Stmicroelectronics 3 axis digital accelerometer solution что это
Акселерометры STMicroelectronics: определяя любое движение
Акселерометры STMicroelectronics – это диапазон измеряемых ускорений до ±400g, питание 1.7…3.6 В, сверхмалое энергопотребление, высокая точность и повторяемость результатов, задаваемые пользователем параметры измерения и режимы работы. В ассортименте также имеются интегральные модули, включающие в разных сочетаниях акселерометр, гироскоп, магнитометр и микроконтроллер.
Отслеживание движения и его параметров представляется интересной и, часто, комплексной задачей, в которой могут быть задействованы датчики самых разных типов. Развитие микроэлектромеханических систем (MEMS) позволяет получить компактные решения, доступные ранее или в вариантах с механическими системами, или в вариантах, требующих достаточно больших вычислительных ресурсов. В частности, к подобным системам можно отнести гироскопы, компасы, акселерометры и аналогичные приборы.
MEMS-гироскопы, компасы, акселерометры нашли применение в мобильных устройствах (в том числе, т.н. «носимых»), в автомобильной технике, в строительстве, промышленном и профессиональном оборудовании, бытовой технике.
Акселерометр, установленный на объекте, позволяет определять ускорение, с которым объект движется. При этом появление ускорения может быть также обусловлено внешними воздействиями на объект – изменением положения, ударами, встряхиваниями, любыми неоднородностями движения объекта или выводом его из состояния равновесия. Современные приборы способны определять ускорение по одной или нескольким осям. Разрешение приборов позволяет фиксировать даже весьма незначительные воздействия.
Сферы применения акселерометров разнообразны:
Диапазоны ускорений, встречающихся в различных задачах, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Примеры ускорений
Пример | Ускорение, g | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Разгон поезда | до 0.03 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Разгон автомобиля 0…100 км/ч за 6.4 с | 0.44 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Разгон автомобиля 0…100 км/ч за 2.4 с | 1.55 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Вертикальная составляющая ускорения при ходьбе | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Аттракцион «Американские горки» | 3.5…6.3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Самолет на вираже | до 8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Катапультирование | 15 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Раскрытие парашюта | 33 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удар ногой по мячу | 300 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ускорение снаряда при выстреле |
Наименование | Тип корпуса; размер, мм | Оси | Диапазон измерений, g | Выход | Напряжение питания, В | Потребляемый ток в активном режиме, мА |
AIS328DQ | QFN 24; 4x4x1.8 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8 | Цифровой | 2.4…3.6 | 0.25 |
H3LIS331DL | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±100; ±200, ±400 | Цифровой | 2.16…3.6 | 0.3 |
LIS2DH | LGA 14; 2x2x1.0 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8; ±16 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.011 |
LIS2DH12 | VFLGA; 2х2х1 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8; ±16 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.011 |
LIS2DM | LGA 14; 2x2x1 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8; ±16 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.006 |
LIS2HH12 | VFLGA; 2х2х1 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.005 |
LIS302DL | LGA 14; 3x5x0.9 | X, Y, Z | ±2; ±8 | Цифровой | 2.16…3.6 | 0.3 |
LIS331DL | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±2; ±8 | Цифровой | 2.16…3.6 | 0.3 |
LIS331DLH | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8 | Цифровой | 2.16…3.6 | 0.25 |
LIS331DLM | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8 | Цифровой | 2.16…3.6 | 0.25 |
LIS331EB | LLGA 16L; 3х3х1.0 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±6 ;±8; ±16 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.25 |
LIS331HH | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±6; ±12; ±24 | Цифровой | 2.16…3.6 | 0.25 |
LIS3DH | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±8; ±16 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.011 |
LIS3DSH | LLGA 16; 3x3x1.0 | X, Y, Z | ±2; ±4; ±6; ±8; ±16 | Цифровой | 1.71…3.6 | 0.25 |
В общем случае в состав акселерометра (рисунок 3) входит подвижная трехмерная структура, которую можно представить в виде набора конденсаторов переменной емкости, усилителя заряда, связанного с мультиплексором, подающим сигнал на вход усилителя, и демультиплексором, выдающим сигналы для сигма-дельта АЦП. После АЦП данные фильтруются и поступают в регистры хранения. Доступ к данным и управление настройками акселерометра осуществляются по I2C- или SPI-интерфейсу, отдельный блок управляет работой акселерометра и формированием прерываний.
