MEMS сензорни хъбове с висока степен на интеграция

Съвременните сензорни хъбове имат до 9 степени на свобода (DoF), но разширени с външни сензори, могат да осигурят 10 и повече степени на свобода. Така те позволяват реализацията на нови функции в множество приложения и са все по-търсени в индустрията, медицинската техника и развлекателната електроника. Основният аспект на интегрирането се състои от комбиниране на сензори, които вече са снабдени със съответния софтуер.

 

Сензорните хъбове, представляващи приложно ориентирани сензорни групи (Application Specific Sensor Nodes - ASSN) комбинират различни сензори и предоставят значително по точни и надеждни данни в сравнение с тези, които могат да бъдат получени от самостоятелни (отделни) сензори. Това е от особено значение при тежки условия, тъй като всеки вид сензори има своя собствена дрифт- и шумова характеристика, а чрез комбинирането им се компенсират недостатъците на отделните сензори. Допълнителни положителни аспекти: ASSN са значително по-малки и по-ефективни от дискретните решения, температурната калибрация, както и редовното калибриране от потребителя не са необходими, а голяма част от работата по разработка и интегриране отпадат, така че времето до пускане на пазара се съкращава и разработчиците могат да се съсредоточат изцяло върху самото приложение. 

 

BMX055 на Bosch Sensortec и LSM9DS1 на STMicroelectronics са цифрови сензорни модули с 9 степени на свобода и благодарение на това предоставят най-високо ниво на интеграция на автономни MEMS сензори. И двата съдържат 3-осен сензор за ускорение, 3-осен жироскоп и 3-осен магнитометър. Благодарение на техните компактни размери от 3x4,5x0,9 mm (MBMX055), съотв. 3,5x3x1 mm (LSM9DS1), те са изключително подходящи и при ограничено пространство, напр. при мобилни приложения.

 

Софтуерът Sensor Fusion

За да може от суровите данни от сензорите да се получи стойност за индикация или допълнителна обработка, производителите разработиха собствен софтуер. Програмите поддържат модули с 6 и 9 степени на свобода и работят както на интегриран в сензорния модул микроконтролер, така и на външен контролер. Те поддържат Android и Windows 8 и благодарение на мащабируемостта си могат да се адаптират и за други операционни системи.

 

Софтуерът Sensor Fusion предоставя различни параметри: линейно ускорение, завъртане, прецизно и надеждно определяне на положението, вектор на гравитация и кватернион. Последният позволява елегантно от изчислителна гледна точка описание на триизмерното евклидово пространство и други пространства, преди всичко в контекста на ротационното движение, което осигурява 10 пъти по-висока ефективност от обработката на “сурови” данни. В допълнение Sensor Fusion Software компенсира различните сензори един спрямо друг.

 

Няколко примера:

 

За да може да регистрира относително слабото магнитно поле на Земята, магнитометрите са много чувствителни. Това ги прави изключително уязвими на смущения от външни магнитни полета, напр. високоговорител или магнити. При подобно смущение електронният компас не може вече да показва магнитния север. При сензорния хъб софтуерът изчислява положението на устройството чрез ъгловите ускорения на жироскопа и линейните ускорения на сензора за ускорение. По този начин компасът работи дори и при смущение или завъртане на магнитометъра.

 

При измерването на ускорение на съответния сензор винаги се получава и гравитацията. Векторът на гравитацията може да се определи точно само в състояние на покой, тъй като в противен случай динамичните ускорения се наслагват. С помощта на жироскоп софтуерът може да разграничи динамичните от статичните ускорения, чрез което векторът на гравитацията може да се определи дори и по време на движение.

 

По този начин могат да се компенсират и слабостите на жироскопа. Той винаги извършва измерване спрямо референтно движение. Възниква дългосрочно отклонение (дрифт), коeто с времето нараства. Сензорът за ускорение разпознава положението на покой на даден уред, чрез което софтуерът може да компенсира дългосрочния дрифт на жироскопа. Освен това сензорът за магнитно поле може да служи като абсолютна референция.

 

Софтуерът Sensor Fusion на Bosch Sensortec работи например на BNO055, най-новия ASSN на производителя. Той осигурява висока производителност при много нисък разход на енергия, тъй като софтуерът и хардуерът са оптимално адаптирани един към друг. Клиентите могат да използват софтуера и с микроконтролери на други производители. За това те трябва да подпишат договори за конфиденциалност и лицензни споразумения, което представлява значително по-малко усилия в сравнение със самостоятелно програмирания софтуер. Друга възможност за използване преимуществата на Sensor Fusion е SSC7102 на Microchip. При него става дума за Sensor Fusion хъб с 10 степени на свобода, на който работи софтуерът FusionLib, лицензиран от Bosch Sensortec. Поддържат се следните външно присъединявани сензори: компасният модул BMC150 и жироскопът BMG160 на Bosch Sensortec, както и сензорът за околна светлина ISL29029 на Intersil.

