№3 / 2017 Статья 4 LIS2DW12: новый акселерометр с ультранизким энергопотреблением

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Компания STMicroelectronics продолжает удерживать лидирующие позиции на рынке МЭМС-компонентов. Недавно разработчикам был представлен еще один новый продукт – трехосевой цифровой МЭМС-акселерометр LIS2DW12. По уровню потребления и основным метрологическим характеристикам он превосходит своих предшественников, в том числе 14-битный LIS2DS12.

Микроэлектромеханические системы, или МЭМС – активно развивающаяся отрасль электроники. Наиболее распространенными МЭМС-компонентами являются датчики – акселерометры, гироскопы, магнитометры и прочие. Они применяются в самых разнообразных сферах и областях: от портативной потребительской электроники – до медицинских приборов и роботов (рисунок 1).

Рис. 1. Области применения МЭМС-датчиков

Рис. 1. Области применения МЭМС-датчиков

STMicroelectronics – один из крупнейших производителей на рынке МЭМС. На настоящий момент суммарный объем датчиков, выпущенных STMicroelectronics, превысил 11 миллиардов штук. Это объясняется высокой популярностью и широким выбором компонентов. Номенклатура компании достаточно разнообразна и включает в себя несколько основных групп (рисунок 2), таких как:

  • инерционные датчики для промышленных и коммерческих приложений: акселерометры, гироскопы, магнитометры, инерционные многоосевые модули (комбинация нескольких типов сенсоров);
  • датчики параметров окружающей среды: давления, влажности, температуры;
  • МЭМС-микрофоны с аналоговыми и цифровыми выходами;
  • датчики приближения;
  • датчики для автомобильных приложений повышенной надежности: акселерометры, инерционные многоосевые модули.
Рис. 2. Номенклатура МЭМС -датчиков STMicroelectronics

Рис. 2. Номенклатура МЭМС -датчиков STMicroelectronics

Отличительными чертами сенсоров производства компании STMicroelectronics являются высокая надежность, малая стоимость, максимальная доступность, простота использования и малое потребление. Последняя черта крайне важна практически для всех современных приложений. Особенно это касается портативных мобильных устройств. По этой причине один из векторов развития продукции компании направлен на снижение потребления. Доказательством этого являются новые акселерометры LIS2DW12, чей уровень потребления в два раза меньше, чему у предшественников.

Обзор акселерометров от STMicroelectronics

STMicroelectronics является одним из лидеров на рынке МЭМС. При этом именно акселерометры стали для компании своего рода «золотой жилой». В настоящий момент STMicroelectronics выпускает три основных семейства акселерометров (таблица 1):

  • AISx – автомобильные акселерометры повышенной надежности, в том числе – для систем подушек безопасности;
  • H3LISx – акселерометры для работы со значительными ускорениями вплоть до 400g (H3LIS331DL);
  • LISx – цифровые и аналоговые акселерометры для промышленных и коммерческих приложений.

Таблица 1. Акселерометры производства компании STMicroelectronics

Наименование Описание Uпит, В Iпотр, мА Тип Оси Корпус
AIS1120SX Автомобильный цифровой одноосевой акселерометр для подушек безопасности 3,1…3,5 4,5 Цифровой X SO-8
AIS1200PS Автомобильный цифровой акселерометр с интерфейсом PSI5 5…16 4 X, Y SO16
AIS328DQ Автомобильный высокопроизводительный цифровой трехосевой акселерометр 2,4…3,6 0,25 X, Y, Z QFN 24 4x4x1,8
AIS3624DQ
AIS2120SX Автомобильный цифровой двухосевой акселерометр для подушек безопасности 3,1…3,5 6 X, Y SO-8
LIS2HH12 Цифровой малопотребляющий трехосевой акселерометр 1,71…3,6 0,018 X, Y, Z VFLGA 2X2X1 12LD
с шагом 0,5 мм
IIS328DQ Промышленный цифровой малопотребляющий трехосевой акселерометр 2,4…3,6 QFN 24 4x4x1,8
LIS344ALH Трехосевой акселерометр с аналоговым выходом 0,68 Аналоговый LLGA 16 4x4x1,5
LIS2DE12 Цифровой малопотребляющий трехосевой акселерометр 1,71…3,6 0,011 Цифровой VFLGA 2X2X1 12LD
с шагом 0,5 мм
LIS3LV02DL Цифровой трехосевой акселерометр 2,16…3,6 0,65 LGA 16 4,4×7,5×1,0
LIS3DSH Цифровой малопотребляющий трехосевой акселерометр 1,71…3,6 0,25 LLGA 16 3x3x1,0
MIS2DH Цифровой малопотребляющий и высокопроизводительный трехосевой акселерометр 0,002 VFLGA 2X2X1 12LD
с шагом 0,5 мм
LIS302DL Цифровой малопотребляющий 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
с шагом 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
с шагом 0,5 мм
LIS3DE LLGA 16 3x3x1,0
H3LIS100DL Промышленный цифровой трехосевой акселерометр для значительных ускорений 2,16…3,6
H3LIS331DL 0,3
H3LIS200DL

Именно последняя группа цифровых акселерометров для промышленных и коммерческих приложений является самой многочисленной и насчитывает более полутора десятков представителей. Их общими отличительными чертами являются малые габариты, малое потребление и высокая точность измерений.

До появления LIS2DW12 наиболее совершенными представителями в семействе акселерометров общего назначения были микросхемы LIS2DS12, LIS2DH12 и LIS2DE12:

  • LIS2DE12 – малопотребляющие трехосевые 8-битные акселерометры с диапазоном измерений ±2/±4/±8/±16g и встроенным буфером FIFO;
  • LIS2DH12 – малопотребляющие трехосевые 12-битные акселерометры с диапазоном измерений ±2/±4/±8/±16g и встроенным буфером FIFO.
  • LIS2DS12 – малопотребляющие трехосевые 14-битные акселерометры с диапазоном измерений ±2/±4/±8/±16g и встроенным буфером FIFO.

Интересно, что каждая следующая модель превосходила предыдущую по точности измерений, и при этом демонстрировала снижение габаритных размеров и уровня потребления. Эти же тенденции сохранились и при появлении новых акселерометров LIS2DW12.

Новые акселерометры LIS2DW12

Компания STMicroelectronics выбрала три стратегических направления развития для своих акселерометров: снижение потребления, уменьшение габаритов, повышение точности. Новые акселерометры LIS2DW12 доказывают верность этим принципам (таблица 2).

Таблица 2. Наиболее совершенные акселерометры общего назначения производства компании STMicroelectronics

Параметр Наименование
LIS2DW12 LIS2DS12 LIS2DH12 LIS2DE12
Корпус, мм 2x2x0,7 LGA-12 2x2x0,86 LGA-12 2x2x1 LGA-12 LGA-12, 2x2x1
Диапазон ускорений,g ±2/±4/±8/±16
Разрешение 5 режимов: Low power (12 бит), 4x High res (14 бит) 3 режима: Low power (10 бит), Normal (12 бит), High res (14 бит) 3 режима: Low power (8 бит), Normal (10 бит), High res (12 бит) 1 режим: Low power (8 бит)
Чувствительность, g·10-3 0,244 1 15,6
Плотность шума (±2g, 100 Гц), мкg/√Гц 90 120 220
Потребление в режиме ожидания, мкА 0,05 0,7 0,5
Потребление в режиме пониженного потребления (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
Потребление в нормальном режиме (Normal Mode), мкА 120 при 50 Гц 150 при 12,5…6400 Гц 11 при 50 Гц
Типовое смещение (0g), g·10-3 ±20 ±30 ±40 ±100
Температурная зависимость смещения (0g), g·10-3/°C ±0,2 ±0,3 ±0,5
Частота измерений Однократный, 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)
Полоса частот сигнала До ODR/2 ODR/2 (LPM и NM), ODR/9 (HR) ODR/2 (Low power)
Размер буфера FIFO 32 256 (14 бит), 768 (версия XL) 32 (10 бит)
Внутреннее тестирование/датчик температуры Есть/есть (1 LSB/°C) Есть/есть
Напряжение питания, В 1,62…3,6 1,62…1,98 1,71…3,6
Рис. 3. LIS2DW12 отличается рекордно низкими габаритами