Рис. 3. Структурная схема трехосевого акселерометра
LIS3DH [3] является высокопроизводительным трехосевым цифровым акселерометром с ультранизким энергопотреблением (рисунок 4). LIS3DH имеет два режима работы – нормальный, обеспечивающий высокую производительность, и режим пониженного потребления.
Рис. 4. Структурная схема акселерометра LIS3DH
Динамический диапазон измерений датчика может выбираться пользователем и лежит в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g. Частота следования отсчетов – 0.001…5 кГц. Встроенная функция самотестирования позволяет проверить функционирование датчика в конечном устройстве.
Акселерометр может генерировать два независимых сигнала прерывания – срабатывание по преодолению порогового значения или по обнаружению свободного падения, а также по изменению положения устройства. Пороги и времена срабатывания прерываний могут быть заданы пользователем.
На каждый канал измерений (ось) имеется собственный десятиразрядный FIFO-буфер на 32 значения.
В качестве дополнительного бонуса LIS3DH имеет три внешних канала АЦП (10 бит) для отслеживания внешних сигналов.
LIS331HH [4] имеет аналогичные LIS3DH функциональные возможности в плане режимов работы и интерфейсов с внешними устройствами (рисунок 5). Акселерометр имеет встроенную функцию самотестирования, настраиваемый диапазон измеряемых значений – ±6g/±12g/±24g, частоту следования отсчетов 0.0005…1 кГц, две настраиваемые линии прерывания.
Рис. 5. Структурная схема акселерометра LIS331HH
LIS3DSH – малопотребляющий высокопроизводительный трехосевой акселерометр со встроенным программируемым автоматом (машиной состояний) [5] (рисунок 6).
Рис. 6. Структурная схема акселерометра LIS3DSH
Диапазон измерений – ±2g/±4g/±6g/±8g/±16g, частота следования отсчетов измерений – 3.125 Гц…1.6 кГц. Акселерометр может быть настроен на распознавание определенных последовательностей событий и генерацию прерываний по их обнаружению. LIS3DSH имеет встроенный FIFO-буфер.
Рис. 7. Конечный автомат в LIS3DSH
LIS3DSH имеет два встроенных программируемых конечных автомата, способных выполнять пользовательские программы. Программа состоит из набора инструкций, которые определяют переходы между состояниями автомата, возможны также условные переходы. Каждый из автоматов может иметь до 16 состояний. Из каждого состояния возможен переход или в начальное состояние (состояние после сброса) или в следующее. Переход выполняется по выполнению одного из двух условий «RESET condition» или «NEXT condition». Сигнал прерывания генерируется при достижении одного из состояний – output/stop/continue.
Каждый из автоматов может быть запрограммирован на распознавание определенных жестов, свободного падения, определения положения – 6D/4D, подсчет пульса, шагов, распознавание двойного нажатия – т.н. «click/double click», перевороты. Инструкции и условия переходов загружаются хост-устройством в выделенную область памяти.
Автоматы могут работать независимо друг от друга, возможны так называемые синхронные режимы работы, когда второй автомат используется для увеличения количества состояний первого (суммарно до 32 состояний) или как автомат-подпрограмма, исполняющаяся в одном или нескольких состояниях первого автомата (рисунок 8).
Рис. 8. Совместная работа конечных автоматов в LIS3DSH
FIFO-буфер имеет четыре режима работы:
За исключением отсутствия функции самотестирования и диапазона измеряемых напряжений, акселерометр H3LIS331DL [6] аналогичен LIS331HH. В сравнении с LIS331HH, H3LIS331DL имеет гораздо более широкий динамический диапазон измеряемых ускорений – ±100g/±200g/±400g. По диапазону ускорений видна заявка на применение в спортивных тренажерах, аксессуарах, системах безопасности, автомобильной и спортивной индустрии, системах экстренного торможения.
