6-осевые инерциальные датчики QMI8658A для систем управления, стабилизации, навигации и отслеживания движения

2 июля

Михаил Варакин (г. Ишим)

Модули QMI8658A производства китайской компании QST отличаются малым энергопотреблением, компактностью и благодаря встроенному функционалу отлично подходят для применений, в которых требуется отслеживание движения. Они схожи по параметрам и являются хорошей заменой продукции европейских брендов.

Инерциальный датчик представляет собой устройство, позволяющее определить перемещения объекта в пространстве путем измерения изменений его ускорения и/или угловой скорости. За время развития науки и техники были разработаны и реализованы различные технологии инерциальных измерений. Сегодня массово применяются устройства следующих базовых типов:

• датчики линейных ускорений (ДЛУ), или акселерометры;
• датчики угловой скорости (ДУС), они же гироскопы;
• инерциальные блоки (модули), в корпусах которых совмещены в разных сочетаниях акселерометры, гироскопы, магнитометры, барометры для измерения высоты и даже термодатчик для компенсации температурной зависимости.

Инерциальные навигационные системы (ИНС) – это отдельная категория навигационных систем, характеризующаяся малым уровнем шумовой составляющей измерений c высоким темпом выдачи данных, которая, однако, обладает существенной накапливающейся ошибкой, то есть растущей со временем погрешностью измерений положения. Инерциальные датчики и блоки являются важной составляющей ИНС для движущихся механизмов и позволяют автономно, без сигналов спутниковой навигации, определять текущие параметры движения.

Для понимания работы блока представим себе декартову систему координат с осями X, Y и Z, как показано на рисунке 1, с датчиками, способными измерять линейное движение в направлении каждой оси, а также вращательное движение вокруг каждой из них. Это фундаментальный принцип для всех инерциальных модулей, и на нем строятся все инерциальные навигационные системы.

Рис. 1. Расположение осей системы координат инерциального модуля

DOF – это количество степеней свободы, измеряемое модулем. Например:

• модуль с тремя акселерометрами и тремя гироскопами измеряет 6 степеней свободы;
• модуль с тремя акселерометрами, тремя гироскопами и тремя магнитометрами измеряет 9 степеней свободы и так далее.

С развитием MEMS—технологий, позволивших изготавливать микромеханические компоненты и электронные схемы на одной кремниевой пластине, появились компактные инерциальные модули и датчики с малым энергопотреблением. Они получили широкое распространение в производстве портативных устройств с аккумуляторным питанием.

Датчики и блоки на основе MEMS нацелены на удовлетворение потребностей таких сегментов рынка, как:

• потребительская электроника (гаджеты, игрушки, бытовая техника), требующая низкой стоимости устройств параллельно с массовым объемом их производства;
• растущий рынок средств персональной мобильности (электросамокатов, электроскейтбордов, гироскутеров, сигвеев, моноколес);
• автомобильная электроника (датчики начала движения в системах охраны и слежения, стабилизации и подруливания, датчики ускорения для подушек безопасности и подобные приборы);
• промышленный (роботы, дроны, системы контроля устойчивости зданий и сооружений);
• рынок специального назначения, относящийся к области High End

Со склада КОМПЭЛ доступны к заказу микросхемы инерциальных датчиков QMI8658A производства китайской компании QST Corporation Ltd. (рисунок 2), представляющих собой полный 6D MEMS инерциальный измерительный блок (IMU). Он включает в себя 3-осевой гироскоп с возможностью выбора диапазона ±16…±2048 град/с, 3-осевой акселерометр с диапазонами измерения ±2…±16 g и температурный датчик. Основные особенности:

• встроенный датчик температуры для компенсации погрешностей;
• возможность настроить скорость передачи данных, фильтрацию шумов, диапазоны измерений, измеряемые параметры и выбрать режимы энергосбережения;
• сопроцессор обработки слежения за движением, позволяющий распознать различные режимы движения;
• функции калибровки и самотестирования.

Рис. 2. Внешний вид датчика QMI8658А

На рисунке 3 показана типовая схема подключения датчика QMI8658 к управляющему микроконтроллеру (HOST) через 4-проводной интерфейс SPI, а основные параметры модуля QMI8658A представлены в таблице 1.

Рис. 3. Схема подключения датчика QMI8658 к управляющему микроконтроллеру

Таблица 1. Основные параметры модуля QMI8658A

Датчик температуры

Модуль QMI8658A оснащен внутренним 16-битным встроенным датчиком температуры, который по умолчанию автоматически включается при работе акселерометра или гироскопа и используется для коррекции температурной зависимости их параметров калибровки. В диапазоне -40…85°C датчик имеет разрешение 0,0625°C (1/16°C) или обратное значение 16 LSB/°C.

Блок выводит внутреннюю температуру чипа, которую может считать HOST-контроллер. Выходной сигнал представлен в виде 16-битного значения с разрешением 1/256°C на LSB. Чтобы прочитать температуру, HOST необходимо получить доступ к регистру TEMP (TEMP_L и TEMP_H регистра вывода данных в таблице 1). Расчет выполняется по формуле 1:

$$T=TEMP\_\:H+\left( \frac{TEMP\_\:L}{256}\right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Обзор карты регистров

Микросхема QMI8658А оснащена различными регистрами, которые позволяют настраивать режимы работы и извлекать результаты. Карта регистров может быть классифицирована по следующим категориям:

• регистр общего назначения;
• регистры настройки и управления различными аспектами модуля;
• управляемые хостом калибровочные регистры, которые управляют и настраивают различные аспекты модуля через командный интерфейс CTRL9;
• сдвиговые регистры FIFO, используемые для настройки FIFO и обнаружения доступности данных и их переполнения;
• регистры состояния;
• регистры отметок времени;
• регистры данных датчиков;
• регистр сброса.

