LIS2DW12: новий акселерометр з ультранизьким енергоспоживанням

1. Огляд акселерометрів від STMicroelectronics
2. Нові акселерометри LIS2DW12
3. Засоби розробки і налагодження для МЕМС-датчиків ST
4. висновок
5. література
6. Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics продовжує утримувати лідируючі позиції на ринку МЕМС-компонентів. Нещодавно розробникам був представлений ще один новий продукт - трехосевой цифровий МЕМС-акселерометр LIS2DW12. За рівнем споживання і основним метрологічним характеристикам він перевершує своїх попередників, в тому числі 14-бітний LIS2DS12.

Мікроелектромеханічні системи, або МЕМС - активно розвивається галузь електроніки. Найбільш поширеними МЕМС-компонентами є датчики - акселерометри, гіроскопи, магнітометри і інші. Вони застосовуються в найрізноманітніших сферах і областях: від портативної електроніки - до медичних приладів і роботів (рисунок 1).

Мал. 1. Області застосування МЕМС-датчиків

STMicroelectronics - один з найбільших виробників на ринку МЕМС. На даний момент сумарний обсяг датчиків, випущених STMicroelectronics, перевищив 11 мільярдів штук. Це пояснюється високою популярністю і широким вибором компонентів. Номенклатура компанії досить різноманітна і включає в себе кілька основних груп (малюнок 2), таких як:

• інерційні датчики для промислових і комерційних додатків: акселерометри, гіроскопи, магнітометри, інерційні багатоосьові модулі (комбінація декількох типів сенсорів);
• датчики параметрів навколишнього середовища: тиску, вологості, температури;
• МЕМС-мікрофони з аналоговими і цифровими виходами;
• датчики наближення;
• датчики для автомобільних додатків підвищеної надійності: акселерометри, інерційні багатоосьові модулі.

Мал. 2. Номенклатура МЕМС -Датчик STMicroelectronics

Відмінними рисами сенсорів виробництва компанії STMicroelectronics є висока надійність, низька ціна, максимальна доступність, простота використання і мале споживання. Остання риса вкрай важлива практично для всіх сучасних додатків. Особливо це стосується портативних мобільних пристроїв. З цієї причини один з векторів розвитку продукції компанії спрямований на зниження споживання. Доказом цього є нові акселерометри LIS2DW12 , Чий рівень споживання в два рази менше, чому у попередників.

Огляд акселерометрів від STMicroelectronics

STMicroelectronics є одним з лідерів на ринку МЕМС. При цьому саме акселерометри стали для компанії свого роду «золотою жилою». На даний момент STMicroelectronics випускає три основних сімейства акселерометрів (таблиця 1):

• AISx - автомобільні акселерометри підвищеної надійності, в тому числі - для систем подушок безпеки;
• H3LISx - акселерометри для роботи зі значними прискореннями аж до 400g ( H3LIS331DL );
• LISx - цифрові і аналогові акселерометри для промислових і комерційних додатків.

Таблиця 1. Акселерометри виробництва компанії STMicroelectronics

Найменування Опис Uпит, В Iпотр, мА Тип Осі Корпус AIS1120SX Автомобільний цифровий одновісний акселерометр для подушок безпеки 3,1 ... 3,5 4,5 Цифровий X SO-8 AIS1200PS Автомобільний цифровий акселерометр з інтерфейсом PSI5 5, ... 16 4 X, Y SO16 AIS328DQ Автомобільний високопродуктивний цифровий трехосевой акселерометр 2,4 ... 3,6 0,25 X, Y, Z QFN 24 4x4x1,8 AIS3624DQ - AIS2120SX Автомобільний цифровий двовісний акселерометр для подушок безпеки 3,1 ... 3,5 6 X, Y SO-8 LIS2HH12 Цифровий малопотребляющій трехосевой акселерометр 1,71 ... 3,6 0,018 X, Y, Z VFLGA 2X2X1 12LD
з кроком 0,5 мм IIS328DQ Промисловий цифровий малопотребляющій трехосевой акселерометр 2,4 ... 3,6 - QFN 24 4x4x1,8 LIS344ALH Трехосевой акселерометр з аналоговим виходом 0,68 Аналоговий LLGA 16 4x4x1,5 LIS2DE12 Цифровий малопотребляющій трехосевой акселерометр 1,71 ... 3,6 0,011 Цифровий VFLGA 2X2X1 12LD
з кроком 0,5 мм LIS3LV02DL Цифровий трехосевой акселерометр 2,16 ... 3,6 0,65 LGA 16 4,4 × 7,5 × 1,0 LIS3DSH Цифровий малопотребляющій трехосевой акселерометр 1,71 ... 3,6 0,25 LLGA 16 3x3x1,0 MIS2DH Цифровий малопотребляющій і високопродуктивний трехосевой акселерометр 0,002 VFLGA 2X2X1 12LD
з кроком 0,5 мм LIS302DL Цифровий малопотребляющій трехосевой акселерометр 2,16 ... 3,6 0,3 LGA 14 3x5x0,9 LIS2DS12 1,62 ... 1,8 0,018 VFLGA 2X2X0,86 12L, IIS2DH 1,71 ... 3,6 0,011 VFLGA 2X2X1 12LD
з кроком 0,5 мм LIS2DE LGA 14 2x2x1,0 LIS3DH LLGA 16 3x3x1,0 LIS331HH 2,16 ... 3,6 0,25 LIS2DH 1,71 ... 3,6 0,011 LGA 14 2x2x1,0 LIS2DH12 VFLGA 2X2X1 12LD
з кроком 0,5 мм LIS3DE LLGA 16 3x3x1,0 H3LIS100DL Промисловий цифровий трехосевой акселерометр для значних прискорень 2,16 ... 3,6 - H3LIS331DL 0,3 H3LIS200DL -

Саме остання група цифрових акселерометрів для промислових і комерційних додатків є найчисленнішою і налічує понад півтора десятка представників. Їх загальними відмітними рисами є малі габарити, мале споживання і висока точність вимірювань.

до появи LIS2DW12 найбільш досконалими представниками в сімействі акселерометрів загального призначення були мікросхеми LIS2DS12 , LIS2DH12 і LIS2DE12 :

• LIS2DE12 - малопотребляющіе трехосевой 8-бітові акселерометри з діапазоном вимірювань ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16g і вбудованим буфером FIFO;
• LIS2DH12 - малопотребляющіе трехосевой 12-бітові акселерометри з діапазоном вимірювань ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16g і вбудованим буфером FIFO.
• LIS2DS12 - малопотребляющіе трехосевой 14-бітові акселерометри з діапазоном вимірювань ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16g і вбудованим буфером FIFO.

Цікаво, що кожна наступна модель перевершувала попередню по точності вимірювань, і при цьому демонструвала зниження габаритних розмірів і рівня споживання. Ці ж тенденції збереглися і при появі нових акселерометрів LIS2DW12.

Нові акселерометри LIS2DW12

Компанія STMicroelectronics вибрала три стратегічні напрямки розвитку для своїх акселерометрів: зниження споживання, зменшення габаритів, підвищення точності. Нові акселерометри LIS2DW12 доводять вірність цим принципам (таблиця 2).

Таблиця 2. Найбільш досконалі акселерометри загального призначення виробництва компанії STMicroelectronics

параметр Найменування LIS2DW12 LIS2DS12 LIS2DH12 LIS2DE12 Корпус, мм 2x2x0,7 LGA-12 2x2x0,86 LGA-12 2x2x1 LGA-12 LGA-12, 2x2x1 Діапазон прискорень, g ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16 Дозвіл 5 режимів: Low power (12 біт), 4x High res (14 біт) 3 режими: Low power (10 біт), Normal (12 біт), High res (14 біт) 3 режими: Low power (8 біт), Normal (10 біт), High res (12 біт ) 1 режим: Low power (8 біт) Чутливість, g · 10-3 0,244 1 15,6 Щільність шуму (± 2g, 100 Гц), мкg / √Гц 90 120 220 Споживання в режимі очікування, мкА 0,05 0, 7 0,5 споживання в режимі зниженого споживання (Low Power Mode), мкА 0,38 при 1,6 Гц, 3/16 при 50 Гц 2,5 при 1 Гц, 8 при 50Гц 2 при 1 Гц, 6 при 50 Гц споживання в нормальному режимі (Normal Mode), мкА 120 при 50 Гц 150 при 12,5 ... 6400 Гц 11 при 50 Гц - типів зміщення (0g), g · 10-3 ± 20 ± 30 ± 40 ± 100 Температурна залежність зміщення (0g), g · 10-3 / ° C ± 0,2 ± 0,3 ± 0,5 Частота вимірів Одноразовий, 0,016 ... 1,6 кГц 0,001 ... 6,4 кГц 0,001 ... 5,376 кГц (Low power); 0,001 ... 1,344 кГц (Normal, HR) 0,001 ... 5,376 кГц (Low power) Смуга частот сигналу До ODR / 2 ODR / 2 (LPM і NM), ODR / 9 (HR) ODR / 2 (Low power) Розмір буфера FIFO 32 256 (14 біт), 768 (версія XL) 32 (10 біт) Внутрішнє тестування / датчик температури є / є (1 LSB / ° C) є / є Напруга живлення, В 1,62 ... 3,6 1,62 ... 1 , 98 1,71 ... 3,6