LIS2DH – трехосевой высокопроизводительный акселерометр с I2C-/SPI-интерфейсом, частотой следования отсчетов 0.001…5.3 кГц [7]. Диапазон измеряемых ускорений задается пользователем и может лежать в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g.
Акселерометры в составе модулей INEMO
Помимо выпуска отдельных изделий, компания STMicroelectronics интегрирует акселерометры в более сложные датчики – на одном кристалле с гироскопом, магинитометром и различными их комбинациями. Возможные варианты интеграции:
Отладочные платы с акселерометрами
Одной из отладочных плат для работы с MEMS-датчиками STMicroelectronics является STEVAL-MKI109V2, построенная на базе 32-битного микроконтроллера STM32F103RET6 [9]. Плата имеет USB-, JTAG-/SWD-интерфейсы, поддерживается режим DFU (Device Firmware Upgrade). Для подключения дочерних плат MEMS-датчиков предусмотрен разъем DIL24 (платы семейства MKI10xx). Более подробно с характеристиками отладочных плат с акселерометрами производства компании STMicroelectronics можно ознакомиться в таблице 3.
Таблица 3. Отладочные и ознакомительные платы STMicroelectronics с акселерометрами
Наименование | Описание |
STEVAL-MKI009V1 | Плата с LIS3LV02DL для разъема DIL20 |
STEVAL-MKI013V1 | Плата с LIS302DL для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI015V1 | Плата с LIS344ALH для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI031V1 | Демонстрационная плата в миниатюрном корпусе с LCD-дисплеем |
STEVAL-MKI087V1 | Плата с LIS331DL для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI089V1 | Плата с LIS331DLH для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI105V1 | Плата с LIS3DH для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI109V2 | Материнская плата eMotion на базе STM32F103 |
STEVAL-MKI110V1 | Плата с AIS328DQ для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI134V1 | Плата с LIS3DSH для разъема DIL24 |
STEVAL-MKI135V1 | Плата с LIS2DH для разъема DIL24 |
Кроме указанных отладочных плат акселерометры присутствуют на платах STM32F4DISCOVERY.
Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MKI109V2
Для ряда акселерометров на сайте STMicroelectronics доступны исходные тексты драйверов для применения во встраиваемых системах, а также для ОС Linux (таблица 4).
Таблица 4. Примеры драйверов для акселерометров STMicroelectronics
Наименование | Описание |
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 |
Заключение
Ассортимент акселерометров производства компании STMicroelectronics перекрывает практически весь спектр возможных применений проборов с функцией измерения ускорения – от мобильных телефонов и планшетов до автомобильных систем и спортивного инвентаря.
В качестве ключевых достоинств можно отметить простой интерфейс с хост-системой, наличие нескольких рабочих режимов, конфигурируемые условия генерации сигналов прерываний.
Целый ряд моделей имеет встроенные программируемые конечные автоматы, позволяющие определять условия распознавания сложных перемещений, например, жестов. Наличие FIFO-буферов в некоторых моделях позволяет снизить нагрузку на хост-контроллер и реализовывать более гибкие алгоритмы получения и обработки данных с датчиков.
Новые датчики ускорения (акселерометры) компании STMicroelectronics
Большинство интегральных акселерометров производится по технологии MEMS (микроэлектромеханических систем) и представляет собой датчики линейного ускорения. В этом качестве они используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Эти устройства находят широкое применение на транспорте, в медицине, промышленных системах измерения и управления, инерциальных системах навигации. Особенную долю рынка MEMS-акселерометров составляют компьютерные и коммуникационные устройства. Так, например, смартфоны компании Nokia построены на основе чипа компании STMicroelectronics модели LIS302DL.
Сегодня на рынке MEMS-акселерометров доминирует большая тройка производителей: Analog Devices, Freescale и STMicroelectronics.
