Акселерометри STMicroelectronics: визначаючи будь-який рух

1. акселерометри STMicroelectronics
2. Акселерометри в складі модулів INEMO
3. Налагодження плати з акселерометром
4. висновок
5. Про компанію ST Microelectronics

акселерометри STMicroelectronics - це діапазон вимірюваних прискорень до ± 400g, харчування 1.7 ... 3.6 В, Надмалий енергоспоживання, висока точність і повторюваність результатів, що задаються користувачем параметри вимірювання та режими роботи. В асортименті також є інтегральні модулі, що включають в різних поєднаннях акселерометр, гіроскоп, магнітометр і мікроконтролер.

Відстеження руху та його параметрів видається цікавою і, часто, комплексним завданням, в якій можуть бути задіяні датчики самих різних типів. Розвиток мікроелектромеханічних систем (MEMS) дозволяє отримати компактні рішення, що раніше були доступні або в варіантах з механічними системами, або у випадках, що вимагають чималих обчислювальних ресурсів. Зокрема, до подібних систем можна віднести гіроскопи, компаси, акселерометри і аналогічні прилади.

MEMS-гіроскопи, компаси, акселерометри знайшли застосування в мобільних пристроях (в тому числі, т.зв. «носяться»), в автомобільній техніці, в будівництві, промисловому і професійному обладнанні, побутовій техніці.

Акселерометр, встановлений на об'єкті, дозволяє визначати прискорення, з яким об'єкт рухається. При цьому поява прискорення може бути також обумовлено зовнішніми впливами на об'єкт - зміною положення, ударами, струшування, будь-якими неоднородностями руху об'єкта або виведенням його зі стану рівноваги. Сучасні прилади здатні визначати прискорення по одній або декількох осях. Дозвіл приладів дозволяє фіксувати навіть дуже незначні впливу.

Сфери застосування акселерометрів різноманітні:

• спортивні снаряди, тренажери і аксесуари:
  • системи захисту;
  • системи моніторингу руху і активності людини;
• професійні інструменти і промислові прилади:
  • сигналізація небезпечного становища або обертання;
  • моніторинг пошкоджень протягом життєвого циклу приладу;
  • попередження актів вандалізму;
• автомобільні програми:
  • відстеження параметрів руху і орієнтації автомобіля;
  • системи допомоги водієві: стабілізація при поворотах, гальмуванні;
  • системи автомобільної безпеки;
• побутова електроніка:
  • відстеження активності користувача для визначення моменту переходу в режим економії енергії;
  • визначення положення приладу при відображенні інформації;
  • відстеження фактів вільного падіння;
  • призначений для користувача інтерфейс: побутові прилади, ігрові приставки та консолі.

Діапазони прискорень, що зустрічаються в різних завданнях, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Приклади прискорень

Приклад Прискорення, g Розгін поїзда до 0.03 Розгін автомобіля 0 ... 100 км / год за 6.4 з 0.44 Розгін автомобіля 0 ... 100 км / год за 2.4 з 1.55 Вертикальна складова прискорення при ходьбі ~ 0.5 ... 2.5 Атракціон «Американські гірки» 3.5 ... 6.3 Літак на віражі до 8 Катапультування 15 Розкриття парашута 33 Удар ногою по м'ячу 300 Прискорення снаряда при пострілі ~ 15000

акселерометри STMicroelectronics

MEMS-технології є одним з швидко розвиваються напрямків діяльності STMicroelectronics. Весь цикл - кремнієве виробництво, тестування, корпусіровка, калібрування - виконується на власних виробничих потужностях, що позитивно позначається на якості кінцевої продукції.

MEMS-портфоліо STMicroelecronics включає в себе інтелектуальні датчики фізичних величин і їх складання, датчики температури, ємнісні датчики і сенсорні панелі [1].

Акселерометри STMicroelectronics представлені аналоговими і цифровими приладами і охоплюють діапазон вимірюваних прискорень до ± 400g з харчуванням 1.7 ... 3.6 В. акселерометри мають цілий ряд додаткових опцій, які роблять їх ідеальними для систем з низьким і ультранизьким енергоспоживанням. Серед них - режими зниженого енергоспоживання, режими очікування подій, автоматичний перехід в активний режим, наявність FIFO-буфера. Зазначені опції знижують не тільки власне споживання акселерометра, але і навантаження на хост-контролер, що також зменшує загальне споживання системи.

В цілому акселерометри STMicroelectronics володіють високою точністю і повторюваністю результатів (рисунок 1: число випробувань - 2790, діапазон прискорень - до 250g, точність - до 98%, середньоквадратичне відхилення - 0.997).