Мал. 3. LIS2DW12 відрізняється рекордно малими габаритами

Зниження габаритних розмірів. Починаючи з LIS2DE12, що розглядаються акселерометри випускалися в стандартному корпусном виконанні LGA-12. Цей корпус займає на платі площу всього 2 × 2 мм, при цьому його товщина зменшується з появою кожної нової моделі. Якщо для LIS2DE12 і LIS2DH12 вона становила 1 мм, то у LIS2DS12 була зменшена до 0,86 мм. У нових LIS2DW12 вона досягла нового рекордного значення - 0,7 мм (рисунок 3).

Зменшення габаритів - вельми наочний доказ розвитку акселерометрів, але ще більше значення мають метрологічні характеристики і параметри споживання.

Поліпшення метрологічних характеристик. При аналізі даної групи характеристик слід звернути увагу на наступні параметри: розрядність, рівень шумів, похибка зміщення і її температурна залежність.

У самого простого з розглянутих акселерометрів, - LIS2DE12, - розрядність становить 8 біт. При цьому рівень шумів досить високий за сучасними мірками: 220 мкg / √Гц. Рівень початкового зсуву досягає ± 100 Мg з температурною залежністю 0,5 Мg / ° C. Наступні моделі акселерометрів демонстрували набагато більш високі результати.

LIS2DH12 перевершують LIS2DE12 по розрядності (12 біт) і за рівнем зсуву (± 40 М g). Ще краще характеристики у LIS2DS12: розрядність 14 біт, рівень шумів знижений до 120 мкg / √Гц, а зсув - до ± 30 М g. LIS2DS12 також відрізняється вдвічі меншою температурної залежністю зсуву до 0,3 Мg / ° C.

За попередніми даними нові акселерометри LIS2DW12 не поступаються, а в більшості випадків перевершують попередників за всіма метрологічних характеристик. Вони мають:

• дозвіл до 14 біт, як і у LIS2DS12, що дає чутливість 0,000244g при діапазоні вимірювань ± 2g;
• рекордно низький рівень шумів - 90 мкg / √Гц, що на 25% менше, ніж у LIS2DS12;
• рекордно низьке значення зсуву - ± 20 М g, що на 50% менше, ніж у LIS2DS12 і в два рази менше, ніж у LIS2DS12;
• температурну залежність 0,2 Мg / ° C, тобто на 50% менше, ніж у LIS2DS12.

Зниження рівня споживання. У загальному випадку на рівень споживання впливають такі чинники:

• розрядність використовуваного АЦП;
• частота вимірювань;
• наявність або відсутність буфера для зберігання вимірювань;
• наявність режимів зниженого споживання.

Висока розрядність АЦП підвищує точність вимірювань, але негативно позначається на рівні споживання. У ряді випадків від надлишкової розрядності варто відмовитися. Наприклад, якщо перед акселерометром ставиться завдання детектування ударів або кроків, то наявність 14-бітних відліків зовсім не обов'язково.

Щоб заощадити на споживанні, всі розглянуті акселерометри виробництва компанії STMicroelectronics (за винятком LIS2DE12) мають можливість зміни розрядності вимірювань. LIS2DS12 може формувати 10/12/14-бітові вибірки. Аналогічні можливості присутні і у нових LIS2DW12: 12-бітові вимірювання (режим Low Power), 14-бітові вимірювання (режим High Resolution).