Компания STMicroelectronics успешно развивает свою собственную технологию производства MEMS на базе поликристаллического кремния. Сенсорный элемент датчиков ST, способный детектировать ускорение, производится с использованием процесса, получившего название THELMA (Thick Epi-Poly Layer for Microactuators and Accelerometers), который позволяет создавать поверхностные микромеханические структуры, прикрепляемые к подложке в нескольких анкерных точках и способные перемещаться в плане структуры. Эквивалентная схема сенсорного элемента представляет собой полумост, разбаланс которого при ускорении измеряется посредством интеграции заряда чувствительного конденсатора, питаемого импульсами напряжения. Номинальное значение рабочей емкости несколько пикофарад, под действием ускорения максимальные вариации емкостной нагрузки составляют до 100 пФ [1]. Основные этапы развития и особенности технологии MEMS THELMA STMicroelectronics подробно изложены в трудах специалистов компании [3].
Акселерометры STMicroelectronics выпускаются в малоразмерных корпусах, в которые интегрированы сенсорный элемент и кристалл ASIC с аналоговым или цифровым интерфейсом SPI/I 2 C. Текущая линейка акселерометров STMicroelectronics, рекомендованных для новых проектов (табл. 1), постоянно пополняется новыми изделиями, отражающими потребности рынка. В таблице красным цветом выделены новинки 2008 г., которые далее мы рассмотрим подробнее.
Обозна- чение | Статус | Корпус | Краткое описание | Напряжение питания (Vcc) | Резонансная частота | Чувстви- тельность | Пределы диапазона ускорения | Выходное напряжение 0G | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
мин. | тип. | макс. | тип. | мин. | ном. | макс. | мин. | ном. | ||||
В | В | В | Гц | Гц | В/g | g | g | В | ||||
AIS226DS | План | SO16L | Инерциальный MEMS-датчик, 2 оси, акселерометр слабого ускорения с цифровым выходом для автомобильных применений | 3 | 3,3 | 3,6 | | | | 6 | 2 | |
AIS326DQ | Пр-во | QFPN 28 7×7×1,9 | Инерциальный MEMS-датчик, 3 оси, акселерометр слабого ускорения с цифровым выходом для автомобильных применений | 3 | 3,3 | 3,6 | | | | 6 | 2 | |
LIS202DL | Пр-во | LGA 14L 3×5×1 | MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 2 оси, акселерометр ускорения ±2/±8 g с цифровым смартвыходом | 2,16 | 2,5 | 3,6 | 2000 | | | 8 | 2 | |
LIS244AL | Пр-во | LLGA 16L 4×4×1,5 | MEMS датчик движения, 2 оси, акселерометр ускорения до ±2 g с аналоговым выходом | 2,4 | 3 | 3,6 | | 4000 | 0,42 | | 2 | 1,5 |
LIS244ALH | Пр-во | LLGA 16L 4×4×1,5 | Прецизионный инерциальный MEMS-датчик, 2 оси, ультракомпактный линейный акселерометр ускорения до ±6 g | 2,4 | 3,3 | 3,6 | | 2000 | 0,66 | 6 | 2 | |
LIS302ALK | Анонс | LGA 14L 3×5×1 | MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 3 оси, акселерометр ускорения до ±2 g с аналоговым выходом | 3 | 3,3 | 3,6 | | 2000 | 0,44 | 2 | | 1,235 |
LIS302DL | Пр-во | LGA 14L 3×5×1 | MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 3 оси, акселерометр ускорения ±2/±8 g с цифровым смартвыходом | 2,16 | 2,5 | 3,6 | 2000 | | | 8 | 2 | |
LIS302SG | Пр-во | LGA 14L 3×5×1 | MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 3 оси, акселерометр ускорения до 2 g с аналоговым выходом | 3 | 3,3 | 3,6 | | 2000 | 0,478 | | 2 | 1,65 |
LIS331AL | Пр-во | LLGA 16L 3×3×1,0 | Инерциальный MEMS-датчик из семейства «нано», 3 оси, акселерометр ускорения до ±2 g с аналоговым выходом | 3 | 3,3 | 3,6 | | 2000 | 0,478 | | 2 | 1,65 |