Мал. 1. Точність MEMS-акселерометрів STMicroelectronics

Компактні розміри акселерометрів дозволяють застосовувати їх в мобільних і переносних приладах, від мобільних телефонів і планшетів до годин, пульсометрів, шагомеров і подібних до них пристроїв. Розміри самого мініатюрного з акселерометрів - 2х2х1 мм.

У лінійку акселерометрів STMicroelectronics [2] входять серії, оптимізовані для автомобільних додатків (малюнок 2), наприклад серія AIS32x з розширеним температурним діапазоном роботи, що відповідає вимогам стандарту AEC-Q100.

Мал. 2. Серії акселерометрів STMicroelectronics

Повний портфоліо акселерометрів можна знайти на офіційного сайті STMicroelectronics. Але розробнику, перш ніж закладати в свій виріб акселерометр, потрібно враховувати, що не всі вироби з лінійки призначені для масового ринку. За фактом все акселерометри і інші MEMS-дачтікі діляться на дві групи - рекомендовані і не рекомендовані для масового застосування. Тобто розробник може використовувати нерекомендовані датчики в своєму виробі, але виробник не дає гарантії, що буде підтримувати їх на ринку досить довгий час. Це пов'язано з тим, що датчики даної групи були розроблені з орієнтацією на декількох великих замовників - Apple, Samsung, Nikon і т.д. У таблиці 2 наведені акселерометри, які орієнтовані на масовий ринок, і виробник гарантує їх довгий термін життя на ринку.

Таблиця 2. Акселерометри STMicroelectronics

Найменування Тип корпусу;
розмір, мм Осі Діапазон вимірювань, g Вихід Напруга живлення, В Струм в активному режимі, мА AIS328DQ QFN 24; 4x4x1.8 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8 Цифровий 2.4 ... 3.6 0.25 H3LIS331DL LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 100; ± 200, ± 400 Цифровий 2.16 ... 3.6 0.3 LIS2DH LGA 14; 2x2x1.0 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.011 LIS2DH12 VFLGA; 2х2х1 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.011 LIS2DM LGA 14; 2x2x1 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.006 LIS2HH12 VFLGA; 2х2х1 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.005 LIS302DL LGA 14; 3x5x0.9 X, Y, Z ± 2; ± 8 Цифровий 2.16 ... 3.6 0.3 LIS331DL LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 2; ± 8 Цифровий 2.16 ... 3.6 0.3 LIS331DLH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8 Цифровий 2.16 ... 3.6 0.25 LIS331DLM LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8 Цифровий 2.16 ... 3.6 0.25 LIS331EB LLGA 16L; 3х3х1.0 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 6; ± 8; ± 16 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.25 LIS331HH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 6; ± 12; ± 24 Цифровий 2.16 ... 3.6 0.25 LIS3DH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.011 LIS3DSH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ± 2; ± 4; ± 6; ± 8; ± 16 Цифровий 1.71 ... 3.6 0.25

У загальному випадку до складу акселерометра (рисунок 3) входить рухлива тривимірна структура, яку можна представити у вигляді набору конденсаторів змінної ємності, підсилювача заряду, пов'язаного з мультиплексором, що подає сигнал на вхід підсилювача, і демультиплексор, що видає сигнали для сигма-дельта АЦП. Після АЦП дані фільтруються і поступають в регістри зберігання. Доступ до даних і управління настройками акселерометра здійснюються по I2C- або SPI-інтерфейсу, окремий блок управляє роботою акселерометра і формуванням переривань.

Мал. 3. Структурна схема трехосевой акселерометра

LIS3DH [3] є високопродуктивним трехосевим цифровим акселерометром з ультранизьким енергоспоживанням (рисунок 4). LIS3DH має два режими роботи - нормальний, забезпечує високу продуктивність, і режим зниженого споживання.

Мал. 4. Структурна схема акселерометра LIS3DH

Динамічний діапазон вимірювань датчика може вибиратися користувачем і лежить в межах ± 2g / ± 4g / ± 8g / ± 16g. Частота проходження відліків - 0.001 ... 5 кГц. Вбудована функція самотестування дозволяє перевірити функціонування датчика в кінцевому пристрої.

Акселерометр може генерувати два незалежних сигналу переривання - спрацьовування по подоланню порогового значення або по виявленню вільного падіння, а також зі зміни положення пристрою. Пороги і часи спрацьовування переривань можуть бути задані користувачем.

На кожен канал вимірювань (вісь) є власний десятирозрядний FIFO-буфер на 32 значення.

В якості додаткового бонусу LIS3DH має три зовнішніх каналу АЦП (10 біт) для відстеження зовнішніх сигналів.

