, links/rechts en boven/onder respectievelijk pitch, yaw en roll. Toepassingen zijn te vinden in uiteenlopende markten, waaronder automotive, consumentenelektronica, gaming, gezondheidszorg en industriële automatisering. In opdracht van maritiem specialist Siri Marine uit Appingedam heeft Embed Engineering een zogeheten motion monitoring decision support system gebouwd op basis van 6DOF-sensoren. Dit systeem is onder meer bedoeld om de dagelijkse vaart en vrachtladingen van een schip te monitoren of om bergers te ondersteunen bij reddingsoperaties door inzicht te verschaffen in de scheepsbewegingen. Behalve de sensorinfrastructuur hebben we ook een black box voor dataverwerking en een uitgebreide kalibratietool ontwikkeld.

Beveiligd De 6DOF-sensoren worden op verschillende plekken van het schip geplaatst, waar ze de beweging langs zes assen registeren. De meetdata sturen ze door naar de black box aan boord, die ze lokaal logt. Bergingspersoneel kan de gegevens realtime bekijken via internet, bijvoorbeeld om te bepalen of een schip veilig benaderbaar is. De black box draait op embedded Linux. Hardwarehart is een DSP met acht kernen. Op elke zwarte doos zijn acht sensoren aan te sluiten via evenzoveel RS485-ingangen.

Belangrijk is dat er geen metingen verloren varieert van -20 tot 50 graden Celsius – de gaan door bijvoorbeeld synchronisatiefou- sensor is erg temperatuurgevoelig door de ten. De standaard Linux-kernel is echter Mems-technologie die erin zit. Tijdens het kalibreren is het van belang niet realtime. Daarom heeft elke sensorpoort een extra eigen microprocessor. Deze dat alleen de sensoren onderhevig zijn aan kan tijdstempels met hoge nauwkeurigheid de temperatuurveranderingen. Als ook de vaststellen en bufferen. Dit waarborgt de mechanische constructie eraan blootstaat, geeft dat onnauwkeurigheden in de hoekverwerking van alle samples. Na ontvangst van de sensorgegevens ver- verdraaiingen, als gevolg waarvan de kaliwerkt en analyseert de black box de data en bratie niet goed verloopt. Dit hebben we genereert hij waarschuwingen bij het bereiken van de maximaal toegestane bewegingen en krachten. Met behulp van speciale wiskundige algoritmes doet hij bovendien een voorspelling voor de toekomstige bewegingen. De computer slaat alle gegevens ook lokaal op voor verwerking achteraf. De data-analyse loopt asynchroon aan de logging. Daarbij passen we filters en matrixberekeningen toe die we hebben gemodelleerd met behulp van Octave, een opensource variant van Matlab, en geoptimaliseerd voor de black box. Door de modellen in een simulatieprogramma te verDe speciaal ontwikkelde kalibratietool draait de gelijken met de originele meet6DOF-bewegingssensor 24 uur om zijn assen terwijl de gegevens hebben we aangetoond temperatuur varieert van -20 tot 50 graden Celsius. dat de zwarte doos de bewerkinopgelost door de sensoren direct op verwargen juist uitvoert. Samen met een partner van Siri hebben mingselementen te zetten en de gehele tool we software ontwikkeld om de gegevens in een klimaatkast op constante temperaop afstand uit te lezen en direct in een pc- tuur te plaatsen. Na kalibratie levert de sensor nauwkeuriapplicatie te visualiseren, met een minimale vertraging tussen binnenkomst en weerga- ge meetresultaten, met een maximale absove. Omdat de sensordata bedrijfsgevoelige lute hoekafwijking van 0,07 graad. De tool informatie bevatten, zijn ze slechts toegan- kwalificeert ook, met als resultaat een rapport dat aangeeft hoe goed de gekalibreerde kelijk via een strikt beveiligd protocol. component uit de productie is gekomen.

Klimaatkast

Het hele systeem vereist een nauwkeurige inregeling om in de praktijk de juiste meetgegevens te verkrijgen. Specifiek voor Siri hebben we daarom een 6DOF-kalibratietool gebouwd. Dit is een mechanische constructie die een bewegingssensor 24 uur om zijn assen draait terwijl de temperatuur

Marc Bisscheroux is business developer bij Embed Engineering, dat vanuit zijn hoofdkwartier in Groningen en de nevenvestiging in Amsterdam elektronica op maat ontwikkelt voor onder meer de maritieme sector. Redactie Nieke Roos

2 | 47

In bedrijf Microflown

Arnhemse Mems-microfoon vindt eindelijk eerste toepassingen Zo’n twintig jaar geleden vond Hans-Elias de Bree een Mems-sensor uit die de deeltjessnelheid akoestisch kan meten. Lang ontbrak het aan toepassingen, maar met name in de defensie-industrie heeft zijn bedrijf Microflown nu toch een doorbraak bereikt. Bram Semeijn

H

ans-Elias de Bree vond zijn akoestische deeltjessnelheidsmeter eigenlijk per toeval uit. Na afronding van zijn studie aan de UT in 1994 was hij in een tussenjaar beland, waarbij hij nog wel aan de universiteit verbonden was maar geen werk meer hoefde te verzetten. Zodoende had De Bree tijd over om met techniek te spelen en daarbij raakte hij geboeid door de akoestische eigenschappen van een mass air flow-sensor toen hij deze met wat vrienden in een auto monteerde om de benzinetoevoer te regelen. ‘Toen we door de sensor schreeuwden, merkten we dat hij geluid oppikte’, herinnert De Bree zich. ‘Voor de grap noemden we het ding een ‘microflown’ in plaats van ‘microfoon’. Ik ben me vervolgens gaan verdiepen in de werking van het apparaat en kwam erachter dat het wezenlijk anders geluid verwerkt dan een drukmicrofoon. En omdat ik de ontdekking zelf had gedaan, kon ik ermee doen wat ik wilde.’ Het idee achter de Microflown is eenvoudig. De sensor bestaat uit twee dunne platina strips die zijn opgenomen in een stroomkring en worden verhit tot een temperatuur van 200 graden Celsius. Lucht die erlangs stroomt, warmt op en de ‘draadjes’ koelen af. De tweede strip gebruikt daarbij verwarmde lucht van de eerste, die zodoende minder snel afkoelt. Hierdoor ontstaat er een verschil in de elektrische weerstand van beide draadjes, dat kan worden omgezet in een elektrisch signaal waar je naar kunt luisteren. Bijzonder aan de Microflown is niet zozeer dat de sensor beter of meer geluid detecteert, maar vooral de wijze waarop het

48 |

2

geluid wordt verwerkt. Een conventionele microfoon registreert geluid met behulp van een membraan, waarbij de trilling van het membraan wordt omgezet in elektrische spanningsvariaties. De elektrische spanning over de tijd zegt iets over de geluidsdruk. De Microflown meet het geluid als gevolg van fluctuaties van de weerstand. Een meting levert daardoor een waarde die informatie geeft over de beweging van luchtdeeltjes als gevolg van geluid.

IJkingsprobleem De consequenties en mogelijkheden van een dergelijke akoestische deeltjessnelheidsmeter waren in 1994 nog onduidelijk. De Bree kreeg van de UT de kans om op het onderwerp te promoveren, waarbij hij en passant kon denken aan toepassingen. Na zijn promotie richtte hij Microflown Technologies op om de sensor commercieel te exploiteren. De eerste tien jaar is De Bree echter vooral bezig geweest te bewijzen dat zijn vinding daadwerkelijk goed kan meten. ‘Dat werd, zeker in het begin, sterk betwijfeld’, vertelt hij. ‘Eigenlijk geloofden weinig mensen dat zo’n sensor goed werkte.’ Belangrijk was dat de Deense professor Finn Jacobsen interesse kreeg in de Microflown. ‘Hij is echt de goeroe der goeroes van de akoestiek. In eerste instantie probeerde hij in een wetenschappelijk paper aan te tonen dat de sensor niet functioneerde. Toen hij dat niet voor elkaar kreeg, bewees hij dat de Microflown wel werkte. Vervolgens ging hij allerlei papers schrijven over de natuurkundige basis van de sensor. Dat heeft ons enorm vooruit geholpen.’

De sensoren van Microflown beginnen door te breken in de defensiesector.

Jacobsen loste onder meer het ijkingsprobleem op. Het was nog onduidelijk hoe de snelheidsmetingen van de Microflown zich verhielden tot de geluidsdruk en om zijn metingen te ijken, moest De Bree de geluidsabsorptie van zijn sensor meten. Dat kan alleen met een speaker met een bekende akoestische afstraalweerstand. Jacobsen kwam echter met het idee te gaan meten in een bolvormige luispreker, waardoor de die weerstand uit te rekenen was.

Eerste salaris Hoewel de starter in die eerste jaren veel energie stak in het uitkristalliseren van de natuurkundige basis, bleef het onduidelijk hoe de sensor precies kon worden gebruikt. Uiteindelijk werd toch een toepassing bedacht en wel door een Duitse klant die voor de auto-industrie werkte. ‘Elk automerk heeft zijn eigen geluid’, licht De Bree toe. ‘Een Volvo klinkt als een Volvo en een Renault als een Renault. Om precies het goede geluid te krijgen, verricht de fabrikant metingen om het vermogen van het geluid te bepalen.’ Geluidsintensiteit wordt berekend door de geluidsdruk te vermenigvuldigen met de snelheid. Volgens de klassieke methode wordt de snelheid van het geluid daarbij bepaald door de metingen van twee drukmicrofoons met elkaar te vergelijken. De minimale verschillen in geluidsdruk zeggen dan iets over de snelheid van de deeltjes. Die methode is echter lang niet altijd toepasbaar. In een afgesloten ruimte, zoals een auto, is het door de galm onmogelijk te bepalen waar het geluid precies vandaan

komt. Traditioneel lossen fabrikanten dit probleem op door de auto vol te stoppen met absorberend materiaal, er een gaatje in te maken en dan te meten welk geluid daar precies vandaan komt. De Microflown heeft echter geen last van galm. In combinatie met een drukmicrofoon is hij zodoende in te zetten als geluidsintensiteitsmeter, precies wat de auto-industrie nodig had. De Bree: ‘Ze zeggen wel eens dat je tien jaar na je uitvinding je eerste salaris krijgt. Bij mij klopte dat precies.’

Onder water In de automotivebranche had Microflown zijn eerste klanten, maar pas afgelopen jaar kwam de echte doorbraak met grote contracten in de defensie-industrie. Een Indiase klant was op het idee gekomen de sensor in te zetten als akoestische ‘radar’ op het slagveld. Drie Microflowns plus een microfoon kunnen de richting van geluid bepalen. Zo’n bundeling heet een acoustic vector sensor (AVS). ‘Radarsystemen kunnen een heleboel niet’, verklaart De Bree. ‘Zonder line of sight zien ze bijvoorbeeld niks. Objecten op minder dan tweehonderd meter hoogte kunnen ze daardoor niet waarnemen. Een JSF hoog in de lucht spotten ze meteen, maar als de Rode Baron met een driedekker laag over de stad scheert om een bommetje te droppen, zullen ze dat niet oppikken. Horen doe je ’m echter wel. Een radar is bovendien detecteerbaar door de vijand. Marineschepen hebben fantastische radarsystemen, maar die moeten ze uitzetten wanneer ze niet ontdekt willen worden. Onze AVS is dan nog steeds te gebruiken.’

Voor soldaten bleek de AVS eveneens nuttig. Special forces krijgen bijvoorbeeld vaak een drone mee die hen op het slagveld van informatie voorziet. Het vliegtuigje vliegt over het gebied en registreert met een videocamera waar vijandelijk vuur vandaag komt. Dat is niet altijd even goed zichtbaar. Een AVS kan het geluidsvermogen waarnemen op een specifieke plek, wat een stuk effectiever is in een dergelijke situatie. Daarnaast is het mogelijk om schoten en mortiervuur op de grond te registreren, want in tegenstelling tot een geavanceerde wapenlocatieradar is de sensor vrij gemakkelijk mee te nemen. Bovendien is hij een stuk goedkoper. Met het Nederlandse ministerie van Defensie heeft Microflown onlangs een R&Dcontract van een miljoen euro gesloten om zijn Mems-microfoons ook geschikt te maken voor gebruik op voertuigen. Het grote aantal metingen dat dit idealiter oplevert, geeft een akoestisch totaalplaatje van het slagveld. ‘Binnen defensie breken we nu helemaal door’, stelt De Bree. De CTO van het inmiddels in Arnhem gevestigde Microflown denkt dat er nog veel onontdekte toepassingen zijn voor de akoestische deeltjessnelheidssensoren. Zelf ziet hij nog mooie mogelijkheden onder water. ‘Daar is de geluidssnelheid vijf keer zo hoog als in lucht. En omdat alle hoogfrequente componenten worden gedempt, is al het geluid in water laagfrequent. Dat betekent dat druksensoren behoorlijk ver van elkaar af moeten staan om de richting te kunnen bepalen. Om bereik te hebben met zijn sonar zal een onderzeeër daarom moeten varen. Dat kunnen wij veel beter.’

2 | 49

Achtergrond Astronomie

Op naar een vierkante kilometer antenneoppervlak Komend decennium moet er in Australië en Zuid-Afrika in totaal een vierkante kilometer aan antenneoppervlak worden gebouwd voor radioastronomie. De radiotelescopen die Astron in Noord-Nederland bouwt, moeten de nieuwe technologie verkennen die hiervoor nodig is – zowel de sensoren als het verwerken van de gigantische datastromen die hieruit voortkomen.