LIS331DL | Пр-во | LLGA 3×3×1,0 16L | MEMS датчик движения из семейства «нано», 3 оси, акселерометр ускорения ±2/±8 g с цифровым смартвыходом | 2,16 | 2,5 | 3,6 | 2000 | | | 8 | 2 | |
LIS331DLF | Развитие, образцы | LLGA 16L 3×3×1,0 | MEMS датчик движения со сверхмалым потреблением. 6-разрядный, 3-осный акселерометр с цифровым смартвыходом | | | | | | | | | |
LIS331DLH | Пр-во | LLGA 16L 3×3×1,0 | Прецизионный MEMS-датчик движения со сверхмалым потреблением, 3 оси, с цифровым смартвыходом | | | | | | | | | |
LIS331DLM | Развитие, образцы | LLGA 16L 3×3×1,0 | MEMS датчик движения со сверхмалым потреблением. 8-разрядный, 3-осный акселерометр с цифровым смартвыходом | | | | | | | | | |
LIS344AL | Пр-во | LLGA 4×4×1,5 16L | Инерциальный MEMS-датчик, очень компактный 3-осный линейный акселерометр | 2,7 | 3 | 3,3 | | 2000 | 0,3 | | 3,5 | |
LIS344ALH | Пр-во | LLGA 16L 4×4×1,5 | Прецизионный инерциальный MEMS-датчик, очень компактный 3-осный линейный акселерометр ускорения ±2/±6 g | 2,4 | 3,3 | 3,6 | | 1800 | 0,66 | 6 | 2 | |
LIS3LV02DL | Пр-во | LGA 16L 4,4×7,5×1 | Линейный 3-осный акселерометр ускорения ±2/±6 g с цифровым SPI/I 2 C интерфейсом | 2,16 | 2,5 | 3,6 | | | | 6 | 2 | |
LIS3LV02DQ | Пр-во | QFPN28 7×7×1,9 | Линейный 3-осный акселерометр ускорения ±2/±6 g с цифровым SPI/I 2 C интерфейсом | 2,16 | 2,5 | 3,6 | | | | 6 | 2 | |
STMicroelectronics производит двух- и трехосевые линейные акселерометры двух видов с аналоговым (рис. 1) и цифровым выходом (рис. 2).
Особенности датчиков с аналоговым выходом:
В апреле 2008 года номенклатура датчиков STMicroelectronics пополнилась двумя новыми акселерометрами с программируемым диапазоном измерений ±2/ ±6 g в корпусах типа LGA размером 4×4×1,5 мм, для приложений, где требуются малые размеры и высокое качество.
Двухосевой LIS244ALH и трехосевой LIS344ALH акселерометры функционируют в режиме малого потребления, предлагают высокую точность и разрешение, что особенно важно при батарейном питании. Аналоговые выходы обеспечивают прямые измерения внешних воздействий, что позволяет разработчикам оптимизировать внешнюю фильтрацию и аналогово-цифровое преобразование. Выход микросхем имеет заводскую калибровку по чувствительности, но в то же время допускается окончательная калибровка в составе изготавливаемого прибора. Устройства имеют встроенную функцию самотестирования, которая проверяет функционирование самих датчиков, а также встроенный интерфейс, гарантирующий заявляемые параметры.
Оба устройства обеспечивают решения для обнаружения движения в приложениях, требующих минимальных размеров. Это могут быть сотовые телефоны, переносные аудиои видеопроигрыватели, цифровые фото- или видеокамеры, персональные навигационные устройства. В подобных приборах возможно использование режимов, включающих определение свободного падения, интеллектуальный интерфейс пользователя и управление питанием, основанное на анализе движения, которое могло бы перевести прибор в спящий режим, в зависимости от его ориентации на поверхности. Дополнительные приложения могут включать в себя интерактивные игровые терминалы, противоугонные системы, спортивное оборудование и устройства из области медицинского оборудования. Широкий спектр диапазона рабочей температуры от −40 до +85 °С совместно с устойчивостью против удара при ускорении до 10 000 g гарантирует надежное функционирование датчиков при различных условиях использования.