Доступ к ним можно получить по протоколу I²C или SPI. Подробное описание ключевых регистров, включая настройки для рабочих режимов QMI8658А, представлено в таблице 2.

Таблица 2. Ключевые регистры микросхемы QMI8658А

При программировании управляющего HOST-микроконтроллера нужно учитывать, что микросхема QMI8658A имеет несколько режимов работы: обычный и заблокированный, поэтому необходимо выбирать для применения программную библиотеку, которая может работать с обоими. В обычном режиме работы мы можем пинговать каждый выходной регистр датчика в удобное для нас время, но регистры не обязательно будут синхронизированы друг с другом, то есть вы можете получить ускорение по оси X из последнего показания, а ускорение по оси Y – из текущего, в зависимости от того, когда считывается каждый регистр. Или, что еще хуже, вы можете считать младший байт одного показания и старший байт следующего. Чтобы решить эту проблему, QMI8658A имеет механизм блокировки, при котором считываются показания датчиков, а данные синхронизируются и блокируются в регистрах до тех пор, пока хост не завершит их считывание. Блокировка осуществляется использованием библиотек в ходе написания программы.

В отрытом доступе можно найти несколько библиотек для работы с микросхемой QMI8658A (QMI8658C) для:

• ESP-IDF;
• Arduino;
• Python;
• платформы xTM32duino.

К примеру, для платформы xTM32duino с контроллером xTM32F103C8 следует выбрать библиотеку QMI8658.h. Чтобы получить доступ к режиму блокировки в этой библиотеке, нужно использовать команду qmi.setState(sensor_locking) после begin(): использование функции считывания продолжится в обычном режиме, но теперь быстрые последовательные считывания в течение 2 мс будут гарантированно выполняться из одной и той же выборки.>

Этот режим работы рекомендован для таких чувствительных приложений, как AR/VR (виртуальная и дополненная реальность) или SLAM-навигация, где требуется высокая точность.

В таблице 3 представлены основные характеристики двух инерциальных датчиков-блоков:

• QMI8658А, выпускаемого компанией QST и находящегося на складе КОМПЭЛ;
• LSх6DS3 производства известного европейского бренда.

Таблица 3. Сравнение основных характеристик инерциальных датчиков азиатского и европейского производства

Наименование		QMI8658А	LSх6DS3
Состав		6D MEMS: 3-осевой акселерометр, 3-осевой гироскоп, температурный датчик	6D MEMS: 3-осевой акселерометр, 3-осевой гироскоп, температурный датчик
Количество осей		6	6
Возможность подключения магнитометра		Да	Да
Корпус		14-pin LGA	14-pin LGA
Диапазон измеряемых ускорений, g		От ±2/±4/±8/±16	От ±2/±4/±8/±16
Диапазон измеряемых угловых скоростей, dps		±16/±32/±64/±128/±256/±512/±1024/±2048	±125/±250/±500/±1000/±2000
Плотность шума	Акселерометры, mg/√Hz	150	90
	Гироскопы, mdps/√ Гц	15	6
Чувствительность акселерометра, LSB/g		16,4	16,4
Чувствительность гироскопа, LSB/dps		2048	228
Температурный коэффициент чувствительности, %/°C	акселерометра	±0,04	±0,04
	гироскопа	±0,05	±0,06
Диапазон рабочих температур, °C		-40…85	-40…85
Интерфейс		MIPI, I2C, I3C, SPI, QSPI	SPI, I2C
Напряжение питания, В		1,71…3,6	1,71…3,6
Потребляемый ток (акселерометр + гироскоп), мкА		1031	1250
Габариты, ДхШхВ, мм		2,5×3,0×0,86	2,5×3,0×0,83
Схема контактов (распиновка)

Если сравнить вышеперечисленные характеристики, можно сделать вывод, что параметры блоков QMI8658А, выпускаемых компанией QST, уступают только по чувствительности гироскопа, по остальным параметрам находятся на уровне, а по некоторым — даже превосходят модули западного бренда. Отсюда следует, что производство данных модулей нацелено на удовлетворение потребностей массового сегмента рынка и даже занимает промежуточное значение между им и рынком специального назначения.

Микросхемы QMI8658А от QST Co. Ltd. могут найти применение в таких устройствах и гаджетах, как:

• смартфоны;
• игровые контроллеры, пульты дистанционного управления и указывающие устройства;
• роботы;
• беспилотные устройства;
• электронные велосипеды и скутеры;
• гарнитуры Bluetooth;
• автомобильные системы безопасности;
• игрушки;
• системы виртуальной и дополненной реальности;
• портативная электроника с функцией управления отображением в портретном и альбомном режимах.

Благодаря встроенному функционалу, малому энергопотреблению и компактному корпусу (рисунок 4) инерциальные модули QMI8658А являются идеальным решением для применений, в которых требуется отслеживание движения, и хорошей заменой инерциальным модулям европейского производства.

Рис. 4. Миниатюрный корпус QMI8658А