Albert-Jan Boonstra

V

oor de radioastronomie betekent oppervlakte gevoeligheid: een grote radiotelescoop kan simpelweg meer radiosignalen opvangen dan een kleine. In de beginjaren van de radioastronomie werden de telescopen dan ook steeds groter. Het gewicht stelt echter een limiet aan de afmetingen. Vandaar dat de radiotelescoop in Westerbork in 1970 is opgebouwd uit veertien afzonderlijke telescopen die aan elkaar kunnen worden gekoppeld tot één grote sensor. In de jaren negentig werden er bij Astron echter al ideeën ontwikkeld voor een nog veel grotere radiotelescoop met een oppervlakte van een vierkante kilometer: de Square Kilometre Array (SKA). Het was duidelijk dat een dergelijke extreem grote telescoop niet met conventionele technieken kon worden gebouwd. Omdat elektronische signaalverwerking steeds goedko-

50 |

2

André Gunst

per werd, ontstond toen het idee om de telescoop uit vele kleine antennes te bouwen en die op een slimme manier elektronisch te combineren. Een bijkomend voordeel van deze aanpak is dat het richten van de telescoop elektronisch gebeurt en dat mechanisch bewegende delen dus niet langer nodig zijn. Dit maakt het instrument niet alleen een stuk voordeliger. Door het gebruik van meer, parallelle, elektronische dataverwerking kan het blikveld van de telescoop ook worden vergroot, iets wat niet mogelijk is met traditionele telescoopschotels. Astron startte daarom aan het eind van de jaren negentig een R&D-programma voor het ontwikkelen van phased arrays of aperture arrays. Astron is onderdeel van NWO; genoemde projecten zijn mede ondersteund door BSik, Efro, SNN, EZ/Kom-

pas, ELI en de provincie Drenthe. De ‘platte antenne’-technologie heeft in 2010 geleid tot de eerste grote stap naar de SKA: de Lofar-telescoop in Noord-Nederland.

Per glasvezel Lofar (Low Frequency Array) bestaat uit zo’n vijftigduizend sensoren verspreid over 48 stations. Veertig hiervan liggen in Nederland, de overige acht zijn verdeeld over Duitsland, Engeland, Frankrijk en Zweden. Daarmee is het momenteel de grootste radiotelescoop op aarde in het lagefrequentiegebied (10 tot 240 MHz). Het geheel is gefinancierd door het BSik-programma voor interdisciplinair onderzoek om de kennisinfrastructuur te verbeteren, met additionele gelden van het European Regional Development Fund (Efro), het Samenwerkingsverband Noord-Nederland en EZ/Kompas.

Foto: Aerophoto Eelde

Het hart van Lofar ligt nabij Exloo in Drenthe. Er zijn meerdere stations te zien. De hogebandantennes zijn de zwarte vlakjes. De foto hierboven toont de lagebandantennes.

Lofar gebruikt twee typen sensoren: een voor radiogolven met een frequentie van 10 tot 90 MHz en een voor het frequentiegebied tussen 120 en 240 MHz. Tevens zijn veel Nederlandse stations uitgerust met sensoren uit andere wetenschappelijke disciplines voor geofysica en infrageluid. De crux van een phased-array-sensorsysteem is om de radiosignalen op een goede, gesynchroniseerde, manier aan elkaar te knopen. Dat wordt gedaan op een centrale plek in het sensorveld. Via coaxiale kabels zijn alle antennesensoren van het station elektronisch met elkaar verbonden. Deze centrale elektronica telt de lokale sensordata gewogen bij elkaar op. Dat resulteert in de vorming van een bundel aan de hemel. Meer bundels kunnen worden gemaakt door simpelweg meerdere optellers te gebruiken.

Lofar heeft nu al een van de beste hemelkaarten ooit gemaakt van gigantische bubbels geproduceerd door een supermassief zwart gat.

Deze aanpak reduceert de datastroom die een station verlaat aanzienlijk. Van de 230 Gb/s die de sensoren op een station gezamenlijk produceren, blijft na optelling slechts zo’n 3 Gb/s over. Die data gaan per glasvezel naar een supercomputer in Groningen om de bundels van de stations met elkaar te combineren. De totale datastroom naar de centrale supercomputer ligt daarmee tussen de 150 en 223 Gb/s, afhankelijk van de geselecteerde waarneemmodus. De supercomputer correleert de gegevens met elkaar en past vervolgens nog een kalibratieprocedure toe om allerlei instrumentele verstoringen te compenseren. Deze aanpak zal gedeeltelijk terugkomen in de SKA. Deze zal begin volgend decennium verrijzen op afgelegen gebieden in Zuid-Afrika en Australië. Omdat Nederland te klein is voor het maken en huisvesten van een tele-

2 | 51

Achtergrond Astronomie

scoop met de omvang van de SKA, is het een internationaal project geworden waaraan op dit moment tien landen deelnemen. De SKA moet een veel bredere band in beeld gaan brengen dan Lofar: van 70 MHz tot aan 10 GHz. Om dit te realiseren, worden er verschillende sensortechnologieën ingezet. Voor de lage band van circa 70 tot 450 MHz speelt de Lofar-technologie een sleutelrol. Voor de hoogste frequenties zijn aperture arrays minder geschikt. Kleinere golflengtes betekenen namelijk ook kleinere antennes, dus je hebt er veel meer van nodig om een groot ontvangend oppervlak te maken. Voor de hoge frequenties tot 10 GHz worden daarom traditionele radiotelescopen geplaatst met diameters tussen de twaalf en vijftien meter.

In de buitenlucht Voor de frequenties daartussenin, van circa 400 tot 1400 MHz, is het nog de vraag wat de beste aanpak is. Er zijn drie opties. De eerste is om ook dit frequentiegebied volledig af te handelen met aperture arrays. De tweede

optie is een hybride aanpak: een aperture array als ontvanger in het brandpunt van een traditionele radiotelescoop. De laatste optie is om een extra of breedbandigere ontvanger in te bouwen in een traditionele radiotelescoop. Bij Astron doen we onderzoek naar de eerste twee benaderingen. Op dit moment is het niet duidelijk welk systeem het meest competitief zal kunnen zijn. Bij de Lofar-aanpak voor deze frequentieband zijn er zo’n dertig miljoen antennes nodig om de vereiste gevoeligheid te halen. Net zoals bij de Noord-Nederlandse telescoop moeten deze sensoren op een slimme manier met elkaar worden verbonden zodat de prijs per vierkante meter zo laag mogelijk is. Dit is zowel een elektronische als een mechanische uitdaging omdat de sensoren uiteraard in de buitenlucht moeten staan. Te midden van de Westerbork-telescopen is daarvoor het Embrace-demonstratiesysteem (Electronic Multi-Beam Radio Astronomy Concept) gebouwd, met een meetbereik tussen de 500 en 1500 MHz. Hiermee

onderzoeken we de volgende stappen op dit gebied wat betreft productiekosten, elektrisch vermogen en systeemruis. Ook dit systeem is gedeeltelijk gefinancierd door het Samenwerkingsverband Noord-Nederland. Momenteel is er een oppervlak van 110 vierkante meter gerealiseerd via veertienduizend antenne-elementen, waarmee we al een pulserende ster (pulsar) en de Melkweg hebben gemeten. Dit gebeurde simultaan met twee onafhankelijke bundels. In het Franse Nançay staat een vergelijkbaar maar kleiner demonstratiesysteem. De techniek waarbij een phased array in het brandpunt staat van een radiotelescoopspiegel heet ook wel focal plane array of phased array feed. Het voordeel is dat de telescoop de beschikking krijgt over een veel groter blikveld dan een telescoop met een traditionele ontvanger. Bovendien biedt deze techniek de mogelijkheid om beeldfouten van de spiegel te corrigeren. Dit principe is als eerste gedemonstreerd bij de telescoop van Westerbork: een wereldprimeur. In 2014 en 2015 zullen

Een aanpak voor middenfrequenties is om een phased array te plaatsen in een traditionele telescoop. Binnen het Apertifproject zullen er twaalf Westerbork-telescopen worden omgebouwd met deze technologie.

52 |

2

twaalf van de veertien telescopen worden uitgerust met deze systemen binnen het Apertif-project (Aperture Tile in Focus).

Exaschaal Radioastronomie is vrij uniek in de zin dat het om extreem veel data gaat die realtime moeten worden verwerkt. Op de sensorsignalen moet de bundelvorming worden uitgevoerd en om de uiteindelijke gekalibreerde hemelkaart te krijgen, zijn er vele online en offline signaalbewerkingsstappen nodig. Systemen hiervoor zijn niet in de markt verkrijgbaar. Daarom ontwikkelt de radioastronomie ze doorgaans zelf. Een voorbeeld is Uniboard, een Europees FP7-project geleid door Jive in Dwingeloo waarin Astron het signaalbewerkingsplatform heeft ontwikkeld en gebouwd. Dit systeem vormt de basis voor de bundelvormer en de centrale computer (correlator) voor Apertif, en is onderdeel van de technologieroadmap voor de SKA. Het bord verwerkt grote hoeveelheden data (160 Gb/s) en kan rond de twee biljoen multiply-and-accumulate-bewerkingen per seconde uitvoeren. In totaal worden er honderdtwintig van dit soort borden ingezet om alle signaalverwerking van Apertif uit te voeren. De uitdagingen voor de SKA-telescoop liggen voor wat betreft de signaalbewerking op de exaschaal: 1018 bewerkingen per seconde. Om dit mogelijk te maken, is vorig jaar het Dome-project gestart, een samenwerking tussen Astron, het IBM-onderzoekslab in Zürich en IBL-NL, gesteund door de provincie Drenthe en het ministerie van ELI. Het mkb wordt erbij betrokken middels een gebruikersplatform. Dit project onderzoekt allerhande nieuwe technieken, variërend van 3D-chips, fotonische signaalwerwerking en slimme algoritmes tot microservers, accelerators en nieuwe dataopslagtechnieken. Albert-Jan Boonstra is hoofd R&D bij Astron en wetenschappelijk projectleider van het Dome-project. André Gunst werkt bij hetzelfde instituut in de digitale- en embedded-processing-groep. Hij was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van Lofar en is nu projectleider van de aperture arrays voor de middenfrequentie (400 tot 1400 MHz). Redactie Pieter Edelman

Het Embrace-project gebruikt vele kleine antennes voor de middenfrequenties. Het grijze gebouw is gebaseerd op polystyreen en is transparant voor radiogolven.

Het Uniboard is ontwikkeld om signaalverwerking zoals filterbanken, bundelvormers en correlatoren te implementeren voor enorme hoeveelheden data. Dit bord is in staat om 160 Gb/s aan data te verwerken. De totale hoeveelheid processing op het bord is 2 GMac/s. Dit aantal kan worden verhoogd door meerdere Uniboards via een backplane te combineren.

2 | 53

Achtergrond Ruimtevaart

Radiotelescoop zwermt uit rond de maan Voor radioastronomie op lage frequenties is een telescoop buiten de dampkring nodig, maar een enkele satelliet is veel te klein voor die toepassing. De draadlozesensornetwerkaanpak kan hier uitkomst bieden. Dit idee wordt uitgewerkt binnen het Olfar-project. Mark Bentum

H

et vakgebied van de astronomie is continu op zoek naar mogelijkheden om het grote heelal in kaart te brengen en het daarmee beter te begrijpen. Daarvoor zijn sensoren ontwikkeld voor elektromagnetische signalen uiteenlopend van lage frequenties tot het zichtbare licht. Het gebied beneden de 30 MHz is echter nog een grote onbekende binnen de astronomie. Wetenschappelijk gezien, is dit een zeer interessant frequentiegebied, onder meer voor het ontdekken van planeten en zonuitbarstingen in andere zonnestelsels, het bestuderen van ruimteweer en het onderzoeken van roodverschoven radiogolven afkomstig van waterstof uit het vroege heelal, de zogeheten dark ages. Helaas is dit frequentiegebied onbereikbaar vanaf de aarde door de invloeden van de ionosfeer. Die geeft scintillaties (vergelijkbaar met het fonkelen van sterren) beneden de 30 MHz. Beneden de 15 MHz is de ionosfeer meestal zelfs helemaal ondoorzichtig. Bovendien wordt dit frequentiegebied veel gebruikt voor communicatiedoeleinden op aarde. Het verschil tussen de zwakke astronomische bronnen en de man-made noise is zo groot dat het praktisch onmogelijk is om ontvangers voor deze toepassing te maken. De enige oplossing is om een groot sensornetwerk te realiseren in de ruimte. Hoe groter de telescoop, hoe hoger het detail. Voor deze lage frequenties is een telescoop van zo’n honderd kilometer in diameter nodig om met voldoende detail te kunnen waarnemen. Voor een dergelijke applicatie kunnen we putten uit de kennis over draadloze sensor-

54 |

2

Chris Verhoeven

Steven Engelen

Raj Thilak Rajan

netwerken. Ruimtelijk verspreide sensoren vormen hierbij autonoom en ad hoc een onderlinge verbinding. Soms varen, rijden of vliegen ze zichzelf naar de gewenste positie als er onevenredig veel menskracht nodig is voor de installatie, of als de locatie erg onbereikbaar of onherbergzaam is. Deze zelfredzaamheid is bij uitstek een eigenschap die in de ruimte goed van pas komt. Bij een sensornetwerk in de ruimte hebben we het over complete satellieten als sensornodes. En wanneer het over grote aantallen nodes gaat, spreken we over een zwerm, een speciaal soort formatie of constellatie waarbij voor de buitenwereld alleen de positie van het geheel belangrijk is. De satellieten zorgen zelf autonoom voor een nette verdeling over het volume van de constellatie. Deze benadering maakt dat de satellieten relatief weinig hulpbronnen zoals brandstof nodig hebben om hun diensten te kunnen bewijzen. En dat maakt op zijn beurt dat nanosatellieten, die wat hulpbronnen betreft heel beperkt zijn, erg goed in een zwerm kunnen functioneren. Hun lage kosten maken het dan weer mogelijk om met grote aantallen te werken. Een zwerm van nanosatellieten kan in de ruimte dus heel effectief als zelf-uitrollend draadloos sensornetwerk fungeren.

Standaard meetlint Dat is exact wat we doen binnen het Olfarproject, een samenwerkingsverband tussen Astron, de Universiteit Twente (Short Range Radio), de TU Delft (Circuits & Systems en Space System Engineering) en de bedrijven Aemics, Axiom IC, Dutch Space,

Alex Budianu

David Smith

Isis, National Semiconductor en Systematic. Hierin wordt de komende jaren gewerkt aan de nieuwe technologieën die het mogelijk moeten maken om een gedistribueerde radiotelescoop te bouwen met een zwerm van tientallen nanosatellieten die bijvoorbeeld in een baan om de maan met lange antennes het niet eerder waargenomen frequentiegebied in kaart brengen. De belangrijkste sensor is het antennesysteem. De benodigde ontvangstelektronica is eenvoudig te ontwerpen en een nanosatelliet biedt ruim voldoende plaats en energie om die mee te kunnen nemen. Voor de antenne zelf ligt dit iets ingewikkelder. De waarneemfrequentie is erg laag, zodat een standaard dipoolantenne erg lang zou moeten worden. Als we een astronomische meting willen uitvoeren op 1 MHz, betekent dit een antennelengte van ongeveer honderdvijftig meter. Aangezien de satelliet zelf ongeveer tien bij tien bij dertig centimeter meet, is dit niet realiseerbaar. Er zijn wel concessies mogelijk. Door de antenne sterk in te korten en de versterker daarop aan te passen, is nog steeds een goede meting mogelijk. Dit wordt dan een actieve antenne die niet in staat is om energie uit het radioveld te halen of op deze frequenties te zenden, maar dat is toch niet nodig. Actieve antennes zijn voor aardse toepassingen al decennia met groot succes in gebruik. Ze meten alleen het elektrische veld van de radiogolven, maar dat bevat alle benodigde informatie. De lengte van de antenne heeft een directe relatie met de ruisvloer van de ontvanger. Die lengte moet zodanig worden gekozen dat de

ruis uit de ruimte hoger is dan die van de ontvanger, waardoor we het signaal uit de ruimte kunnen detecteren. Bij Olfar lijkt het erop dat een antenne van tussen de vijf en tien meter voldoende is en dat lijkt mechanisch weer goed haalbaar voor een nanosatelliet. Een andere uitdaging is hoe de antennes in drie richtingen te plaatsen zijn. Een eerste ingeving is om ze precies in het midden van elke kant van de satelliet te plaatsen. Maar daarmee komen verschillende problemen naar voren. Dan moeten er immers op zes plekken in de satelliet een ontvanger en een uitvouwmechanisme voor deze antenne komen. Dat neemt veel ruimte in beslag en beperkt het plaatsen van zonnecellen en antennes voor de satelliet-naar-satelliet-communicatie. Omdat de satelliet toch al niet symmetrisch is, onderzoeken we op dit moment een geheel andere aanpak. Uit twee hoeken van de satelliet worden drie monopolen ontvouwen. Daarmee zijn er slechts twee plekken in de satelliet nodig voor aansluitingen. Een consequentie van deze uitvoering is dat de dipolen niet meer symmetrisch ten opzichte van elkaar staan. Dit zal een kalibratieslag vereisen. In uitgevouwen toestand moet de antenne enkele meters lang zijn en ook een zekere stijfheid bezitten. Voor de lancering moet het geheel echter juist heel klein zijn. In de Delfi-C3-satelliet van de TU Delft is een standaard meetlint gebruikt. Opgerold neemt dat een beperkte ruimte in, uitgerold is de antenne stijf. De Olfar-antennes zouden hier te lang voor kunnen zijn. Hoewel dit vooralsnog onduidelijk is en er misschien een zero-g-vlucht aan te pas moet

komen om echt uitsluitsel te krijgen, is er als voorzorg een onderzoek gestart naar een alternatieve antenne met metaal in een Vvorm. Op dit moment maken we een eerste prototype dat we gaan onderzoeken op mechanische en elektrische eigenschappen.

Exotisch alternatief Een ander project binnen Olfar richt zich op de sensoren om de positie van de satellieten vast te stellen. Hierbij gaat het om twee dingen: de onderlinge plek en de absolute positie voor navigatiedoeleinden. De relatieve positie kan de intersatellietcommunicatie gebruiken: door tijdvertraging en het faseverschil hiervan te meten, is de onderlinge afstand te bepalen. Voor de absolute positie in het heelal zijn verschillende technieken denkbaar. GPS werkt ver van de aarde niet. Wel kunnen we kijken naar andere objecten. Traditioneel zijn dat sterren aan de hemel. Een camera met beeldverwerkingsalgoritmes kan hiermee een schatting maken van de locatie en de oriëntatie. Binnen Olfar richten we ons op een exotisch alternatief. Het lijkt namelijk mogelijk om objecten in het heelal te gebruiken die zich gedragen als een soort natuurlijke GPSsatellieten: pulsars. Dit zijn overblijfselen van supernova’s die zeer snel om hun as draaien. Ze zenden daarbij over een heel breed spectrum een uniek herkenbaar elektromagnetisch signaal uit met een timing nauwkeuriger dan die van een atoomklok, van enkele megahertzen tot aan röntgenstraling. Door een set bekende pulsars te meten op (ook weer) lage radiofrequenties, moet het voor

De Olfar-radiotelescoop moet worden opgebouwd uit een zwerm nanosatellieten.

een satelliet mogelijk zijn om de positie te bepalen. Dit idee zal binnenkort verder worden uitgewerkt binnen een EU-project. Het aardige is dat pulsarnavigatie, als het werkend te krijgen is, ook gewoon op aarde functioneert. Dan krijgt het Olfar-project ineens een heel interessante spin-off die in het dagelijks leven als betrouwbare back-up kan dienen voor de satellietnavigatiesystemen waar op dit moment veel van afhangt en die gevoelig zijn voor de grillen van onze zon. Het lijkt erop dat er voor nanosatellieten in ieder geval één nuttige wetenschappelijke toepassing bestaat. Dat is, uitstekend passend in de Nederlandse traditie, een radiotelescoop die een tot nu toe ongezien frequentiegebied ontsluit. Er is op dit moment geen ander systeem bekend dat eerder tot resultaten zou kunnen leiden dan Olfar. Nederland laat hiermee wederom zien hoe je een krachtige radiotelescoop bouwt. En wanneer het eerste kleinst denkbare satellietje de maan bereikt, zullen we misschien terugdenken aan wat wij vroeger met kleine scheepjes deden. Winnen! Wetenschappers Mark Bentum (UT/Astron) en Chris Verhoeven (TU Delft) leiden het Olfarproject. Steven Engelen, Raj Thilak Rajan en Alex Budianu doen hun promotieonderzoek en David Smith is postdoc binnen het project. Redactie Pieter Edelman

2 | 55

In bedrijf Caeleste

De hemel bestormen met CMos-beeldsensoren De sensorervaringen die hij opdeed bij Imec, spin-off Fillfactory en de voortzetting daarvan onder Cypress-vlag nam Bart Dierickx mee naar zijn eigen bedrijf Caeleste. De ruimte is een terugkerend thema in de activiteiten van de Antwerpse beeldchipontwerper. Joost Backus

M

ede gestimuleerd door het onderzoek van Imec lijkt België zich steeds meer op te werpen als een van de Europese beeldsensorbolwerken. Ook Caeleste heeft zijn roots in het Leuvense R&Dcentrum: medeoprichter Bart Dierickx was daar als verse doctorandus personeelslid nummer 74. Met de uithuisplaatsing van de beeldsensoractiviteiten in 2000 verhuisde hij mee naar Fillfactory. Een paar jaar later kwam de spin-off in handen van Cypress, dat er echter een compleet andere marktvisie op na hield. ‘Met een groep van veertig ingenieurs probeerden we daar te concurreren met bedrijven waar vierhonderd mensen aan gelijkaardige producten werkten’, herinnert Dierickx zich. In 2006 besloot Dierickx met twee compagnons voor zichzelf te beginnen. Bij een van hen op zolder, bijna traditie in de hightech, ontwierpen ze de eerste producten. Tegenwoordig bewoont Caeleste een heus kantoor in Antwerpen-Berchem. Twaalf medewerkers maken daar specialistische CMos-beeldsensoren, met name voor toepassingen in de ruimtevaart. De officiële lezing van de bedrijfsnaam verwijst daarnaar: caeles is Latijn voor ‘hemel’, de ‘te’ staat voor ‘technologie’. De oorspronkelijke herkomst is echter het eveneens Latijnse har-

56 |

2

monia caelestium ‘hemelse harmonie’, dat de oprichters gewoon leuk vonden klinken.

Zwarte schoenen De huidige CMos-beeldsensoren zijn grotendeels gebaseerd op actieve pixeltechnologie. Binnen in de kleine pixels worden hierbij fotodetectoren gekoppeld aan een signaalversterker. Door de versterkers uit te lezen, ontstaat een digitaal beeld. Het begon allemaal met de Mos-variant in 1968. Hier kleefden vele haken en ogen aan, waaronder hoge ruis, grote variabiliteit in het productieproces en yield-problemen. Mos-sensoren werden daardoor jarenlang gezien als inferieur aan charge-coupled devices (CCD’s), een in 1970 uitgevonden alternatieve halfgeleiderpixeltechnologie die de meeste van deze bezwaren niet kende. Ook de CMos-opvolgers konden lange tijd niet tippen aan CCD’s, vertelt Dierickx. ‘Het signaal van een CCD was zo clean dat het rechtstreeks op de antenne kon.’ In 1983 kreeg Dierickx als kersverse promovendus van zijn promotor Gilbert Declerck de mogelijkheid om te werken aan ruimtevaartcamera’s. ‘Toen ontdekten we dat CCD’s niet meer werkten bij lage temperaturen. Bij 77 kelvin hield het op. Het lelijke eendje CMos deed het daar echter

Met partner Brainvision brengt Caeleste een Tof-camera op de markt voor toepassingen in de automotive, robotica en eventueel gaming.

prima. CCD’s bleken bovendien niet stralingshard: in de ruimte gingen ze na een half jaar stuk. Wederom bracht CMos soelaas. Zo hebben we gezien hoe CMos de markt van CCD langzaam is beginnen opeten langs verschillende kanten.’ Een ander probleem met CCD’s is dat pixels sequentieel worden uitgelezen, dus allemaal via één kanaal gaan. Bij hoge beeldfrequenties wordt dat een bottleneck. Dit heeft ertoe geleid dat hogesnelheidscamera’s zijn uitgeweken naar CMos. ‘Daarnaast zorgde de wet van Moore en de bijbehorende grote verbeteringen en miniaturisatie van het productieproces ervoor dat CMos ook bruikbaar werd voor heel kleine pixels’, vult Dierickx aan. ‘Vandaag de dag zijn bijna alle beeldsensoren CMos, behalve voor enkele zeer specifieke high-end toepassingen waar uniformiteit primordiaal is.’ Voor een goede beeldsensor is het aantal megapixels helemaal niet zo belangrijk; het zijn juist de donkerstroom en de ruis die tellen. ‘We zaten ooit eens om de tafel met Nokia omdat we onze producten graag daar wilden wegzetten’, geeft Dierickx een treffend voorbeeld. ‘Die mensen hadden de ‘black shoe under the table’-test, waarbij ze onder de tafel een plaatje schoten van zwar-

te schoenen. Als ze dan allerlei artefacten zagen, betekende dat dat de sensor voor hen niet goed genoeg was. In de mobiele hoek is een sensor gewoon een commodity.’

Paradepaardje Al deze ervaringen namen Dierickx en de zijnen mee naar Caeleste, dat zich juist richt op de high-end markt. Het bedrijf maakt bijvoorbeeld golffrontsensoren voor de European Extremely Large Telescope (E-ELT). Met een hoofdspiegel van 39 meter in doorsnee wordt dit veruit de grootste optische/ Nir-telescoop ter wereld. Hiervoor heeft Caeleste een ongewone en uitdagende combinatie van specificaties opgelegd gekregen: 1760 bij 1760 pixels, elk met een grootte van 24 bij 24 µm en uitleesfrequenties van zevenhonderd tot duizend frames per seconde. De 35 duizend parallelle on-chip ADC’s spuwen iedere seconde tot dertig miljard bits uit. Daarbij heeft de sensor een ultralage ruis van minder dan 2,4 elektronen en een kwantumefficiëntie van bijna honderd procent. Een ander gebied waarin Caeleste pioniert, is het maken van röntgenbeelden in verschillende energieën, oftewel ‘kleurenröntgen’. Voor het maken van een medisch röntgenbeeld worden intensiteiten

gebruikt tussen de tien en honderd kiloelektronvolt. Koolstof, stikstof en zuurstof hebben hierbij een andere spectrale absorptie. Caeleste heeft een beeldsensor ontwikkeld die de verschillende invallende fotonen kan tellen en hun energieën kan bepalen. Hiermee is een plaatje te genereren dat toont waar vet- en watermassa’s in het weefsel aanwezig zijn. Caeleste ontwerpt en patenteert ook verschillende concepten voor time of flightcamera’s (Tof). Hiermee zijn bewegingen te visualiseren. Sinds afgelopen jaar heeft het bedrijf met partner Brainvision een Tof-camera op de markt voor toepassingen in de automotive, robotica en eventueel gaming. Paradepaardje is een sensor van veertien bij veertien centimeter, ongeveer het grootste vierkant dat uit een CMos-wafer met een diameter van twintig centimeter is te halen. Deze joekel is bedoeld voor gebruik in de astronomie en heeft maximaal tien defecte pixels. Zo is de ruimte is een terugkerend thema bij Caeleste. Een zekere fascinatie voor dit onderwerp kan Dierickx ook niet ontkennen. ‘Ik schep wel eens op dat een van de IC’s die ik heb ontworpen nu op het oppervlak van Mars ligt. Er zijn niet zo veel mensen die dat kunnen zeggen.’