В конце 2007 года компания STMicroelectronics, являющаяся одним из лидеров в производстве MEMS-устройств, анонсировала новое поколение «нано» трехосных линейных акселерометров LIS331xx. Эти универсальные, экономичные во всех отношениях, в том числе и по энергопотреблению, MEMSдатчики предлагают высокую гибкость и интеллектуальные встроенные свойства. Они полностью удовлетворяют растущие запросы на компактные устройства с детектированием перемещений для применения на потребительском и промышленном рынке.
Новые трехосевые датчики движения от ST полностью собственная разработка STMicroelectronics. Они размещаются в пластиковом миниатюрном корпусе размером 3×3×0,9 мм, что позволяет решить задачи по уменьшению веса и габаритов в портативной электронике. Акселерометры LIS331хх имеют оптимальные характеристики при малом потреблении. Их сверхкомпактная и надежная конструкция устойчива к вибрациям и ударам до 10 000 g.
Датчики ускорений семейства «нано» компании STMicroelectronics подходят для широкого спектра приложений с малыми величинами ускорения в потребительской и промышленной электронике, включая пользовательский интерфейс на базе движений, игровые устройства, детекторы падения для защиты накопителей на жестких магнитных дисках, устройства мониторинга вибраций и их компенсации в бытовой электронике.
Акселерометр LIS331AL выполнен по схеме датчика с аналоговым выходом (рис. 1). Микросхема обеспечивает измерение индивидуальных значений ускорения для всех 3 осей. Датчик предлагает полномасштабный выходной диапазон ускорения от ±2,0 g при высокой температурной стабильности. Он имеет встроенную возможность самотестирования, которая позволяет пользователю проверить функционирование устройства после монтажа на печатную плату. Отметим, что направление координатных осей у акселерометров ST может различаться. Примеры значений выходных напряжений акселерометра LIS331AL, в зависимости от его ориентации в пространстве, показаны на рис. 3.
Акселерометр LIS331DL, функциональная схема которого изображена на рис. 2, имеет стандартный цифровой интерфейс SPI/I 2 C и интеллектуальные встроенные функции, включая распознавание двойного и одиночного «клика», функции автозапуска и детектирования движения. Есть также ВЧ-фильтры и две выделенных программируемых линии прерываний.
Акселерометр LIS331DL имеет выбираемую пользователем полную шкалу величины ускорения ±2 и ±8 g и способен измерять ускорение со скоростью передачи выходных данных 100 или 400 Гц.
Особенность устройства наличие двух независимых, программируемых сверху-вниз источников прерывания, каждый их которых может быть сконфигурирован для генерации инерциального сигнала прерывания автозапуска при превышении программируемого порога ускорения по одной из трех осей в случае обнаружения свободного падения, щелчка («клика») или двойного «клика». Для этих целей предназначены два независимых выходных штырька, которые обеспечивают сигналы прерывания на связанные с акселерометром устройства.
Распознавание «клика» и двойного «клика» позволяет производителям связать простые движения с командами пользователя, например, включение/выключение устройства, открытие документа, перемещение по пунктам меню в приложениях, отключение звука звонящего мобильного телефона, при этом можно не доставать его из кармана.
Конфигурируемые ВЧ-фильтры могут быть включены для реализации функций, активируемых движением, и мониторинга вибрации независимо от положения устройства в момент измерения.
Два раздельных программируемых источника прерывания дают возможность немедленно реагировать на движение, а значит, производители получают больше свободы и гибкости в своих разработках и приложениях.