Основні характеристики:

• робочий температурний діапазон: -40 ... 85 ° C;
• незалежні висновки харчування акселерометра і ліній введення-виведення;
• споживання в режимі LowPower - менше 2 мкА;
• I2C- / SPI-інтерфейс;
• шістнадцятибітну вихідні дані;
• детектування положення 6D / 4D;
• визначення вільного падіння;
• визначення початку руху;
• перевантаження до 10000g;
• вбудований датчик температури;
• три додаткових каналу АЦП.

LIS331HH [4] має аналогічні LIS3DH функціональні можливості в плані режимів роботи і інтерфейсів із зовнішніми пристроями (рисунок 5). Акселерометр має вбудовану функцію самотестування, що настроюється діапазон вимірюваних значень - ± 6g / ± 12g / ± 24g, частоту проходження відліків 0.0005 ... 1 кГц, дві настроюються лінії переривання.

Мал. 5. Структурна схема акселерометра LIS331HH

Основні характеристики:

• робочий температурний діапазон: -40 ... 85 ° C;
• незалежні висновки харчування акселерометра і ліній введення-виведення;
• I2C- / SPI-інтерфейс;
• споживання в режимі LowPower - менше 10 мкА;
• шістнадцятибітну вихідні дані;
• детектування положення 6D;
• перевантаження до 10000g.

LIS3DSH - малопотребляющій високопродуктивний трехосевой акселерометр з вбудованим програмованим автоматом (машиною станів) [5] (малюнок 6).

Мал. 6. Структурна схема акселерометра LIS3DSH

Діапазон вимірювань - ± 2g / ± 4g / ± 6g / ± 8g / ± 16g, частота проходження відліків вимірювань - 3.125 Гц ... 1.6 кГц. Акселерометр може бути налаштований на розпізнавання певних послідовностей подій і генерацію переривань по їх виявленню. LIS3DSH має вбудований FIFO-буфер.

Основні характеристики:

• робочий температурний діапазон: -40 ... 85 ° C;
• незалежні висновки харчування акселерометра і ліній введення-виведення;
• споживання в режимі LowPower - менше 11 мкА;
• I2C- / SPI-інтерфейс;
• шістнадцятибітну вихідні дані;
• перевантаження до 10000g;
• вбудований датчик температури;
• програмований автомат;
• три додаткових каналу АЦП.

Мал. 7. Кінцевий автомат в LIS3DSH

LIS3DSH має два вбудованих програмованих кінцевих автомата, здатних виконувати призначені для користувача програми. Програма складається з набору інструкцій, які визначають переходи між станами автомата, можливі також умовні переходи. Кожен з автоматів може мати до 16 станів. З кожного стану можливий перехід або в початковий стан (стан після скидання) або в наступне. Перехід виконується по виконанню одного з двох умов «RESET condition» або «NEXT condition». Сигнал переривання генерується при досягненні одного з станів - output / stop / continue.

Кожен з автоматів може бути запрограмований на розпізнавання певних жестів, вільного падіння, визначення положення - 6D / 4D, підрахунок пульсу, кроків, розпізнавання подвійного натискання - т.зв. «Click / double click», перевороти. Інструкції та умови переходів завантажуються хост-пристроєм в виділену область пам'яті.

Автомати можуть працювати незалежно один від одного, можливі так звані синхронні режими роботи, коли другий автомат використовується для збільшення кількості станів першого (сумарно до 32 станів) або як автомат-підпрограма, що виконується в одному або декількох станах першого автомата (рисунок 8).

Мал. 8. Спільна робота кінцевих автоматів в LIS3DSH

FIFO-буфер має чотири режими роботи:

• безпосередньо (Bypass):
  • буфер FIFO в даному режимі не використовується, він порожній
  • режим може бути використаний для скидання FIFO з іншого режиму;
• FIFO:
  • FIFO продовжує заповнюватися, поки не досягне 32 значень, а потім зупиняється;
  • для рестарту буфера необхідно перейти в режим Bypass;
• потоковий - Stream:
  • FIFO працює як кільцевої буфер, старі дані змінюються новими;
  • режим Bypass використовується для зупинки даного режиму;
• потік в FIFO (Stream to FIFO):
  • FIFO працює як кільцевої буфер, старі дані змінюються новими;
  • можливе використання тригера (події на ніжках INT1 і INT2).

За винятком відсутності функції самотестування і діапазону вимірюваних напруг, акселерометр H3LIS331DL [6] аналогічний LIS331HH. У порівнянні з LIS331HH, H3LIS331DL має набагато ширший динамічний діапазон вимірюваних прискорень - ± 100g / ± 200g / ± 400g. За діапазоном прискорень видно заявка на застосування в спортивних тренажерах, аксесуарах, системах безпеки, автомобільної та спортивної індустрії, системах екстреного гальмування.