2 | 57

Achtergrond Medisch

Bloedvatsensor maakt doorstart op intensive care Al uren voordat een patiënt er echt ziek van wordt, verraden de haarvaatjes dat er een bloedvergiftiging gaande is, een levensgevaarlijke situatie voor intensivecarepatiënten. De sensor van AMC-spin-off Microvision voor deze bloedvaatjes is hard op weg om tot de standaarduitrusting van het ziekenhuis te behoren. Pieter Edelman

I

n de tweede eeuw van onze jaartelling beschreef de Griekse arts Galenus hoe het bloedvatenstelsel via vertakkingen tot in alle delen van het lichaam doordringt. De exacte werking ontging hem echter; hij meende dat aderen en slagaderen twee gescheiden systemen waren die doodliepen in de organen. Zijn beschrijving miste een essentieel element: de haarvaten. Hierdoor stroomt het bloed door de organen van de slagaderen naar de aderen. Het zijn ultrafijne vertakkingen die ervoor zorgen dat een lichaamscel nooit ver weg is van een bloedvaatje; de kleinste haarvaatjes zijn nét breed genoeg voor een rode bloedcel, de zuurstoftransporteurs van het lichaam. Galenus kon dit allemaal niet bevroeden. Pas in de zeventiende eeuw kwamen er microscopen die de haarvaatjes en rode bloedcellen in beeld konden brengen. De volgende stap liet minder lang op zich wachten: eind jaren negentig van de vorige eeuw ontwikkelde het Amerikaanse bedrijf Cytometrics een techniek om ze niet-invasief bij een patiënt aan het bed in beeld te brengen. ‘Het AMC was een van de instellingen die toen veel onderzoek zijn gaan doen om te kijken wat daarmee kan’, vertelt Keshen Mathura, COO van het Amsterdamse bedrijfje Microvision. Samen met CEO JeanMarc ter Riet startte hij het bedrijf in 2003 als spin-off van het academische ziekenhuis om de geleerde lessen in te zetten voor een specifiek scenario: bij patiënten op de intensive care bloedvergiftiging detecteren,

58 |

2

een levensgevaarlijke situatie die op een tijdschaal van slechts uren tot ernstige problemen kan leiden en vaak zelfs tot de dood. Bloedvergiftiging ontstaat als ziektekiemen op de een of andere manier – bijvoorbeeld tijdens een operatie of ernstige verwonding – binnendringen in de bloedvaten, normaal gesproken een steriel gebied van het lichaam. Wanneer ze zich weten te vermenigvuldigen, kan dat uiteindelijk leiden tot een dramatische daling van de bloeddruk, waardoor de organen niet voldoende zuurstof meer krijgen. Het lichaam geeft zich echter niet zonder slag of stoot gewonnen. Op het moment dat er te weinig bloed is, gaat het prioriteren. Hart, longen en hersenen móeten simpelweg altijd voorzien worden. De lever en nieren eigenlijk ook wel. Maar huid en slijmvliezen? Die kunnen wel met wat minder toe. De haarvaatjes krijgen de opdracht om een beetje samen te knijpen zodat er geen bloedcellen meer doorheen passen. ‘De patiënt is daar uiteindelijk niet mee geholpen’, vertelt Mathura. ‘Maar het is wel al vroeg waarneembaar, vroeger dan elke andere indicator. De bloeddruk daalt pas uren later en dan is de patiënt al ernstig ziek aan het worden.’ Terwijl snel ingrijpen juist cruciaal is.

Kleine föhn De sensor van Microvision is bedoeld om dwars door weefsels heen te kijken en een afbeelding te maken van alleen de rode bloedcellen. Dat verraadt waar de bloedva-

ten lopen – deze cellen zitten altijd in een bloedvat. Meegeleverde software meet in het beeld hun diameter en lengte. Ontbreken de allerdunste haarvaatjes in het beeld, dan stromen daar geen rode bloedcellen door. Een teken aan de wand. Het principe van de detector is eigenlijk verrassend simpel. In de basis bestaat hij uit een microscoop met beeldsensor, die tegen het weefsel wordt aangedrukt en daar tot enkele honderden micrometers diep kan kijken. Om ervoor te zorgen dat de microscoop alleen de rode bloedcellen in beeld brengt, is de sensor voorzien van een lichtbron die specifiek is afgestemd op het absorptiespectrum van hemoglobine: 540 nanometer ofwel groen. Eigenlijk probeert de sensor de bloedcellen dus juist niet te zien: door het ontbreken van teruggekaatst licht worden ze zwart afgebeeld terwijl de omliggende delen uniform worden verlicht. ‘We gebruiken het hemoglobine in de rode bloedcellen als het ware als contrastmiddel’, legt Ter Riet uit. De lichtbron ligt als een ring om de microscoop heen. Hij wordt direct op het weefsel gedrukt en ligt een beetje teruggetrokken, waardoor er geen licht direct de microscoop in lekt. Het enige dat de sensor ziet, is daarmee het zwakke licht dat uit het weefsel wordt gereflecteerd. De meting wordt uitgevoerd onder de tong van de patiënt. ‘Je zou in principe door de huid heen kunnen kijken, maar die is vrij dik. Je zou dan een erg sterke lichtbron moeten gebruiken terwijl het beeld niet

Onder groen licht worden rode objecten zwart. De rode bloedcellen steken daardoor zwart af tegen een witte achtergrond. De sensor van Microvision bestaat uit een microscoop die rode bloedcellen in de weefsels onder de tong in beeld brengt.

zo goed wordt’, vertelt Mathura. ‘Daarom moet je de plaatsen gebruiken waar de vaten vlak onder het oppervlak liggen, zeg maar de natte plekken.’ Het geheel is gevat in een handheld sensor met de afmetingen van een kleine föhn. Op de voorkant wordt voor elke patiënt een nieuwe steriele wegwerpkap geplaatst, terwijl de gebruiker aan de achterkant belichting en focus kan instellen. De sensor is met een kabel verbonden met een batterij-unit en een laptop. ‘In een toekomstige uitvoering zou de meting misschien kunnen worden geïntegreerd in de handheld unit. Voor de klinische toepassing is het nu eigenlijk niet meer nodig om over de videobeelden te beschikken. Maar we wilden het systeem in eerste instantie zo open mogelijk maken zodat onderzoekers over de ruwe meetdata kunnen beschikken’, verklaart Ter Riet.

Even opletten De technologie, sidestream dark field genoemd, is eigenlijk een doorontwikkeling van de aanpak van Cytometrics. Het belangrijkste verschil was dat de Amerikanen de microscoop en lichtbron niet optisch van elkaar isoleerden, maar polarisatiefilters gebruikten om het directe licht weg te filteren. Hun pogingen om deze aanpak tot commercieel succes te brengen, zijn nauw vervlochten met de ontstaansgeschiedenis van Microvision. ‘Zij hadden een nogal ambitieus doel’, aldus Ter Riet. ‘Zij wilden die technologie inzetten voor het stimule-

ren van bloeddonoren. Want wat bleek nou: mensen hebben niet zo heel veel moeite met de dikke naald in hun arm om bloed af te staan, maar wel met het prikje in hun vingertop om te bepalen of ze geschikt zijn als bloeddonor. Cytometrics wilde dat prikje vervangen door een lichtmeting.’ Ondanks tientallen miljoenen aan venture capital bleek dat een te harde noot om te kraken. Het bedrijf kwam in financiële problemen en ging uiteindelijk in 2003 over de kop. Een ramp, vonden Ter Riet en Mathura, want het was ondertussen duidelijk geworden dat de technologie op de ic levens kan redden. ‘Er was destijds een onderzoek gepubliceerd naar de vernauwing van die haarvaten. Bij patiënten op de ic bij wie dit werd waargenomen, was 87 procent 24 uur later overleden!’, vertelt Mathura. De mogelijkheid om iets fundamenteels te verbeteren in de ic-zorg was voor hen uiteindelijk te groot om te laten liggen. Zij gingen op zoek naar een techniek die uit het vaarwater van Cytometrics’ patentportfolio zou blijven en richtten daaromheen uiteindelijk een bedrijfje op, actief en financieel gesteund door het AMC. In 2005 kwam de Microscan-sensor op de markt. ‘De meeste technologische vernieuwingen op de ic de afgelopen decennia zijn eigenlijk verbeteringen van bestaande systemen. Dit is echt wat nieuws. Maar als wij daar niks mee hadden gedaan na het faillissement van Cytometrics was het gewoon blijven liggen’, stelt Ter Riet. De ultieme bevestiging wat hem

betreft, kwam op een conferentie bij monde van de inmiddels overleden arts Max Harry Weil, die als grondlegger van de hedendaagse traumazorg wordt beschouwd. ‘Toen wij ons praatje wilden houden, stond hij op, richtte zich tot het publiek en zei: ‘Nu moeten jullie even opletten, want dit is écht wat nieuws.’’ Over aandacht heeft het nu vijfkoppige bedrijf dan ook niet te klagen. De technologie staat duidelijk op de agenda van icartsen wereldwijd en er zijn adviezen in de maakt om standaard drie keer per dag de controle toe te passen op alle ic-patiënten. De technologie is ook in een nieuwe fase terechtgekomen, vertelt Mathura: ‘In het begin werden er vooral onderzoeken gepubliceerd die de eerdere resultaten bevestigen. Nu zie je veel meer dat er publicaties komen over wat bepaalde metingen betekenen voor specifieke patiëntgroepen.’ En andere toepassingen, zoals Microvision zelf ook een alternatieve toepassing werd voor de Cytometrics-technologie? Er zijn mogelijkheden zat, maar ze staan niet echt op de agenda van de oprichters. ‘Er zijn onderzoeken over een relatie met hartfalen, en hier bij het AMC was een aio die onze oplossing gebruikte voor metingen aan wondherstel. Maar om daar goed in te kunnen kijken, moet je op de wondrand gaan zitten, en dat is juist het meest pijnlijke deel’, licht Mathura toe. ‘Ik schat dat negentig procent toch wel wordt gebruikt voor de ic. Maar als iemand vragen heeft, dan helpen we hem daar uiteraard wel mee.’

2 | 59

Achtergrond Beeldverwerking

CMosis en de renaissance van een Leica Het Antwerpse CMosis levert de 24 megapixel beeldsensor voor de nieuwste fotocamera van Leica. De samenwerking met de Duitse maker van hoogwaardige optische apparatuur liep gesmeerd. Joost Backus

N

a een periode van marktonderzoek en investeerders aantrekken ging CMosis in 2008 echt van start. Sindsdien heeft het Antwerpse ontwerphuis zijn omzet in CMos-beeldsensoren elk jaar verdubbeld. De onderscheidende kenmerken: een global shutter, een andere manier om de pixelmatrix uit te lezen en snelle on-chip AD-conversie die zeer hoge framerates mogelijk maakt. Tot voor kort bewoog CMosis zich hoofdzakelijk in industriële markten. Eind vorig jaar kwam daar verandering in, toen het een aansprekende samenwerking in de consumentenelektronica wereldkundig mocht maken. Oude rot in fotocamera’s Leica heeft de Antwerpenaren in de arm genomen om de 24 megapixel CMos-beeldsensor te leveren voor zijn gloednieuwe M-model.

Streepje voor Volgens Guy Meynants was Leica specifiek op zoek naar een sensor op het full-frame 35-mm-formaat, met een laag energieverbruik, een lage ruis en een lage donkerstroom. ‘Zij gebruikten eerst CCD’s’, aldus de medeoprichter en CTO van CMosis. ‘Een grote CCD-chip kun je echter niet snel genoeg klokken om de datastromen te realiseren die nodig zijn voor HD-videotoepassingen. Een laag energieverbruik was belangrijk om te voorkomen dat de sensor bij deze toepassingen te veel opwarmt.’ Een andere bijzondere eigenschap van de Leica-camera’s is dat ze spiegelloos zijn, zodat de lens heel dicht op de sensor zit. ‘Dat geeft invalshoeken van dertig, veertig graden of wel meer’, legt Meynants uit. ‘Veel sensoren kunnen daar slecht mee omgaan. Onze producent ST kan een heel dunne op-

60 |

2

bouw realiseren: de ‘microlensjes’ van de pixels staan heel dicht op de bijbehorende fotodiodes. Dat is een enorm voordeel bij dergelijke grote invalshoeken.’ Verder heeft CMosis een streepje voor met zijn zuinige ADC, zijn 14 bit conversiebreedte en zijn dynamische bereik van 76 dB. ‘Wij gebruiken een techniek waarbij we twee samples van een pixel twee keer bemonsteren. Dat draagt bij aan de goede ruiscijfers. Bij video sommeren we de beeldpunten, want daar zijn van de 24 megapixels maar twee megapixels nodig.’ Voor het digitale deel heeft CMosis control loops ingebouwd op de chip om het zwartniveau aan te passen met behulp van zwarte pixels aan de rand van de pixelmatrix.

Om en om Leica heeft CMosis veel vrijheid gegeven bij de ontwikkeling. ‘We wisten goed wat we aan elkaar hadden’, vertelt Meynants. ‘De specs stonden in steen gehouwen, de im-

plementatie was aan ons. Bij Amerikaanse bedrijven is het nog wel eens fuzzy allemaal; bij Duitsers, maar ook bij Japanners, is er een soort Gründlichkeit waardoor het fijn samenwerken is.’ De eerste prototypes voor de Leica M had CMosis al in augustus 2011 gereed, de tweede in april 2012. ‘Wij zitten vaak op het tijdkritieke pad: de specs voor de sensor zijn het laatst klaar, maar de chip moet doorgaans als eerste worden geleverd om de ontwikkeling af te kunnen ronden’, aldus Meynants. ‘Desondanks liep het bij ons vrij gesmeerd. Alle problemen hebben we gecorrigeerd via de routing op de chip. We hebben geen enkele transistor hoeven aanpassen.’ ‘Eigenlijk heeft Leica iets unieks gedaan’, besluit Meynants. ‘Vaak zie je dat generaties om en om worden geïntroduceerd: eerst verversen ze de sensor en houden ze de oude processor, om in een volgende iteratie ook bij de processor een stap te maken. Leica heeft in één klap beide vernieuwd.’