В ноябре 2008 г. компания STMicroelectronics расширила семейство акселерометров «нано», приступив к производству новых трех устройств LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF. Это прецизионные трехосевые линейные акселерометры с цифровым выходом. Новые крошечные чипы размером 3×3×1 мм отличаются способностью масштабирования, встроенными интеллектуальными возможностями и малым потреблением тока. Новые MEMS-акселерометры ST нацелены на широкий ряд приложений с малым ускорением, включая пользовательский интерфейс перемещения или шагомер в сотовых телефонах, игровые устройства, пульты дистанционного управления или портативные мультимедиа-проигрыватели, а также обнаружение свободного падения для защиты целостности данных приводов жестких дисков и мониторинга вибрации. Все три устройства LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF интегрируют на кристалле ряд встроенных интеллектуальных особенностей, включая режим пониженного потребления, функцию автозапуска, движение свободного падения и обнаружение 6D-ориентации, а также имеют стандартный цифровой интерфейс SPI/I 2 C. Комплект новых датчиков обеспечивает полную масштабируемость разрешающей способности. Разработчики могут выбрать 6-, 8- или 12-разрядное устройство. Микросхемы совместимы по выводам, параметрам перемещения, а также программно, что позволяет использовать их многократно для различных проектов без необходимости замены платы и программных драйверов. Акселерометры могут быть запрограммированы для работы в спящем режиме с автозапуском, при котором устройство поддерживает цепь считывания активности, потребляя менее чем 10 мкА, и автоматически пробуждается при наступлении события. В устройствах имеется конфигурируемый фильтр верхних частот, который может быть использован для допуска функций активации движения и мониторинга вибрации, независимо от того, в каком положении находится прибор в момент измерения. Два отдельных программируемых сверху-вниз сигнала прерывания допускают немедленное уведомление о свободном падении, перемещении или событии 6D, что обеспечивает разработчикам достаточно свободы и гибкости при конструировании прикладных приложений. Новые акселерометры ST имеют большую производительность при малом потреблении мощности, а их миниатюрная устойчивая конструкция обеспечивает очень высокий иммунитет относительно вибрации и ударов при ускорении до 10 000 g. Наличие встроенной функции самоконтроля позволяет потребителю проверять функционирование датчика после размещения его на плате. Образцы акселерометров LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF уже доступны, а их полномасштабное производство планируется на начало 2009 года.
К общим основным особенностям данных акселерометров относятся:
Выявленные основные отличия между этими тремя микросхемами [810] сведены в таблицу 2.
LIS331DLF | LIS331DLM | LIS331DLН | |
---|---|---|---|
Дискретность (бит) | 6 | 8 | 16 |
Чувствительность | 16/8/4 LSB/g | от 64/32/16 LSB/g | от 4,3 до 0,9 мg/разряд при 12-бит |
Разрешение по ускорению (мg) | 62,5 | 16 | |
Скорость передачи выходных данных | 50/100/400 Гц и от 10 до 0,5 Гц в режиме пониженного потребления | 50/100/400 Гц и от 10 до 0,5 Гц в режиме пониженного потребления | 501000 Гц и 100,5 Гц в режиме пониженного потребления |
Интенсивность шумов ускорения (мg/√Гц) | 218 |
Примечание: 1 LSb = 4 g/64 при дискретности 6 бит, полная шкала ускорения ±2 g;
1 LSb = 4 g/256 при дискретности 8 бит, полная шкала ускорения ±2 g;
1 LSb = 4 g/4096 при дискретности 12 бит, полная шкала ускорения ±2 g.
Микросхемы управляются непосредственно микроконтроллером. Из навесных компонентов рекомендуется задействовать только одну емкость на 10 мкФ и одну емкость 100 нФ.
Традиционно акселерометры STMicroelectronics предназначались для использования в жестких дисках компьютеров и других потребительских и индустриальных приложениях. Поэтому до последнего времени все акселерометры ST специфицировались для индустриального диапазона рабочих температур от 40 до +85 °С. В этом году, откликаясь на потребности рынка компонентов для автоэлектроники, компания приступила к производству специализированных акселерометров с расширенным рабочим диапазоном температур от 40 до +105 °С. Кроме того, учитывая специфику этого рынка, первое такое устройство AIS326DQ упаковано в квадратный корпус QFPN-28, а второе устройство AIS326DS в корпус с планарными выводами SO16W.
AIS326DQ и AIS326DS это трехосевые акселерометры с цифровым выходом, которые построены на принципе и схемотехнике цифрового датчика (рис. 2), уже рассмотренного нами.