Рис. 3. LIS2DW12 отличается рекордно малыми габаритами

Снижение габаритных размеров. Начиная с LIS2DE12, рассматриваемые акселерометры выпускались в стандартном корпусном исполнении LGA-12. Этот корпус занимает на плате площадь всего 2×2 мм, при этом его толщина уменьшается с появлением каждой новой модели. Если для LIS2DE12 и LIS2DH12 она составляла 1 мм, то у LIS2DS12 была уменьшена до 0,86 мм. У новых LIS2DW12 она достигла нового рекордного значения – 0,7 мм (рисунок 3).

Уменьшение габаритов – весьма наглядное доказательство развития акселерометров, но еще большее значение имеют метрологические характеристики и параметры потребления.

Улучшение метрологических характеристик. При анализе данной группы характеристик следует обратить внимание на следующие параметры: разрядность, уровень шумов, погрешность смещения и ее температурная зависимость.

У самого простого из рассматриваемых акселерометров, – LIS2DE12, – разрядность составляет 8 бит. При этом уровень шумов достаточно высок по современным меркам: 220 мкg/√Гц. Уровень начального смещения достигает ±100 мg с температурной зависимостью 0,5 мg/°C. Последующие модели акселерометров демонстрировали гораздо более высокие результаты.

LIS2DH12 превосходят LIS2DE12 по разрядности (12 бит) и по уровню смещения (±40 мg). Еще лучше характеристики у LIS2DS12: разрядность 14 бит, уровень шумов снижен до 120 мкg/√Гц, а смещение – до ±30 мg. LIS2DS12 также отличается вдвое меньшей температурной зависимостью смещения до 0,3 мg/°C.

По предварительным данным новые акселерометры LIS2DW12 не уступают, а в большинстве случаев превосходят предшественников по всем метрологическим характеристикам. Они имеют:

  • разрешение до 14 бит, как и у LIS2DS12, что дает чувствительность 0,000244g при диапазоне измерений ±2g;
  • рекордно низкий уровень шумов – 90 мкg/√Гц, что на 25% меньше, чем у LIS2DS12;
  • рекордно низкое значение смещения – ±20 мg, что на 50% меньше, чем у LIS2DS12 и в два раза меньше, чем у LIS2DS12;
  • температурную зависимость 0,2 мg/°C, то есть на 50% меньше, чем у LIS2DS12.

Снижение уровня потребления. В общем случае на уровень потребления оказывают влияние следующие факторы:

  • разрядность используемого АЦП;
  • частота измерений;
  • наличие или отсутствие буфера для хранения измерений;
  • наличие режимов пониженного потребления.

Высокая разрядность АЦП повышает точность измерений, но негативно сказывается на уровне потребления. В ряде случаев от избыточной разрядности стоит отказаться. Например, если перед акселерометром ставится задача детектирования ударов или шагов, то наличие 14-битных отсчетов вовсе не обязательно.

Чтобы сэкономить на потреблении, все рассматриваемые акселерометры производства компании STMicroelectronics (за исключением LIS2DE12) имеют возможность изменения разрядности измерений. LIS2DS12 может формировать 10/12/14-битные выборки. Аналогичные возможности присутствуют и у новых LIS2DW12: 12-битные измерения (режим Low Power), 14-битные измерения (режим High Resolution).

Важным фактором, влияющим на потребление, оказывается частота измерений. Чем больше измерений производится в единицу времени, тем выше потребление. LIS2DW12 отличается достаточно узким диапазоном частот – 0,016…1,6 кГц. Это меньше, чем у остальных акселерометров. Однако уровень потребления для одинаковых частот оказывается для LIS2DW12 гораздо ниже:

  • в режиме High Resolution (14 бит) при частоте опроса 50 Гц LIS2DS12 потребляет 150 мкА, в то время как новый LIS2DW12 – только 120 мкА;
  • в режиме Low Power и частоте 50 Гц LIS2DW12 потребляет только 3 мкА, а LIS2DS12 и LIS2DH12 характеризуются значениями 8 мкА и 6 мкА соответственно.
  • в режиме ожидания потребление LIS2DW12 оказывается в 10 раз меньше, чем у предшественников.