Achtergrond Logistiek

Sensoren bewaken de koude keten Levensmiddelen, maar ook medicijnen, kunnen bederven als ze tijdens het transport te warm of te koud worden bewaard. Voor de eindklant betekent dat verspilling, voor de transporteur kan dat hoge claims tot gevolg hebben. Slimme sensoren kunnen de goederen onderweg bewaken en gezamenlijk kunnen ze een distributiecentrum in de gaten houden, vertelt Lodewijk van Hoesel van Ambient Systems. Lodewijk van Hoesel

I

n Nederland wordt jaarlijks naar schatting voor een miljard euro aan voedsel weggegooid voordat het de klant bereikt. Zonde, want er is water verbruikt om het voedsel te verbouwen en er zijn kilometers gereden om de producten naar het distributiecentrum te vervoeren. Een gedeelte van de totale voedselderving is te wijten aan transport en opslag. Goederen worden per vrachtwagen, vliegtuig en andere vervoermiddelen van de producent naar de gebruiker gebracht via een netwerk van op- en overslagcentra. Bij bederfelijke producten moet het klimaat tijdens het transport worden gereguleerd en de reis zo kort mogelijk zijn: de koude keten. Het probleem van bederfelijk voedsel werd pijnlijk duidelijk in een pilot voor een Duitse supermarktketen waaraan wij met Ambient Systems deelnamen. De aardbeien voor deze retailer worden gekweekt in Noord-Spanje en na de pluk per vrachtwagen naar Duitsland vervoerd. Aardbeien zijn erg gevoelig voor de temperatuur. Tijdens hun tweedaagse reis kunnen ze het beste tussen de 2 en 4 graden Celsius worden gehouden. Deze strikte eisen betekenden uiteindelijk een groot verlies tijdens het transport: de distributiecentra en de supermarktvestigingen gooiden samen rond de dertig procent van de aardbeien weg. Het is, zeker voor de eindklant, lastig om te bepalen waar dit aan ligt. Is de koeling wel goed ingesteld? Zet de chauffeur de koeling misschien uit om brandstof te besparen? Een manier om dit boven water te krijgen, is met de inzet van slimme sensoren, een aanpak die in de vorige eeuw is bedacht. Mark Weiser stelde in 1988 dat kleine computers die overal aanwezig zijn, hetzelfde of misschien wel meer kunnen bereiken dan één grote computer. Kristofer Pister deed daar in 1997 nog een schepje bovenop door te bedenken dat als deze kleine, simpele computers ook nog zouden kunnen waarnemen, er een immens nauwkeurig beeld kan worden gevormd van allerlei fenomenen.

Om te beginnen, kan een slimme sensor meereizen met de goederen. Door sensoren uit te rusten met communicatiemogelijkheden en een beetje intelligentie kan de chauffeur direct worden gewaarschuwd als de temperatuurgrenzen worden overschreden. Ook kunnen ze dan autonoom de

voorzien van 31 routers zodat de sensoren ook met het distributiecentrum zélf communiceren. Dankzij de routers kunnen de sensoren een verbinding leggen met een centrale computer, die op zijn beurt in contact staat met het internet. De routers communiceren onderling via de licentievrije band rond de 2,4

Aardbeien zijn bijzonder gevoelig voor temperatuur tijdens het transport. Meereizende slimme sensoren kunnen helpen om bederf onderweg te verminderen.

verwachte houdbaarheid van de goederen uitrekenen. Zodra de vracht bij het distributiecentrum aankomt, leggen ze contact en vertellen ze de retailer welke kratten er het eerst naar de winkel moeten. In het aardbeienproject bleken er met deze aanpak grote besparingen haalbaar.

Best beschikbare route Interessanter wordt het als de slimme sensoren volgens de visie van Weiser en Pister een netwerk gaan vormen om gedistribueerd de omgeving waar te nemen. Een voorbeeld hiervan is het distributiecentrum op de luchthaven van Luxemburg van de Panalpina Group, een van ’s werelds grootste logistieke aanbieders. Panalpina gebruikt dit distributiecentrum om per vliegtuig en per vrachtwagen temperatuurgevoelige farmaceutische producten te verzenden – een van de snelst groeiende segmenten van het bedrijf. Voor het bewaken van deze medicijnen tijdens het transport worden eveneens slimme sensoren ingezet. Het distributiecentrum van zestigduizend vierkante meter is bovendien

GHz en geven de datapakketten steeds via de best beschikbare route aan elkaar door totdat de eindbestemming is bereikt. Hiermee is het gehele distributiecentrum redundant bedekt en kan er direct worden gereageerd op de realtime alarmering van de sensoren. Tevens zijn temperatuursensoren geïnstalleerd in bijvoorbeeld koelcellen en houden weer andere sensoren in de gaten of de deuren hiervan niet te lang openblijven. Dankzij het draadloze sensornetwerk heeft Panalpina van begin tot einde realtime inzicht in de condities van de goederen die het verscheept. Hiermee kan het bedrijf productbederf en hoge claims die daaruit volgen, voorkomen, en interne bedrijfsprocedures meetbaar verbeteren. Als extra service kan de transporteur open met klanten communiceren over de omstandigheden van goederen – als een extra aangeboden service. Lodewijk van Hoesel is CTO van Ambient Systems. Redactie Pieter Edelman

2 | 61

Achtergrond Leefomgeving

Sensorkastjes houden luchtkwaliteit Eindhoven realtime in de gaten Sensortechnologie en opensource software gaan een doorslaggevende rol spelen in verbetering van de luchtkwaliteit in Eindhoven. De stad fungeert vanaf dit voorjaar als pilot voor een innovatief systeem dat de hoeveelheden (ultra)fijnstof en stikstofoxides registreert. Projectdeelnemers ECN en Imtech ICT vertellen over de ontwikkeling van de sensorkastjes en het back-end. Erik Dierdorp

N

et als in andere steden vormt de luchtkwaliteit in het centrumgebied van Eindhoven een probleem. Een breed actieprogramma dat provincie en gemeentes gezamenlijk uitvoeren om die kwaliteit te verbeteren, lijkt onvoldoende effectief. De kans is aanwezig dat het niet gaat lukken om te voldoen aan de EU-normen, die mogelijk ook nog eens verder worden aangescherpt. Het effect van de luchtkwaliteit op de gezondheid blijkt daarnaast groter dan gedacht. Bovendien bestaan er onverklaarbare verschillen tussen de berekende en de feitelijk gemeten luchtkwaliteit. Om de luchtkwaliteit effectief te verbeteren, is meer inzicht nodig in alle relevante factoren. Dat is precies wat het Aireasluchtmeetsysteem in Eindhoven kan opleveren. Dit systeem is een fijnmazig netwerk van sensoren waarmee (ultra)fijnstof en stikstofoxides realtime zijn te meten. Voor de betrokken partijen kan het tevens als zogeheten Living Lab fungeren, bijvoorbeeld ter ondersteuning van wetenschappelijk onderzoek, technologische innovaties en de uitvoering van beleidsprogramma’s op het snijvlak van milieu, gezondheid, verkeer en economie. De regie over de implementatie van het luchtmeetsysteem ligt bij Aireas, een coöperatieve vereniging die zich richt op duurzame verbetering van het leefklimaat met behulp van hightech oplossingen. De industriële inbreng komt van Imtech ICT en Philips. De onderzoekspartners zijn ECN, het Institute for Risk Assessment Sciences (Iras) van de Universiteit Utrecht en de faculteit Geo-informatiewetenschappen en Aardobservatie (ITC) van de Universiteit Twente. De gemeente Eindhoven en de provincie Noord-Brabant nemen deel vanuit de overheid.

62 |

2

René Otjes

Bastiaan Wit

Carl Wolff

Amperometer Doel van het pilotproject is een luchtmeetsysteem op te zetten dat niet alleen goed werkt maar ook betaalbaar is, om het meten van luchtkwaliteit laagdrempelig te maken. In tegenstelling tot de bestaande oplossingen moet dit systeem echt realtime en low-cost worden. We gebruiken vier typen sensoren: voor fijnstof, ultrafijnstof, NOx en ozon. Die voor ultrafijnstof is een kant-enklaar product, ontwikkeld en in het project ingebracht door Philips Research. Die voor fijnstof, NOx en ozon kopen we in en passen we met onze eigen kennis aan om de nauwkeurigheid te verhogen. Dat laatste is nog een behoorlijke uitdaging. De EU-regels zijn gebaseerd op metingen van deeltjes die kleiner zijn dan tien micrometer (PM 10). Het advies vanuit de Wereldgezondheidsorganisatie is om nog fijner te meten: op een niveau van PM 2,5. Met ons systeem halen we al PM 1: we kunnen deeltjes registreren die kleiner zijn dan één micrometer. Voor ultrafijnstof kunnen we zelfs tot PM 0,1-niveau gaan. De ultrafijnstofsensor van Philips kan deeltjes meten met een doorsnee tot een paar honderd nanometer. Deze hebben nauwelijks massa maar de aantallen zijn heel groot. Kern van de sensor is een kanaal met drie delen, waar lucht doorheen wordt gezogen. In het eerste deel zit een coronalader, die een hoge spanning op de lucht zet. Als gevolg daarvan worden de deeltjes geladen, de kleinere minder dan de grote. In deel twee van de sensor passeren ze vervolgens een elektrisch veld, dat de deeltjes met een grote lading doet afbuigen naar een elektrode. De overblijvende nanodeeltjes gaan in de derde trap door een kooi van Faraday, waar ze worden afgevangen op een metalen oppervlak. Een amperometer meet

de stroom die zo wordt opgewekt, wat een maat is voor het ultrafijnstof. Het fijnstof registreren we met een low-cost optische sensor. De lens die daarin zit, wordt na verloop van tijd vies. Om die vervuiling te volgen, hebben we eigen elektronica toegevoegd, zodat we tijdig weten wanneer we de sensor moeten vervangen. Daarnaast hebben we de standaard component uitgebreid met meet- en regeloplossingen van ECN die de nauwkeurigheid met ongeveer een factor tien verbeteren. Alle modificaties doen we in samenwerking met de fabrikant. De basis van de NOx-sensor is een elektrochemische cel in de vorm van een tonnetje, met aan de bovenkant een teflon membraan waar wel gassen doorheen kunnen maar geen vloeistoffen. Onder dit vlies zitten enkele vloeistoflagen waarin het doorgelaten stikstofdioxide oxideert tot nitraat (NO3–). Via drie elektrodes en weer een amperometer meten we hoeveel elektronen nodig zijn voor deze omzetting. Die hoeveelheid is een maat voor het aantal NO2-moleculen in de lucht. Een probleem is dat variaties in luchtvochtigheid en temperatuur de meting verstoren. Om hiervoor te compenseren, werkt ECN nu aan een aanpassing van de sensor.

Gaius De fijnstof-, NOx- en ozonsensor stoppen we gedrieën in een kastje, samen met alle meetapparatuur. In totaal krijgt de stad Eindhoven 35 van zulke Airboxen, dertig op een vaste plek en vijf mobiel. Daarnaast komen er vijf extra kastjes met alleen een ultrafijnstofsensor van Philips. De integratie doet ECN in eigen beheer, op zelf ontworpen en gelay-oute printplaten. Om preciezere meetresultaten te verkrijgen, gebruiken we niet de ingebouwde digitale uitleesmogelijkheid van de senso-

In totaal krijgt de stad Eindhoven 35 Airbox-kastjes, dertig op een vaste plek en vijf mobiel.

ren maar de analoge, in combinatie met een zelf ontwikkeld algoritme. In samenwerking met de sensorfabrikanten maken we de meettechniek steeds geavanceerder en zorgen we ervoor dat er tijdens de levensduur nauwkeurigere gegevens beschikbaar komen. De Airbox bevat twee door onszelf geprogrammeerde microcontrollers. De ene leest de aangesloten sensoren uit en geeft de meetresultaten via een RS232-verbinding door aan de andere. Die regelt de communicatie met het modem, dat de gegevens via GPRS naar het back-end stuurt. Daar zorgt Imtech ICT voor centrale opslag en ontsluiting van de data, zodat de Aireas-partners er zinvolle informatie uit kunnen afleiden. Het back-end is een server met versie 6.3 van de Linux-distributie CentOS, waarop het opensource Gaius-systeem van Imtech draait. Dit in Python gebouwde platform bevat een data-acquisitiemodule om de sensorberichten te verwerken die via TCP/IP-verbindingen binnenkomen vanuit het GPRS-netwerk. Gebaseerd op de vorm en inhoud van de berichten maakt het voor iedere sensor automatisch een tabel aan in de centrale database. Daarnaast zijn er mechanismen om de bestaande connecties weer te geven, sensoren te bewaken en de opgeleverde data door menselijke ogen te laten inspecteren. Optioneel maakt de acquisitiemodule realtime gebruik van de meetdata mogelijk. Daartoe biedt hij op 20 Hz draaiende ‘selectoren’ die de aangeboden gegevens continu analyseren. Bij een plotselinge discrepantie in de data, bijvoorbeeld een zeer hoge waarde, verstuurt het systeem een mail waarin staat dat het een afwijking heeft gesignaleerd die correctieve actie behoeft. De centrale database is gebaseerd op het Hierarchical Data Format (HDF5). Dit formaat is gemaakt voor grote hoeveelheden gegevens en is zeer efficiënt in opslag en retrieval. Zoals de naam al aangeeft, kan het hiërarchisch georganiseerde data bevatten, bijvoorbeeld geografisch gegroepeerd op GPSlocatie. HDF5 wordt veel toegepast in de wetenschappelijke wereld. Python heeft een efficiënte binding met het dataformaat en er zijn verschillende standaard tools voor beschikbaar, bijvoorbeeld VITables. Gaius maakt de HDF5-database toegankelijk via het opensource Opendapprotocol, dat een Hyrax Data Server gebruikt om de meetresultaten over het internet aan te bieden aan de Aireas-partners. Het protocol bevat inspectiemechanismen zodat afnemers de aangeboden data kunnen onderzoeken. Ook zijn er Api’s voor softwarematige ontsluiting via bijvoorbeeld Soap. Erik Dierdorp en Carl Wolff werken bij Imtech ICT, respectievelijk als projectmanager en senior consultant. René Otjes is wetenschappelijk medewerker bij ECN, Bastiaan Wit ontwikkelt embedded hardware en software bij het onderzoeksinstituut. Redactie Nieke Roos

1 | 63

Achtergrond Systeemontwerp

Overkoepelend systeemmodel maakt slimme sensornetwerken toekomstbestendig Er komt een tijd dat al onze spullen aan het internet hangen en zelf kunnen zien, horen, voelen, meten en zelfs actief taken kunnen uitvoeren. Maar zelfs dan is nog lang niet alles geregeld. Om alle genetwerkte sensorsystemen optimaal te laten samenwerken, onder steeds veranderende omstandigheden en doelen, is er een nieuwe ontwerpbenadering nodig. TNO geeft zijn visie. Peter Hiemstra

V

an telefoontjes, tablet-pc’s, thermostaten, tv’s, sleutels, lantaarnpalen, tandenborstels, auto’s tot dierenparken, vrijwel alles dat relevante data kan genereren, hangt aan het wereldwijde web. Grotere systemen kunnen de gegevens eenvoudig via internet ophalen en verwerken, bijvoorbeeld om waardevolle informatie te genereren voor de aansturing van complexe processen of de ondersteuning van commerciële activiteiten. De behoefte aan sensordata groeit enorm onder druk van continu veranderende omstandigheden. Hoe ontwerp je deze sensornetwerken als je nog niet precies weet in welke omgeving ze gaan opereren en welke informatievragen ze in de toekomst gesteld krijgen? In verschillende domeinen kijkt TNO naar de inzet van slimme genetwerkte sensorsystemen. Ons onderzoek omvat zowel de definitie van gebruikseisen, de systeemarchitectuur als de bouw van prototypes en de demonstratie. Daarbij passen we verschillende technologieën toe, zoals sensortechnologie, communicatietechnologie, cloud computing en kunstmatige intelligentie, en streven we naar de optimale integratie in een slim systeem dat optimaal presteert in elke situatie.

Systeemmodel Voor het ontwerp van een dergelijk slim systeem zijn verschillende relevante vakgebieden nodig, zoals draadloze sensornetwerken, multi-agent-systemen en sensorfusie. Elk gebied is essentieel voor de oplossing maar

64 |

2

Huib Pasman

Martin van Rijn

Willem van Willigen

doordat ze allemaal een eigen visie op intelligente systemen hebben, verloopt de onderlinge interactie vaak stroef. Met kennis en ervaring opgebouwd in onder meer het defensiedomein hebben we bij TNO een generiek verbindend systeemmodel ontwikkeld dat de verschillende vakgebieden integreert. Dit model rust op vier pijlers. De eerste is dat de inschatting en het beheer van situaties op meerdere niveaus binnen het systeem kan worden belegd. De tweede is dat elke specifieke systeemfunctie (bijvoorbeeld detectie, state estimation, herkenning of tracking) door het netwerk meerdere gedistribueerde instanties kan hebben. De derde is dat deze gedistribueerde functies moeten kunnen beschikken over resources als rekenkracht, geheugen, communicatie en energie. De vierde pijler is dat we de functies kunnen modelleren als interacterende agents.

Systeemprestaties In een nieuwe situatie zal het systeem zich anders moeten gedragen. Er bestaan modellen en simulatieomgevingen die inzicht geven in de te verwachten prestaties van een component zonder deze echt te hoeven implementeren. Het systeem kan deze analysemodellen ook zelf gebruiken, runtime, om de prestaties van zijn componenten onder nieuwe omstandigheden te evalueren. Op basis van deze runtime evaluatie kan het in nieuwe situaties er dan zelf voor kiezen om bijvoorbeeld een andere sensor, een ander

algoritme of een ander communicatiemiddel in te zetten voor een specifieke taak. In de huidige aanpak gaan we vaak uit van constante omstandigheden, waarin niet alleen beschikbare resources maar ook het gewenste resultaat vastliggen. Het ontwerpproces begint dan bij de definitie van measures of effectiveness (MOE’s) voor het systeem. De systeemarchitect vertaalt deze vervolgens naar measures of performance (MOP’s) voor de benodigde systeemfuncties. Om het systeem echt toekomstbestendig te maken, heeft het echter weinig zin om systeemfuncties te laten voldoen aan van tevoren vastgestelde MOP’s, bijvoorbeeld afgeleid uit eerdere simulaties. In plaats daarvan stellen we dynamische doelen op, uitgedrukt in utility functions. Voor elke MOE beschrijven we een top-level utility function die weer is opgebouwd uit onderliggende utility functions, de MOP’s. Door voor elke MOE dynamische doelen af te leiden voor elke systeemfunctie ontstaat in feite een systeem met meerdere agents (systeemfuncties), die allemaal streven naar een zo goed mogelijke invulling van hun doel.

Informatiewaarde Wanneer resources in nieuwe situaties schaars worden, moet het systeem zelf kiezen welke sensorinformatie de hoogste prioriteit krijgt. Een gesloten opzet sluit interactie met de omgeving en verdere ontwikkelingen en aanpassingen in de tijd uit. Het systeem verbetert niet, breidt zich niet

Zijn visie op toekomstbestendige sensornetwerken heeft TNO onder meer in de praktijk gebracht bij een project rond coöperatieve adaptieve cruisecontrol in auto’s.

uit en past zich dus ook niet aan aan veranderende behoeftes en situaties. In ons onderzoek werken we in het overkoepelende systeemmodel aan een framework waarin we de waarde van informatie, bijvoorbeeld een nieuwe sensormeting, op elk moment kunnen bepalen. Veelgebruikte maten voor informatiewaarde zijn entropie, Kullback-Leibler en Shannon. Deze zeggen echter iets over de informatiedichtheid en niets over het nut van de gegenereerde informatie voor het doel van het systeem. Als een nieuwe sensormeting bijvoorbeeld de betrouwbaarheid verhoogt in de snelheidsschatting van een object, maar het object is onbelangrijk, geeft dit een hogere informatiedichtheid, terwijl de informatie niet waardevol is voor het systeem. Een slim sensorsysteem zal deze informatie dus niet genereren, verwerken of versturen als er beperkingen zijn in resources en deze ook voor belangrijkere taken kunnen worden ingezet. Omdat systeemgedrag gerelateerd moet zijn aan effectiviteit, is het nut – de utility – van informatie hier zo belangrijk.

Veilige afstand Onze visie hebben we onder meer in de praktijk gebracht bij een project rond coö-

peratieve adaptieve cruisecontrol (CACC) in auto’s. De bestaande adaptieve variant (ACC) kan al automatisch een vaste afstand tot de voorganger behouden. Wanneer die echter hard remt, wordt de afstand toch kleiner, omdat het even duurt voordat de radarsensor het verschil in afstand meet. In een genetwerkt sensorsysteem kan de voorganger via draadloze communicatie aangeven dat er geremd gáát worden, dus zijn intentie kenbaar maken, zodat de achterliggende auto’s gelijktijdig remmen. Als sensornetwerk kan er een treintje – platoon – worden gevormd van voertuigen die elkaar zeer dicht kunnen volgen, alsof er een trekstang tussen de wagens zit. Dit rijdt een stuk comfortabeler, mits de veiligheid is gewaarborgd. Voor het sensorsysteem zijn de situaties en de omstandigheden zeer veranderlijk. Onzekerheden in de datacommunicatie en de sensormetingen maken het dynamisch kiezen van een minimale veilige afstand tussen de auto’s een lastige taak. TNO heeft hiervoor de Safety Checker ontwikkeld, die die afstand realtime berekent. Als bijvoorbeeld de car-to-car-communicatie problemen geeft, en daarmee de onzekerheid toeneemt, zal de minimale veilige afstand tot de voorganger automatisch worden vergroot, net zoals een menselijke bestuurder die afstand aanpast wanneer hij niet zeker is van zijn zaak. Dit maakt een fail-safe implementatie van coöperatief rijden mogelijk.

Rijstijlen We ontwikkelen ook rijstrategieën op basis van de bestuurdersbehoeftes. Deze behoeftes lopen uiteen van het zo snel mogelijk op de plaats van bestemming zijn tot zo comfortabel mogelijk of zo zuinig mogelijk willen rijden. Het intelligente sensorsysteem dat auto’s automatisch kan laten rijden op snelwegen moet rekening houden met deze dynamische doelen (MOE’s). Om dat te realiseren, gebruiken we onder meer multi-objective optimisation. Deze techniek geeft een hele verzameling optimale oplossingen, die elk een unieke afweging maken tussen de verschillende te optimaliseren doelstellingen. Daarnaast passen we evolutionary computation toe. Geïnspireerd door de evolutietheorie van Darwin werkt deze methode met populaties van oplossingen, waarin elk individu een specifieke fitness (kwaliteit) heeft. Individuen met een hoge fitness kunnen een kind krijgen dat eigenschappen heeft van beide ouders en zo nog beter presteert. In combinatie met multi-objective-methodes levert deze techniek populaties van ‘rijstijlen’, die elk een eigen combinatie van doelstellingen optimaliseren afhankelijk van de situatie en behoefte. Peter Hiemstra, Huib Pasman, Martin van Rijn en Willem van Willigen zijn werkzaam bij TNO Technical Sciences en dragen daar bij aan het Adaptive Multi-Sensor Network-programma. Redactie Nieke Roos

2 | 65

Upgrade to ... Surgery 4.0

www.h ig h tec h s ys te ms .e u

Opinie De bril van Joost

Hup Hue hup

I

Joost Backus beziet de hightech door een creatieve bril.

k heb me in het verleden nogal negatief uitgelaten over Philips, maar de afgelopen tijd is mijn kijk op het bedrijf iets ten goede gekeerd. Bij de consumentenelektronicatak meen ik toch een mooie omslag te bespeuren. Zo kwam ik het bedrijf afgelopen kerst tegen in verschillende lijstjes van coole gadgets: Wired bestempelde de Bluetooth-boomboxjes van Philips als ‘neat’, met een ‘great design’ en ‘excellent sound’, de Econova-tv kreeg raving reviews en de Sonictandenborstels zijn volgens CNN een musthave voor reizigers. Pièce de résistance voor mij is echter de Hue: een pakket met drie Zigbee-ledlampen die via het meegeleverde controllertje zijn te bedienen vanaf een Iphone of Android-device. Het product is uitsluitend verkrijgbaar via de Apple Store. Na introductie schoot de levertijd omhoog naar ongeveer vijf maanden. Ik was gelijk enthousiast en heb er meteen een aangeschaft. En echt: een superding. Mooie doos, goede uitpak-experience, werkt direct. Gelikte website en redelijk doordachte app van Philips waarmee ik de lampen op kantoor aan en uit kan zetten. Minpunten? De Nederlandse ‘schrapers’ onder het journaille hebben er – natuurlijk – een gevonden: de prijs. Ook mijn collega’s op de redactie vinden het ding te duur, en bovendien niks nieuws onder de zon. Ik had de doos nog niet open of ik kreeg al de wind van voren: wat had ik nu toch weer gekocht? Ik vind de prijs juist mooi hoog; een mooie marge voor Philips, zou ik zeggen. Gelukkig sta ik niet alleen in mijn bewondering. De Everyhue-webgemeenschap leeft en de Philips-ontwikkelaars doen gezellig mee in de ongeveer 250 discussies die momenteel gaande zijn binnen deze onofficiële fanclub. Er zijn zelfs min of meer directe lijntjes naar de projectleider en de systeemarchitect. Op 15 maart is er bovendien een heuse Hue-ontwikkelaarsconferentie op de High Tech Campus. Daar hebben ze bij Philips eens een keer goed over nagedacht. En de community doet meer dan discussiëren. Iemand heeft bijvoorbeeld een soort armeluis-Ambilight ontwikkeld. Plaats een paar Hue-lampen achter je televisie, richt

je Iphone erop et voilà: die analyseert het tv-beeld en laat de Hue-kleuren dienovereenkomstig verlopen. Uit Duitsland komt een geweldig Hue-lichtorgel dat reageert op de microfoon van je Ipad of Ipod. Op mijn eigen Mac heb ik Color for Hue staan, ook ontwikkeld door een derde partij, want aanvankelijk was er niks voor OS X. Als ik erover nadenk, zie ik een hele wereld aan mogelijkheden opengaan. Zigbeekoppelingen naar stopcontacten, sensoren via Zigbee, NFC-identificatie via Zigbee, webtriggers van domotica, integratie met

Hoe gaat Philips hier een vervolg aan geven? andere lampen, stereo-installaties, televisies, thermostaten. Eindelijk een product van Philips met een mooie marge en een kansrijke marktpositie dankzij een ecosysteem dat klanten echt kan vangen. De grote vraag is hoe Philips hier een vervolg aan gaat geven. Blijft het bij connected lampjes? Waarom zijn er nog steeds geen companion-producten? In de maanden die er sinds de introductie zijn verstreken, had het bedrijf de Hue toch allang aan zijn Living Colors-lijn van van kleur veranderende verlichting kunnen hangen. Nu moeten we zelf gaan zitten knutselen. Als de Hue slechts een gimmick is, dan laat Philips een enorme kans schieten. Ik zie winkeleigenaar Apple zomaar aan de haal gaan met deze en andere domotica-ideeën. Eerst Philips gebruiken om de markt te testen en dan bij gebleken succes eigen spullen lanceren en Philips als een baksteen laten vallen. Dat laten ze in Eindhoven toch zeker niet gebeuren? Dit positieve verhaal krijgt toch zeker geen negatieve wending? Nee toch?