Важливим фактором, що впливає на споживання, виявляється частота вимірювань. Чим більше вимірювань проводиться в одиницю часу, тим вище споживання. LIS2DW12 відрізняється досить вузьким діапазоном частот - 0,016 ... 1,6 кГц. Це менше, ніж у інших акселерометрів. Однак рівень споживання для однакових частот виявляється для LIS2DW12 набагато нижче:

• в режимі High Resolution (14 біт) при частоті опитування 50 Гц LIS2DS12 споживає 150 мкА, в той час як новий LIS2DW12 - тільки 120 мкА;
• в режимі Low Power і частоті 50 Гц LIS2DW12 споживає тільки 3 мкА, а LIS2DS12 і LIS2DH12 характеризуються значеннями 8 мкА і 6 мкА відповідно.
• в режимі очікування споживання LIS2DW12 виявляється в 10 разів менше, ніж у попередників.

При обліку споживання необхідно аналізувати не тільки значення живлять струмів акселерометра, але також і споживання керуючого мікроконтролера. При цьому велику роль відіграє наявність буфера для зберігання даних (малюнок 4). Якщо буфер відсутня, і микроконтроллеру доводиться постійно вичитувати нові результати вимірювань, то споживання виявиться значним (малюнок 4а). При наявності буфера дані можуть читатися і оброблятися з меншою частотою, а величина споживання різко скорочується (рисунок 4б). Нові акселерометри LIS2DW12 мають на борту FIFO-буфер розміром в 32 осередки для зберігання даних.

Мал. 4. Наявність вбудованого буфера призводить до значного зниження споживання: а) без буфера, б) з буфером

Таким чином, нові акселерометри LIS2DW12 перевершують попередників по більшості ключових параметрів. Також не варто забувати про одне загальному гідність для всіх МЕМС-датчиків -наявність розвиненої системи розробки та налагодження.

Засоби розробки і налагодження для МЕМС-датчиків ST

Для швидкого вивчення особливостей МЕМС від ST розробникам пропонується два підходи:

• використання незалежних налагоджувальних плат і DIL-24-модулів;
• використання платформи STM32 Open Development Environment (ODE).

STM32 Open Development Environment (ODE) - відкрита програмно-апаратна платформа, яка значно спрощує освоєння і використання не тільки МЕМС-датчиків, але і мікроконтролерів STM32, а також інших продуктів компанії (малюнок 5).

Мал. 5. Відкрита програмно-апаратне середовище STM32 Open Development Environment (ODE)

Яскравим прикладом використання STM32 ODE є програмний пакет BLUEMICROSYSTEM1, який призначений для спільної роботи з конкретними апаратними засобами STM32 ODE (рисунок 6):

Мал. 6. Склад апаратних засобів для роботи з BLUEMICROSYSTEM1

Плати STM32 Nucleo є універсальними. Вони сумісні з платформою Arduino і платами розширення виробництва STMicroelectronics (малюнок 7). Для роботи з МЕМС-датчиками підходять плати розширення X-NUCLEO-IKS01A1 (рисунок 8) і X-NUCLEO-IKS01A2 .

Мал. 7. Плати STM32 Nucleo - ідеальний інструмент вивчення продуктів STMicroelectronics

Мал. 8. Зовнішній вигляд і особливості плати розширення X-NUCLEO-IKS01A1

BLUEMICROSYSTEM1 реалізує програмне забезпечення на трьох рівнях: рівні драйверів, проміжному і прикладному рівнях.

висновок

МЕМС-акселерометр LIS2DW12 є найбільш просунутим продуктом в лінійці акселерометрів виробництва компанії STMicroelectronics. LIS2DW12 перевершує попередників практично за всіма ключовими характеристиками:

• максимальна роздільна здатність до 14-біт, рекордно низькі рівні шуму 90 мкg / √Гц і зміщення ± 20 М g, мінімальна температурна залежність зміщення 0,2 Мg / ° C;
• мінімальне споживання: 0,05 мкА в режимі очікування, від 0,38 мкА в режимі зниженого споживання, 120 мкА при максимальній частоті вибірок 1,6 кГц;
• рекордно низькі габаритні розміри: 2x2x0,7 мм, LGA-12.

література

1. Гавриков В. BLE-пристрій з МЕМС-датчиками? - легко, з програмним пакетом BLUEMICROSYSTEM1. - НЕ №7, 2016.
2. www.st.com .

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