Микросхема AIS326DQ имеет выбираемую пользователем полную шкалу ускорений ±2 или ±6 g и способна измерять ускорение при системной полосе пропускания свыше 640 Гц для всех осей. Полосу пропускания устройства можно выбирать в зависимости от требований, установленных для приложения. При этом выходная скорость данных может быть 40/160/640 или 2560 Гц. Чувствительность устройства находится в диапазоне от 316 до 1096 величины LSb/g, где 1 LSb = 1 g/1024 при дискретности 12 бит и полной шкале 2 g [11].
Разрешение по ускорению при шкале ±2 g составляет от 1 до 15,5 mg в зависимости от частоты выходных данных. Гарантируемая устройством нелинейность при шкале ±2 g и скорости выходных данных 40 Гц не более ±2% по осям X, Y и не более ±3% по оси Z.
Встроенная возможность самоконтроля позволяет проверять функционирование системы после установки его на плате.
Акселерометр AIS326DQ рекомендуется ST для применения в следующих автомобильных приложениях:
В противоугонных системах трехосевой акселерометр используется в качестве инклинометра, который чувствует наклон автомобиля или мотоцикла относительно земли. Если для захвата транспортного средства применяется другая машина, то акселерометр обнаруживает изменение наклона и активизирует систему обеспечения безопасности. Акселерометр может также использоваться для обнаружения попытки снятия колеса. В сложных противоугонных системах акселерометр может немедленно после вскрытия автомобиля инициировать работу видеокамеры, и преступник будет зафиксирован на пленке.
От сигнала акселерометра в автомобиле может быть идентифицирована любая неблагоприятная случайность. При этом двери могут быть разблокированы, что поможет спасателям проникнуть в автомобиль и сохранить жизнь пассажиров.
В регистраторах аварийного отказа акселерометр обнаруживает наличие столкновения, и все необходимые данные могут быть сохранены в системе для более позднего анализа. Инерционные данные могут быть выбраны и сохранены в системной памяти для последующего анализа аварии с целью определения ее причин.
В автомобильной навигации инерционные датчики по технологии MEMS могут дополнять систему GPS при потере сигнала. Система счисления пути продолжает прослеживать движение в промежутки времени, когда спутниковые сигналы не принимаются или в случае, если они недостаточно точны.
Многие интеллектуальные компоненты компании STMicroelectronics, в том числе и акселерометры, поддерживаются собственными средствами разработки и оценки, которые позволяют разработчикам быстро оценивать возможности компонентов и развивать свои проекты.
Отладочные комплекты для акселерометров допускают получение через аналоговый или цифровой интерфейс данных о параметрах ускорения, ощущаемого акселерометром, и их анализ, который поддерживает специализированное программное обеспечение для цифровых решений. На рис. 4 представлен внешний вид отладочной платы EK3L из комплекта STEVAL-MKI004V1 для акселерометра LIS3LV02DQ c цифровым выходом.
Для датчиков с аналоговым выходом считываемые акселерометром данные преобразуются емкостным усилителем с низким уровнем шумов в аналоговое напряжение, а для цифровых датчиков измеренные устройством сигналы считываются установленным на плате 8-разрядным микроконтроллером (ST72F651 на рис. 2) и пересылаются на компьютер через USB-интерфейс для дальнейшей обработки.
В заключение отметим, что наряду с новыми акселерометрами в 2008 г. компания STMicroelectronics начала производство и других новых продуктов по технологии MEMS, а именно гироскопов и функциональных микросхем. Пока в производстве по одному прибору каждого типа. Это микросхема LY530AL MEMS инерциальный одноосный датчик угловой скорости (гироскоп) с аналоговым и цифровым выходами и MEMS функциональный датчик FC30 с 3D-смарториентацией (6 позиций) и обнаружением внешнего щелчка по устройству.
Возвращаясь к областям возможного применения датчиков движения, можно с уверенностью утверждать, что, как и акселерометры, новые разновидности датчиков компании STMicroelectronics будут востребованы на рынке.
- Что попросить у мужа на годовщину свадьбы
- подтверждение входа по одноразовому коду тинькофф отключить