2 | 67

Agenda Trainingen Comsol Multiphysics

Networking

7 maart, Maastricht 12 maart, Zoetermeer 26 maart, Antwerpen

15 april, Eindhoven

Comsol Multiphysics intensive training

18 en 19 maart, Leuven 15 en 16 april, Zoetermeer 13 en 14 mei, Zoetermeer

Electromagnetic compatibility – design techniques Level 2: test designer

12 en 13 maart, Eindhoven

How to deal with the 7 biggest communication challenges in innovation and technology

19 en 20 maart, Amsterdam

Six thinking hats

Matlab to C with Matlab Coder

18 maart, Markelo 22 april, Markelo

Image processing with Matlab

25 en 26 maart, Markelo

Start 22 april, Eindhoven Start 22 april, Eindhoven

AC/DC modeling

20 maart, Zoetermeer

Heat transfer

29 mei, Zoetermeer

Acoustics and structural vibrations

12 juni, Zoetermeer

Electromagnetics modeling

13 juni, Zoetermeer www.comsol.nl

Matlab programming techniques

Signal processing with Matlab

Simulink for system and algorithm modeling

Start 13 mei, Eindhoven

19 en 20 maart, Eindhoven

Start 13 mei, Eindhoven www.hightechinstitute.nl

21 en 22 maart, Amsterdam

Reliability foundation 1

Matlab for data processing and visualisation

Start 4 maart, Eindhoven

Projectmanagement masterclass

Start 12 maart, Eindhoven

Design for Six Sigma Black Belt

Start 25 maart, Eindhoven

Design for Six Sigma Green Belt

Start 25 maart, Eindhoven

Introduction to Tcl/TK

Matlab fundamentals

5 - 7 maart, Eindhoven 9 - 11 april, Eindhoven 16 - 18 april, Mechelen

Six Sigma methodologies

23 en 24 april, Eindhoven

Design for Six Sigma

18 april, Eindhoven www.holland-innovative.nl

Start 7 maart, Eindhoven

Nanometer scale CMos technology

Switched-mode power supplies

23 april, Borne

4 en 5 maart, Leuven

24 - 26 april, Borne www.dizain-sync.com

8 maart, Leuven

Monte Carlo simulation of radiation effects in microelectronics

Introduction to Verilog

Sensing the world with millimeter waves

Lean Six Sigma Champion

Start 4 maart, Eindhoven

11 maart, Leuven

Lean Six Sigma Black Belt

Introduction to Cadence-based full custom design

Start 5 maart, Eindhoven Start 19 maart, Utrecht

Lean Six Sigma Green to Black Belt upgrade industrie

Start 14 mei, Eindhoven

Acquisitie van higtechprojecten

Start 16 mei, Eindhoven www.engenia.nl

13 - 15 maart, Leuven

Applied optics

High-power leds

New products and innovation management

18 en 19 april, Kruibeke www.verhaert.com

Can in de praktijk

Start 13 mei, Utrecht Start 27 mei, Eindhoven

Object-oriented analysis & design using UML 2.0

Start 15 mei, Eindhoven

Software engineer empowerment

Start 16 mei, Eindhoven

Procesmatig systemen ontwikkelen

Start 27 mei, Eindhoven

Technisch software testen

Start 29 mei, Eindhoven

Summerschool@Imec: ontwerp van geïntegreerde schakelingen

Start 5 juni, Eindhoven www.mikrocentrum.nl

Design patterns

9 - 12 april, Leuven

Do you get stressed about chip package integration?

Reliability and test

Commences 13th May 2013 Eindhoven

25 april, Leuven

11 maart, Neuchâtel, Zwitserland

An energy-efficient 2.4 GHz multistandard transceiver for personal and body area networks

Basic introduction to CMos image sensors

14 en 15 maart, Neuchâtel, Zwitserland

Labview Real-Time 1

Wafer bonding

29 april, Leuven

4 en 5 maart, Woerden

Electron microscopy: recent progress in methodologies and new applications

13 - 17 mei, Leuven

7 en 8 maart, Woerden

8 - 12 juli, Leuven www.imec-academy.be

11 - 13 maart, Zaventem 15 - 17 april, Woerden 13 - 15 mei, Zaventem

Nanometer CMos process technology

22 maart, Lausanne, Zwitserland

12 april, Neuchâtel, Zwitserland

Non-silicon materials for microsystem technologies

Summerschool@Imec: VHDL language and design flow

Labview FPGA

Labview core 1

Labview core 2

14 en 15 maart, Zaventem 18 en 19 april, Woerden 16 en 17 mei, Zaventem

15 april, Karlsruhe, Duitsland

Polymer microfabrication

Labview core 3

16 en 17 april, Karlsruhe, Duitsland

Smart materials in robotics and microtechnology

Expedition PCB introduction (V2007)

19 - 21 maart, Woerden

Teststand 1: test development

22 en 23 april, Zürich, Zwitserland

11 - 13 maart, Almelo

25 - 27 maart, Zaventem

3 en 4 juni, Zürich, Zwitserland www.fsrm.ch

18 - 20 maart, Almelo

28 en 29 maart, Zaventem www.ni.com/netherlands

Microsystems in biomedical engineering and medical products

Hyperlynx advanced high-speed PCB analysis Hyperlynx power integrity analysis

25 en 26 maart, Almelo

Hyperlynx signal integrity analysis

4 en 5 april, Almelo

Object-oriented analysis and design – fast track

Library Manager for DXDesigner to Expedition PCB flow

8 en 9 april, Almelo

Pads logic

Start 5 maart, Eindhoven

15 april, Almelo

Start 5 maart, Eindhoven

16 april, Almelo

8 maart, Eindhoven

18 en 19 april, Almelo

Signal integrity – workshop

Pads router

Bits on chips – an introduction

Pads layout

Design of analog electronics – embedded analog 1

Start 18 maart, Eindhoven

2

Vermogenselektronica advanced topics

Start 22 april, Eindhoven

Hoogspanning 3

Start 26 april, Delft cursus.paotechniek.nl

Signal and power integrity and high speed methodology

15 - 17 april, Deurne www.sintecs.eu

Do colleagues say you are too critical or black and white in sending the message? Is motivating your team taking an awful lot of energy plus time? Do you wish to increase your influence by communicating more effectively? Creating technical solutions is about making the right technical choices. However, being successful as a technician is much more dependent on being able to handle the 7 biggest communication challenges you face. This course is 100 percent practical and hands-on because we will work with cases directly coming from your personal work. It will be intense: you will sweat, but you will be challenged and will quickly learn how to motivate and communicate more successfully to your colleagues and others. Duration: 4 days + 2 evenings Course price: 2,990 euros excl. VAT

24 april, Almelo www.innofour.com

www.hightechinstitute.nl

Ces fundamentals tips & tricks

Design of real-time software – workshop

Data acquisition and signal conditioning

Training How to deal with the 7 biggest communication challenges in innovation and technology

22 april, Almelo

Blueprint

Start 12 maart, Eindhoven/Nijmegen

68 |

28 maart, Noordwijk

Start 7 maart, Eindhoven

Nanometer CMos ICs

8 - 12 april, Leuven

Leren communiceren in een technische werkomgeving

Build strong new applications and business concepts

21 en 22 maart, Borne 17 - 19 april, Borne

Altium Designer

15 mei, Eindhoven www.mathworks.nl

Start 5 maart, Eindhoven

Professional VHDL (basic course)

Altium Designer advanced

28 en 29 maart, Markelo 18 en 19 april, Markelo www.transfer.nl

Matlab for building graphical user interfaces

16 april, Eindhoven

Root cause analysis

8 maart, Markelo 12 april, Markelo

14 mei, Eindhoven

4 en 5 maart, Borne

Advanced VHDL

Altium Nanoboard

Agenda Events MAART

Empack

Automatiseren in de agro en food 6 maart, Bleiswijk www.mikrocentrum.nl

Automotive meets aerospace 7 maart, Helmond www.automotivenl.com

Hightech meets hightech: innovate towards a sustainable future 8 maart, Eindhoven www.holland-innovative.nl

Smart Systems Integration

27 en 28 maart, ’s-Hertogenbosch www.easyfairs.com/empack-nl

APRIL

19 - 21 maart, Amsterdam www.railtech-europe.com

Holland High Tech Event

MODEL DRIVEN DEVELOPMENT DAYS

Model-Driven Development Days

Hannover Messe

24 en 25 april, Eindhoven Info: [email protected] www.hightech-events.nl/mdd

Fotonica-evenement

MEI

8 - 12 april, Hannover, Duitsland www.hannovermesse.de 24 en 25 april, Veldhoven www.fotonica-evenement.nl

13 en 14 maart, Amsterdam www.mesago.de/en/ssi

Rail-Tech Europe

M

24 en 25 april, Eindhoven Info: [email protected] www.hightechsystems.eu

OKTOBER

Automotive Congress.NL

Empack Brussels

11 juni, Eindhoven www.automotivecongress.nl

2 en 3 oktober, Brussel www.easyfairs.com/empack-be

NOVEMBER Bits&Chips Hardware Conference 2013

Sensor + Test 2013

14 - 16 mei, Neurenberg, Duitsland www.sensor-test.de

Electronics & Automation High-Tech Systems

JUNI

28 - 30 mei, Utrecht www.fhi.nl

Bits&Chips 2013

12 juni, ’s-Hertogenbosch Info: [email protected] www.hardwareconference.nl

SEPTEMBER Health & Technology

EMBEDDED SYSTEMS Bits&Chips 2013 Embedded Systems 7 november, ’s-Hertogenbosch Info: [email protected] www.embedded-systems.nl

17 en 18 september, Arnhem www.hat-event.com

21 maart, Utrecht www.htsm.nl

Techwatch organises

3rd

Edition

Parallel to the Model-Driven Development Days 2013, High-Tech Systems 2013 will be held in the Klokgebouw, Eindhoven, as well.

M

MODEL DRIVEN DEVELOPMENT DAYS

24 AND 25

MDD, a two-day seminar on model-driven development

2013

Modeling and simulation are of increasing importance in the product development process. The tooling is advancing fast and approaches physical reality. In fact, it is possible to skip physical models or prototypes in many cases and develop a product or machine first time right. At MDD technicians, technical managers and decision makers learn the latest news, share experiences and exchange ideas about organising and managing their development flows.

APRIL KLOKGEBOUW

EINDHOVEN

The Netherlands

The conference will offer presentations on finite elements, multi-body dynamics, multi-physics development methods and simulation as well as model-based software and system development and testing.

Registration open

You can now register for High-Tech Systems 2013. Entrance to the exhibition and conference programme is free of charge when you register before 19 April 2013. www.hightech-events.nl/mdd

www.hightech-events.nl/mdd 2 | 69

Electronics Signal integrity - workshop (SI-WS) Design of analog electronics - embedded analog 1 (DAE-AE1) Electromagnetic compatibility – design techniques (EMC-DT) Nanometer CMOS ICs basics (CMOS-Basic) Cooling of electronics (CoE) Discrete-time signal processing (DTSP) Electronics for non-electronic engineers (ENE-BSc)

Start 5 March 2013 (3 afternoons) Start 12 March 2013 (8 days) 22 - 26 April 2013 (5 days) 27 - 29 May 2013 (3 days) 29 - 31 May 2013 (3 days) Start 9 September 2013 (17 evening sessions) Start 9 September 2013 (43 sessions)

Mechatronics Introduction in ultra high and ultra clean vacuum (UHV1) Iterative learning control (ILC) Machine vision for mechatronic systems (MVMS) Design for ultra high and ultra clean vacuum (UHV2) Experimental techniques in mechatronics (ETM) Motion control tuning (MCT) Design principles basics (DPB) Mechatronics system design - part 1 (Metron1) Summer school Opto-mechatronics (SSOM) Actuation and power electronics (APE) Advanced motion control (AMC) Metrology and calibration of mechatronic systems (MCMS) Dynamics and modelling (DAM)

Start 4 March 13 and 14 March 21 and 22 March Start 8 April 9 - 11 April Start 17 April Start 29 May 10 - 14 June 24 - 28 June 23 - 25 September 7 - 11 October 18 and 19 November 25 - 27 November

2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013

(4 (2 (2 (4 (3 (6 (5 (5 (5 (3 (5 (2 (3

days) days) days) days) days) days) days) days) days) days) days) days) days)

Optics Modern optics for optical designers (CMOP) Applied optics (AP-OPT)

Start 13 September 2013 (28 morning sessions) Start 29 October 2013 (15 morning sessions)

Software Object-oriented analysis and design - fast track (OOAD) Design of real-time software - workshop (DRTS/WS)

Start 5 March 2013 (4 days) 18 - 22 March 2013 (5 days)

System Level 2: Test designer (STE2) Level 1: System test engineer (STE) System architect(ing) (Sysarch)

Start 22 April 2013 (10 sessions) Start 2 September 2013 (10 sessions) 4 - 8 November 2013 (5 days)

Tools Labview: introduction in language and programming 1 (Labview) Programming in Labview 2 (Labprog)

Spring 2013 (3 days) 3 and 4 June 2013 (2 days)

Leadership & Communication Networking (NETW) How to deal with the 7 biggest communication challenges in innovation and technology (COMC) Six thinking hats (6-Hats) Lateral thinking (LATH) Time and work pressure management in innovation (TWP) The art of reviewing (TAR)

All training courses take place in Eindhoven (area)

15 April 2013 (1 day) Start 9 May 2013 (4 days + 2 evenings) 13 and 14 May 2013 (2 days) 16 and 17 May 2013 (2 days) 30 and 31 May 2013 (2 days + 1 evening) 17 - 19 June 2013 (3 days + 1 evening)

Software

Design of real-time software - workshop The development of real-time software requires special methods and techniques. In this intensive 5-day course participants will learn design aspects of real-time (embedded) programs, in particular timeliness and concurrency. This course is developed for hardware and software engineers, system analysts and designers who develop real-time software in the area of embedded systems, CAM, laboratories, etc. Prerequisites are experience in software development, knowledge of the fundamentals of computing science and knowledge of general operating system policies and mechanisms. The training is a mixture of lectures, discussions and exercises. On the last day there is an intensive interactive workshop to practice presented techniques. Course code: Location: Course price: Duration: Dates:

DRTS/WS Eindhoven 2,400 euros excl. VAT 5 consecutive days 18th - 22nd March 2013

Mechatronics

Motion control tuning Starting with the time domain, the complete basis of control is repeated, placed in a modern framework, validated experimentally and applied to mechanical servo systems. During the course all aspects of ‘motion control’ are covered, including the use of feedforward steering. This course is targeted at engineers that are involved in controlled mechanical servo systems who want to gain more insight into the possibilities and limitations of servo control in an industrial setting. Participants will have a BSc/MSc degree in electrical or mechanical engineering, mechatronics, physics or equivalent practical experience, and some basic understanding of servo control. Course code: Location: Price: Duration: Dates:

MCT Eindhoven 4,495 euros excl. VAT 6 days in a period of 2 weeks commences on 17th April 2013

Electronics

Cooling of electronics To prevent expensive redesigns and a delayed market introduction, thermal management needs to be part of the design process right from the start. This course introduces thermal design and cooling of electronic components, modules and systems from an industrial point of view. This view is relevant for many applications, such as semiconductors, power electronics and, recently, lighting through the accelerated introduction of LEDs. Two very experienced lecturers teach the participants to solve the thermal problems they encounter during all levels of the product creation process. Real-life cases obtained from the participants themselves and prepared by the lecturers are used to demonstrate the application of the course principles during the final day. Course code: Location: Course price: Duration: Dates:

CoE Eindhoven 1,650 euros excl. VAT 3 days 29th - 31st May 2013

www.hightechinstitute.nl

Wegwijzer Bedrijven in de hightech D I E NS T VE R LE N IN G Alten PTS Beukenlaan 44 5651 CD Eindhoven Tel +31 40 2563080 Linie 544 7325 DZ Apeldoorn Tel +31 55 5486200

Fourtress BV Meerenakkerplein 20 5652 BJ Eindhoven Tel +31 40 2661080 Fax +31 40 2661081 [email protected] www.fourtress.nl

Rivium 1e straat 85 2909 LE Capelle aan den IJssel Tel +31 10 4637700 [email protected] www.alten.nl

Specialist in FPGA en SoC ontwikkeling IP ontwikkelingen voor JPEG2000, Video, Video over IP Crypto, Memory controllers

HIGH TECH SOLUTIONS BV Linie 506 7325 DZ Apeldoorn Tel +31 55 3606135

Barco Silex Rue du Bosquet 7 1348 Louvain-la-Neuve Tel +32 10 454904 [email protected] www.barco-silex.com

VIANEN BEST DEVENTER ROTTERDAM AMSTERDAM GRONINGEN DHAKA

Steenovenweg 1 5708 HN Helmond [email protected] www.hightech.nl

ICT Automatisering Science Park Eindhoven 5006 5692 EA Son Postbus 6420 5600 HK Eindhoven Tel +31 40 2669100 Fax + 31 40 2669101 [email protected] www.ict.nl

CIMSOLUTIONS B.V. Havenweg 24 4131 NM Vianen Tel +31 347 368100 Fax +31 347 373777 [email protected] www.cimsolutions.nl

Freelance Technical Automation IT-Staffing Nederland BV Fultonbaan 2 3439 NE Nieuwegein Tel +31 30 6001007 Fax +31 30 6001599 [email protected] www.it-staffing.nl

ENTER BV Science Park 5001 5692 EB Son Tel +31 40 2141020 [email protected] www.enter-group.nl

Regio Midden Herculesplein 24, Utrecht Tel +31 88 8275000 Regio Zuid Dillenburgstraat 25-3, Eindhoven Tel +31 88 8275100 ESPRIT ICT Group Bastion 1-5 5491 AN Sint-Oedenrode Tel +31 413 271412 [email protected] www.esprit-it.nl

72 |

2

Nspyre Postbus 85066 3508 AB Utrecht Tel +31 88 8275000 Fax +31 88 8275099 [email protected] www.nspyre.nl

Regio West Poortweg 10, Delft Tel +31 88 8275200 Regio Noord Zuiderzeelaan 21, Zwolle Kapteynlaan 17, Leek Tel +31 88 8275300

DI STR I BUT I E

P ROJE C T BUR E A U

TOOLS Technical Software Tel +31 40 2677100 (Zuid-Nederland) Tel +31 88 7468928 (Midden- en Noord-Nederland) Tel +32 14 848718 (België) Remote Solutions Tel +31 40 2677100

RS Components Bingerweg 19 2031 AZ Haarlem www.rsonline.nl www.rsonline.be

Electronics Tel +31 495 633221 Industrial Mathematics Tel +31 40 7516116

Technolution B.V. Zuidelijk Halfrond 1 P.O. Box 2013 2800 BD Gouda Tel +31 182 594000 [email protected] www.technolution.eu

The MathWorks BV Dr. Holtroplaan 5b 5652 XR Eindhoven Tel +31 40 2156700 Fax +31 40 2156710 [email protected] www.mathworks.nl

National Instruments Pompmolenlaan 10 3447 GK Woerden Tel +31 348 433466 Fax +31 348 430673 [email protected] netherlands.ni.com

TMC Group Regio Zuid Flight Forum 107 5657 DC Eindhoven Tel +31 40 2392260 Regio Midden/West Herculesplein 44 3584 AA Utrecht Tel +31 30 8200518 [email protected] www.tmc.nl

TOPIC Embedded Systems Eindhovenseweg 32c 5683 KH Best Tel +31 499 336979 Fax +31 499 336970 [email protected] www.topic.nl

2 | 73

Electronics

Design of analog electronics - embedded analog 1 This course module learns to specify and design the most essential basic functions (amplifiers and analog level shifts) for interfacing with sensors, actuators, AD and DA converters. It also refreshes, broadens and learns to apply analysis techniques. The course is developed for designers with little or no experience in analog electronic design. BSc in physics or electrical engineering or secondary education in electrical engineering with some years of experience in design and engineering of simple electronic circuits is a prerequisite. Prior knowledge on matrix algebra, complex functions, transformations, stochastic modeling and network theory is also necessary. Course code: Location: Course price: Duration: Dates:

DAE-AE1 Eindhoven or Nijmegen 4,000 euros excl. VAT 8 days in a period of 12 to 14 weeks commences on 12th March 2013

Mechatronics

Iterative learning control A completely renewed and extended training course in our mechatronics curriculum is ‘Iterative learning control’ (ILC). Not only offers the ILC-course the most recent theory, it treats practical issues as well. Participants get the opportunity to gain experience with developing ‘self learning’ controllers, applying them in industrial mechanical positioning systems and performance analyses. The course is intented for engineers involved in control systems who want to gain more insight on the possibilities and limitations of learning control in an industrial setting. Participants already have a Bsc/MSc degree in electrical engineering, mechanical engineering, mechatronics, physics or equivalent practical experience and must have some basic understanding of servo control. This course is particularly intended for engineers having followed the course in ‘Motion control tuning’. Course code: Location: Course price: Duration: Dates:

ILC Eindhoven, TU/e 1,490 euros excl. VAT 2 consecutive days 13th - 14th March 2013

Electronics

Electromagnetic compatibility - design techniques Electromagnetic compatibility (EMC) often lies on the critical path of the product creation process. In this training course, guidelines and tools are given to achieve a systematic and cost-effective integration of EMC technology into new electronic products. In this way, we can prevent delayed market introduction because of EMC problems. The complete EMC training consists of two parts: lectures and a workshop. The participants can use their own products as test vehicles during the workshop. The course is intended for electronic designers and EMC quality engineers working in product development, research, production automation and system engineering. Educational level should be a technical BSc/MSc. Course code: Location: Course price: Duration: Dates:

EMC-DT Eindhoven 2,250 euros excl. VAT 5 consecutive days 22nd - 26th April 2013

www.hightechinstitute.nl

Volgende keer Colofon Bits&Chips is een onafhankelijk nieuwsmagazine voor mensen die werken aan slimme producten en machines. Bits&Chips is een publicatie van Techwatch bv in Nijmegen.

Snelliusstraat 6 – 6533 NV Nijmegen tel +31 24 3503532 – fax +31 24 3503533 [email protected] – www.techwatch.nl Redactie Nieke Roos – hoofdredacteur tel +31 24 3503534 – [email protected] René Raaijmakers – redacteur tel +31 24 3503065 – [email protected] Alexander Pil – redacteur tel +31 24 3504580 – [email protected] Pieter Edelman – redacteur tel +31 24 3503534 – [email protected] Paul van Gerven – redacteur tel +31 24 3504580 – [email protected] Joost Backus – sales en opinie tel +31 24 3505028 – [email protected] Vormgeving Justin López – vormgever tel +31 24 3503532 – [email protected] Marketing, events en trainingen Daniëlle Jacobs – marketingmanager tel +31 24 3505195 – [email protected] Kim Huijng – salesmanager tel +31 24 3505195 – [email protected] Marjolein Vissers – sales- en eventcoördinator tel +31 24 3505544 – [email protected] Simone Straten – marketing- en eventcoördinator tel +31 24 3505544 – [email protected] Ellen Lely – cöordinator trainingen tel +31 24 8455169 – [email protected] Katja Hofman – medewerker sales en trainingen tel +31 24 8455169 – [email protected] Abonnementenadministratie Leonie Ceelen – officemanager tel +31 24 3503532 – [email protected] Adviseur Maarten Verboom Medewerkers Linda Berends, Ann-Kathrin Falkenberg, Julie Frijstein, Teresa Klawitter, Sofie van Koningsbruggen, Omar Martina, Imke Okkerman, Leanne Robbertsen, Kitty Stam, Lisette de Vries Columnisten en externe auteurs Mark Bentum, Marc Bisscheroux, Albert-Jan Boonstra, Jeroen Bouwens, Alex Budianu, Joachim Burghartz, Erik Dierdorp, Fred Dijkstra, Anton Duisterwinkel, Steven Engelen, Jaco Friedrich, Derk-Jan de Grood, André Gunst, Jos Hegge, Wim Hendriksen, Peter Hiemstra, Lodewijk van Hoesel, Mathilde van Hulzen, Jeroen Koëter, Albert Lak, René Otjes, Huib Pasman, Raj Thilak Rajan, Martin van Rijn, Anton van Rossum, Bram Semeijn, David Smith, René van der Veen, Chris Verhoeven, Willem van Willigen, Bastiaan Wit, Carl Wolff, Jan Woolderink Uitgever René Raaijmakers tel +31 24 3503065 – [email protected] ISSN 1879-6443 Verantwoordelijk uitgever voor België René Raaijmakers Biesheuvelstraat 1 2370 Arendonk, België Drukkerij Senefelder Misset, Doetinchem Abonneren Abonnement op privéadres: 81 euro Bedrijfsabonnement: 140 euro Internationaal abonnement: 210 euro Studentenabonnement: gratis Prijzen op jaarbasis en inclusief btw. Abonnementen lopen van januari tot en met december. Opzeggen tot uiterlijk één maand voor het verstrijken van de abonnementsperiode. Studenten en professionals die werken aan slimme producten en machines (zoals elektronica- en softwareontwerpers, systeemarchitecten, chipdesigners en technisch managers) kunnen Bits&Chips gratis thuis ontvangen. Vul het aanvraagformulier in op www.bits-chips.nl. Deze gratis abonnementen zijn beperkt tot België en Nederland. Losse nummers op aanvraag: 10 euro. Klachten over bezorging Heeft u Bits&Chips niet of te laat ontvangen of heeft u andere opmerkingen over de bezorging? Laat het ons weten. Stuur een e-mail naar [email protected]. Adverteren Advertentietarieven staan vermeld op onze website (www.bits-chips.nl). Wanneer u op de hoogte gehouden wilt worden van komende thema’s en specials of voor het reserveren van advertenties, neem dan contact op met de afdeling sales, tel +31 24 3505544 – [email protected]. Verschijningsdata 1 maart, 29 maart, 26 april, 31 mei, 28 juni, 13 september, 4 oktober, 1 november, 13 december Copyright Alle rechten voorbehouden. (c) 2013 Techwatch bv. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande toestemming van de uitgever. Disclaimer Uitgever en redactie betrachten uiterste zorgvuldigheid bij het maken, samenstellen en verspreiden van de informatie in Bits&Chips, maar kunnen op geen enkele wijze instaan voor de juistheid of volledigheid van de informatie. Uitgever en redactie aanvaarden geen aansprakelijkheid voor schade die zou kunnen ontstaan als gevolg van de publicatie van informatie in Bits&Chips. Columnisten en externe medewerkers schrijven op persoonlijke titel. Reacties van lezers vallen buiten de verantwoordelijkheid van uitgever en redactie. Uitgever en redactie aanvaarden geen aansprakelijkheid met betrekking tot de inhoud en ondertekening van reacties van lezers. De redactie behoudt zich het recht voor reacties niet of gedeeltelijk te plaatsen of te bewerken. Fotografie Productfoto’s zijn van fabrikanten, overige foto’s zijn van Techwatch bv (c), tenzij anders vermeld. Voorpagina Foto: Aerophoto Eelde

Nummer 3 | 29 maart 2013 | Softwaretooling

Software maken is allang geen pure handvaardigheid meer. De gereedschapskist van de ontwikkelaar puilt uit met hulpmiddelen die zijn werk vergemakkelijken en de kwaliteit van zijn output optimaliseren. Deze uitgave focust op de state of the art, van ontwerp via test tot versiebeheer.

Nummer 4 | 26 april 2013 | Beveiliging

Hoe kunnen we onze producten (beter) beschermen tegen kwaadwillenden die er data of intellectueel eigendom uit willen ontvreemden? Dat is de vraag die centraal staat in deze uitgave. In een scala aan praktijkverhalen passeren verschillende beveiligingsoplossingen de revue.

Een interessante bijdrage? [email protected] Adverteren in deze nummers? [email protected]

2 | 75

Innovatief! Hoe hightech ben jij?

Wil jij bij ICT Automatisering werken aan innovatieve oplossingen? Innovatie is een mooie graadmeter voor ambitie. De vertical Machine & Systems van ICT Automatisering wil het verschil maken door de best mogelijke softwareoplossingen voor de hightech industrie te bouwen. Zonder de passie van onze medewerkers kunnen wij het verschil niet maken. Daarom biedt ICT Automatisering je een baan waarin je niet alleen software ontwikkelt, maar ook jezelf. Kijk op werkenbijict.nl voor de mogelijkheden of neem contact op met Tjitske Hartman, telefoon 06 270 873 58 of [email protected].