При учете потребления необходимо анализировать не только значения питающих токов акселерометра, но также и потребление управляющего микроконтроллера. При этом большую роль играет наличие буфера для хранения данных (рисунок 4). Если буфер отсутствует, и микроконтроллеру приходится постоянно вычитывать новые результаты измерений, то потребление окажется значительным (рисунок 4а). При наличии буфера данные могут вычитываться и обрабатываться с меньшей частотой, а величина потребления резко сокращается (рисунок 4б). Новые акселерометры LIS2DW12 имеют на борту FIFO-буфер размером в 32 ячейки для хранения данных.

Рис. 4. Наличие встроенного буфера приводит к значительному снижению потребления: а) без буфера, б) с буфером

Рис. 4. Наличие встроенного буфера приводит к значительному снижению потребления: а) без буфера, б) с буфером

Таким образом, новые акселерометры LIS2DW12 превосходят предшественников по большинству ключевых параметров. Также не стоит забывать об одном общем достоинстве для всех МЭМС-датчиков –наличии развитой системы разработки и отладки.

Средства разработки и отладки для МЭМС-датчиков ST

Для быстрого изучения особенностей МЭМС от ST разработчикам предлагается два подхода:

  • использование независимых отладочных плат и DIL-24-модулей;
  • использование платформы STM32 Open Development Environment (ODE).

STM32 Open Development Environment (ODE) – открытая программно-аппаратная платформа, которая значительно упрощает освоение и использование не только МЭМС-датчиков, но и микроконтроллеров STM32, а также других продуктов компании (рисунок 5).

Рис. 5. Открытая программно-аппаратная среда STM32 Open Development Environment (ODE)

Рис. 5. Открытая программно-аппаратная среда STM32 Open Development Environment (ODE)

Ярким примером использования STM32 ODE является программный пакет BLUEMICROSYSTEM1, который предназначен для совместной работы с конкретными аппаратными средствами STM32 ODE (рисунок 6):

Рис. 6. Состав аппаратных средств для работы с BLUEMICROSYSTEM1

Рис. 6. Состав аппаратных средств для работы с BLUEMICROSYSTEM1

Платы STM32 Nucleo являются универсальными. Они совместимы с платформой Arduino и платами расширения производства STMicroelectronics (рисунок 7). Для работы с МЭМС-датчиками подходят платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1 (рисунок 8) и X-NUCLEO-IKS01A2.

Рис. 7. Платы STM32 Nucleo – идеальный инструмент изучения продуктов STMicroelectronics

Рис. 7. Платы STM32 Nucleo – идеальный инструмент изучения продуктов STMicroelectronics

Рис. 8. Внешний вид и особенности платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1

Рис. 8. Внешний вид и особенности платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1

BLUEMICROSYSTEM1 реализует программное обеспечение на трех уровнях: уровне драйверов, промежуточном и прикладном уровнях.

Заключение

МЭМС-акселерометр LIS2DW12 является наиболее продвинутым продуктом в линейке акселерометров производства компании STMicroelectronics. LIS2DW12 превосходит предшественников практически по всем ключевым характеристикам:

  • максимальное разрешение до 14-бит, рекордно низкие уровни шума 90 мкg/√Гц и смещения ±20 мg, минимальная температурная зависимость смещения 0,2 мg/°C;
  • минимальное потребление: 0,05 мкА в режиме ожидания, от 0,38 мкА в режиме пониженного потребления, 120 мкА при максимальной частоте выборок 1,6 кГц;
  • рекордно низкие габаритные размеры: 2x2x0,7 мм, LGA-12.

Литература

  1. Гавриков В. BLE-устройство с МЭМС-датчиками? – легко, с программным пакетом BLUEMICROSYSTEM1. – НЭ №7, 2016.
  2. www.st.com.