 

Комбинация от сензори плюс Sensor Fusion 

Комбинациите от сензори, които вече са комбинирани със софтуера Sensor Fusion, предоставят по-точни и по-достоверни стойности, които са ориентирани към съответното приложение. Адаптираните хардуер и софтуер спомагат за ниския обем работа по разработването и интегрирането и възможно най-високата производителност. Клиентът си спестява самостоятелното разработване на софтуер и може да се концентрира върху самото приложение и да си осигури най-кратко време за пускане на пазара.

 

BNO055 на Bosch Sensortec е интелигентен абсолютен сензор за ориентация, който обединява сензори и Sensor Fusion в общ корпус. С 3-осен 14-битов сензор за ускорение, 3-осен 16-битов жироскоп с диапазон от +/- 2000 градуса в секунда и 3-осен геомагнитен сензор той предоставя 9 степени на свобода. При това за първи път в 9-осните сензори всички технологии са от един и същи производител. Интегриран е и 32-битов микроконтролер, на който работи софтуерът BSX3.0 FusionLib. Поради това самият той не може да се използва за приложението. С размери 5,2x3,8x1,13 mm решението System-in-Package е значително по-малко от сравнимите дискретни или System on Board решения. BNO055 е подходящ за множество области на приложение, между които са и индустриалните приложения. Защото той ще се предлага по-дълго от сензорите, които са насочени изключително към пазара на смартфони. 

 

Фамилията продукти iNEMO на STMicroelectronics предлага 6-осна комбинация от инерционни сензори. В корпус 2,5x3x0,8 mm тя включва цифров 3-осен сензор за ускорение и цифров 3-осен жироскоп. С консумация на ток 1,25 mA (до 1,6 kHz скорост на изходните данни (ODR)) в режим на висока производителност тя осигурява нисък разход на енергия в непрекъснато включено състояние. В режим на ниска производителност тя се нуждае от 0,6 mA (always-on). Нейната ефективност се получава, наред с другото, от интелигентната памет FIFO (First-In First-Out). При 8 килобайта тя е двойно по-голяма от всички останали предлагани памети, така че LSM6DS3 може да запамети и събере повече данни, преди системният процесор да трябва да бъде стартиран. Освен това тя предоставя много добри шумови характеристики: В режим на висока производителност със скорост на изходящите данни (ODR) от 104 Hz и обичайно 0,6 mg RMS сензорът за ускорение постига 90µ/√Hz, жироскопът достига 0,007°/s/√Hz в режим на висока производителност при 10 Hz и 0,07°/s RMS в режим на висока производителност със скорост на изходящите данни (ODR) от 208Hz.

 

LSM6DS3 е System-in-Package, състояща се от два чипа. Заради своите задействани от събитие прекъсвания с ефективно и надеждно следене на движението и разпознаване на контекста, тя позволява 6D-ориентация, както и разпознаване на свободно падане, натискане и двукратно натискане, активност и неактивност, както и отключващи събития. Тъй като тя обработва сигнали от реални, виртуални и Batch-Mode сензори, могат да се постигнат кратки времена за реакция. Тя позволява и корекция на външните магнитни сензори. Изводите й могат да се свържат с допълнителни външни сензори, за да поемат допълнителни функции като сензорен хъб или допълващ SP интерфейс. Заедно с микроконтролера STM32 LSM6DS3 предоставя нови възможности на захранваните от батерии системи от сензори както в мобилни и преносими, така и в Internet of Things приложения.

 

За LSM6DS0, както и за 3-осния магнитометър LIS3MDL, за сензора за налягане LPS335H, както и за сензора за влага и температура HTS221 ST Microelectronics са разработили модула за оценка X-NUCLEO-IKS01A1. Чрез I2C извода той се свързва с микроконтролера STM32, а I2C порта по подразбиране може да се променя. За допълнителни MEMS адаптери и сензори се предлага 24-изводен DIL конектор. Той съдържа обширна фърмуерна библиотека и примери за всички сензори, които са съвместими с STM32Cube фърмуер.

 

Фокус върху сензорите

Продуктите на STMicroelectronics и Bosch Sensortec изграждат най-високия клас на Sensor Fusion и присъстват в портфолиото на Rutronik. Освен сензорите на производителите на електронни компоненти като Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, Rohm, STMicroelectronics и Vishay, Rutronik предлага и сензори на производители на пасивни и електромеханични елементи като Murata и Omron. В допълнение компанията може да покрие със съответните продукти цялата верига за подготовка на сигналите. Изборът е подпомогнат от екипа, отговарящ за сензорите, както и от специалистите по аналогова техника.