LIS2DH - трехосевой високопродуктивний акселерометр з I2C- / SPI-інтерфейсом, частотою проходження відліків 0.001 ... 5.3 кГц [7]. Діапазон вимірюваних прискорень задається користувачем і може лежати в межах ± 2g / ± 4g / ± 8g / ± 16g.

Основні характеристики:

• робочий температурний діапазон: -40 ... 85 ° C;
• незалежні висновки харчування акселерометра і ліній введення-виведення;
• споживання в режимі LowPower - менше 2 мкА;
• I2C- / SPI-інтерфейс;
• шістнадцятибітну вихідні дані;
• детектування положення 6D / 4D;
• вбудований FIFO-буфер;
• визначення вільного падіння;
• визначення початку руху;
• перевантаження до 10000g;
• вбудований датчик температури.

AIS328DQ - трехосевой акселерометр для автомобільних застосувань з I2C- / SPI-інтерфейсом. AIS328DQ може бути налаштований на генерацію переривань по подіям або по зміні положення пристрою. QFPN-корпус (4х4 мм) дозволяє акселерометру функціонувати в діапазоні температур -40 ... 105 ° C [8]. Серед інших особливостей акселерометра - такі:

• споживання в режимі LowPower - менше 10 мкА;
• шістнадцятибітну вихідні дані;
• детектування положення 6D;
• перевантаження до 10000g.
• два незалежних конфігурованих джерела переривання;
• діапазон вимірювань: ± 2g / ± 4g / ± 8g;
• лінії введення-виведення, сумісні з логікою 1.8 В.

Акселерометри в складі модулів INEMO

Крім випуску окремих виробів, компанія STMicroelectronics інтегрує акселерометри в більш складні датчики - на одному кристалі з гіроскопом, магінітометром і різними їх комбінаціями. Можливі варіанти інтеграції:

• акселерометр + гіроскоп (LSM330);
• акселерометр + магнітометр (LSM303, LSM6D);
• акселерометр + гіроскоп + магнітовимірювачі (LSM9DS);
• модуль акселерометр + гіроскоп + магнітовимірювачі + мікроконтролер (INEMO-M1).

Налагодження плати з акселерометром

Однією з налагоджувальних плат для роботи з MEMS-датчиками STMicroelectronics є STEVAL-MKI109V2 , Побудована на базі 32-бітного мікроконтролера STM32F103RET6 [9]. Плата має USB-, JTAG- / SWD-інтерфейси, підтримується режим DFU (Device Firmware Upgrade). Для підключення дочірніх плат MEMS-датчиків обладнано роз'ємом DIL24 (плати сімейства MKI10xx). Більш докладно з характеристиками налагоджувальних плат з акселерометром виробництва компанії STMicroelectronics можна ознайомитися в таблиці 3.

Таблиця 3. Налагодження та ознайомчі плати STMicroelectronics з акселерометром

Крім зазначених налагоджувальних плат акселерометри присутні на платах STM32F4DISCOVERY.

Мал. 9. Зовнішній вигляд отладочной плати MKI109V2

Для ряду акселерометрів на сайті STMicroelectronics доступні вихідні тексти драйверів для застосування у вбудованих системах, а також для ОС Linux (таблиця 4).

Таблиця 4. Приклади драйверів для акселерометрів STMicroelectronics

Найменування Опис STSW-MEMS004 Драйвер для LIS331DLH STSW-MEMS006 Драйвер для LIS3DH STSW-MEMS015 Драйвер для AIS328DQ STSW-MEMS021 LIS2DH Linux-драйвер STSW-MEMS022 LIS331DLH Linux-драйвер STSW-MEMS023 LIS3DH Linux-драйвер STSW-MEMS024 LIS3DSH Linux-драйвер

висновок

Асортимент акселерометрів виробництва компанії STMicroelectronics перекриває практично весь спектр можливих застосувань проборов з функцією вимірювання прискорення - від мобільних телефонів і планшетів до автомобільних систем і спортивного інвентарю.

В якості ключових переваг можна відзначити простий інтерфейс з хост-системою, наявність декількох робочих режимів, що конфігуруються умови генерації сигналів переривань.

Цілий ряд моделей має вбудовані програмовані кінцеві автомати, що дозволяють визначати умови розпізнавання складних переміщень, наприклад, жестів. Наявність FIFO-буферів в деяких моделях дозволяє знизити навантаження на хост-контролер і реалізовувати більш гнучкі алгоритми отримання і обробки даних з датчиків.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі