Электронные капитаны: iNEMO – новое семейство МЭМС-систем на кристалле

12 ноября 2015

LIS3MDL

STMicroelectronicsстатьяМЭМС

Акселерометр, гироскоп и магнетометр на одной подложке с возможностью независимого измерения по трем осям для каждого датчика и независимого управления каждым из них – это стало реальностью в новой линейке МЭМС-систем-на-кристалле iNEMO производства STMicroelectronics.

Возможности, которые предоставляют МЭМС-устройства – преобразования различных неэлектрических величин в электрический сигнал или цифровую форму – постоянно открывают новые сферы применения. Более того, появляется возможность по-новому реализовывать многие задачи, связанные с определением положения или наклона объектов, определения скорости или иных параметров их движения.

Одними из самых популярных и распространенных в потребительской, автомобильной и промышленной электронике МЭМС-датчиков являются акселерометры, гироскопы и магнитометры.

Основные сферы применения акселерометров:

  • спортивные снаряды, тренажеры и аксессуары;
  • профессиональные инструменты и промышленные приборы;
  • автомобильные приложения;
  • бытовая электроника.

МЭМС-гироскопы применяются:

  • для отслеживания перемещений в различных областях техники;
  • в системах стабилизации изображения;
  • в навигаторах;
  • в игровых устройствах;
  • в робототехнике.

Магнетометры находят применение в:

  • геомагнитных датчиках;
  • компасах;
  • системах навигации;
  • измерительных приборах.

Все указанные типы приборов в том или ином сочетании давно стали частью планшетных компьютеров.

Плюсы и минусы использования всех датчиков в отдельности и на одном чипе

Современные технологии производства позволяют объединять несколько датчиков в составе одной микросхемы. В зависимости от применяемой технологии и производителя это может быть система-на-кристалле, система-на-модуле (микросборка). Для перечисленных типов датчиков чаще всего встречаются следующие комбинации:

  • одиночные датчики;
  • связка «акселерометр + гироскоп»;
  • решения, объединяющие в себе все три типа датчиков.

Одиночные датчики применяются в случаях, если требуется измерение только одной из величин. Совмещенные датчики позволяют получать измерительную информацию из одной точки, что упрощает ее дальнейшую интерпретацию и обработку. Применение интегрированных в одном корпусе датчиков снимает также задачу совмещения осей этих изделий.

Рис. 1. Семейство МЭМС-датчиков iNEMO производства компании STMicroelectronics

Рис. 1. Семейство МЭМС-датчиков iNEMO производства компании STMicroelectronics

В дополнении к выпускаемой номенклатуре МЭМС-датчиков ускорения, гироскопов и магнитометров компания STMicroelectronics предлагает новое семейство МЭМС-датчиков iNEMO, представляющих собой так называемую систему-на-подложке (System-in-packages, SiP). iNEMO (рисунок 1) объединяет в одном корпусе акселерометр, гироскоп и магнетометр с чувствительностью по шести или девяти осям. Совмещение датчиков в одном корпусе существенно повышает точность показаний за счет совмещения осей всех трех датчиков. Это особенно важно для таких приложений как распознавание жестов, игры, системы виртуальной реальности, навигация внутри помещений, системы локализации сервисов.

Таблица 1. Семейство МЭМС-датчиков iNEMO

Наименование Тип корпуса Диапазон измерения ускорения, g Частота обновления угла, /c Диапазон измерения магнитного поля, Гс Диапазон напряжений питания, В Ток потребления в активном/спящем режиме, мА
ASM330LXH VFLGA 3X3X1.1 16L PITCH 0.5 ±2, ±4, ±8,±16 125 2…3,6 4,3/0,006
INEMO-M1 TRAY ± 2; ± 4; ±8; ± 16 2000 8,1 2,4…6 40/0,8
LSM330 TFLGA 3.5X3X1 24L ±2; ±4; ±6; ±8; ±16 2000 2,4…3,6 6,1/0,005
LSM330D LGA 3X5.5X1 28L PITCH 0.45 ±2; ±4; ±8; ±16 2000 2,4…3,6 6,3/0,005
LSM330DLC TFLGA 4X5X1.1 28L ±2, ±4, ±8, ±16 2000 2,4…3,6 6,1/0,002
LSM6DB0 VFLGA 3X3X1 22L 2; 4; 8 2000 1,71…3,6
LSM6DS0 VFLGA 3X3X0.86 2; 4; 8 2000 1,71…3,6
LSM6DS3 VFLGA 2.5X3X0.86 14L 2; 4; 8; 16 2000 1,71…3,6
LSM6DS33 VFLGA 3X3X0.86 2; 4; 8; 16 2000 1,71…3,6
LSM9DS0 LGA 4X4X1 24L ±2; ±4; ±6; ±8; ±16 2000 12 2,4…3,6
LSM9DS1 TFLGA 3.5X3X1 24L ±2; ±4; ±8; ±16 2000 16 1,9…3,6

Состав семейства iNEMO представлен в таблице 1. На данный момент в него входят:

  • Трехосевые гироскопы/акселерометры LSM330, LSM330D, LSM330DLC, LSM6DS0, LSM6DS33;
  • Трехосевой акселерометр/гироскоп ASM330LXH для автомобильных применений (на текущий момент – анонсируемый продукт);
  • Трехосевые гироскопы/акселерометры/магнетометры LSM9DS0, LSM9DS1;
  • система-на-кристалле iNEMO-M1, включающая в себя шестиосевой магнетометр, трехосевой гироскоп и микроконтроллер ARM Cortex-M3;
  • система-на-кристалле LSM6DB0, включающая в себя трехосевой акселерометр, гироскоп и микроконтроллер ARM Cortex-M0.

Акселерометр/гироскоп LSM6DS3

LSM6DS3 представляет собой систему-в-корпусе (system-in-package), объединяющую в себе трехосевые акселерометр и гироскоп, выполнена в пластиковом LGA-корпусе. В режиме максимальной производительности с частотой обновления данных 1,6 кГц LSM6DS3 потребляет всего 1,25 мА. Для оптимизации энергопотребления при сохранении приемлемого времени реакции предусмотрен режим пониженного энергопотребления. Система отвечает требованиям большинства операционных систем мобильных устройств и их приложений.

LSM6DS3 может быть настроен на генерирование сигналов прерываний по событиям:

  • обнаружения свободного падения;
  • изменения ориентации по одной из шести осей;
  • обнаружению одиночной или двойной вибрации (аналогично одиночному/двойному нажатию клавиши мыши);
  • по наличию или отсутствию перемещения;
  • по пробуждению.

Несколько доступных способов подключения устройства позволяют реализовать различную функциональность в приложениях различного класса, например, в концентраторе датчиков или во внешнем SPI-датчике.

Диапазон измерения ускорений может динамически выбираться в пределах ±2/±4/±8/±16g, скорости определения углов поворота – ±125/±245/±500/±1000/±2000°/с.

Встроенный FIFO-буфер объемом 8 кБайт предоставляет возможность сохранять дополнительные данные, например, данные внешних датчиков, число подсчитанных шагов, временные штампы измерений, температуру и прочие.

LSM6DS3 имеет три возможных режима работы:

  • активен только акселерометр, гироскоп отключен;
  • гироскоп активен, акселерометр выключен;
  • и гироскоп, и акселерометр – в активном режиме, датчики работают независимо друг от друга, каждый из них может иметь собственную частоту выдачи результатов.

После включения прибору достаточно 20 мс для осуществления процедуры начальной загрузки и применения заводских калибровок. После этого датчики отключаются.

Акселерометр и гироскоп LSM6DS3 могут независимо друг от друга работать в одном из четырех режимов – в выключенном состоянии, в режиме пониженного энергопотребления, в активном режиме и в режиме высокой производительности. Дополнительно, при необходимости снижения энергопотребления гироскоп может быть переведен в спящий режим.

В каждом из режимов работы (даже при выключенных данных) доступно управление прибором по интерфейсам I2С или SPI (в зависимости от примененной схемы подключения). Режим пониженного энергопотребления предполагает ограничение частот генерирования выходных результатов тремя самыми низкими – 13, 26 и 52 Гц.

Магнетометр LIS3MDL

LIS3MDL является высокопроизводительным трехосевым магнетометром. Полный диапазон измерений магнитного поля может быть сконфигурирован в пределах ±4/±8/±12/±16 Гс. Встроенная функция самотестирования позволяет программно проверить функциональность устройства. LIS3MDL обладает последовательными интерфейсами – I2C (с поддержкой стандартного и высокоскоростного режимов) и SPI. Датчик выпускается в пластиковом LGA-корпусе и рассчитан на диапазон рабочих температур -40…85°C.

Основные возможности:

  • широкий диапазон напряжений питания: 1,9…3,9 В;
  • отдельный вывод питания линий ввода-вывода для согласования уровней сигналов при работе с контроллерами и микропроцессорами с питанием 1,8 В;
  • режимы одиночных измерений и непрерывной работы;
  • 16-битные выходные данные;
  • настраиваемая логика генерации прерывания;
  • режим покоя
  • режим пониженного энергопотребления;
  • заводская калибровка.

Заводская калибровка, автоматически применяемая устройством по включению питания, позволяет использовать LIS3MDL без предварительных приготовлений.

Типовая схема включения LIS3MDL представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Типовая схема включения LIS3MDL

Рис. 2. Типовая схема включения LIS3MDL

Помимо фильтрующих конденсаторов, по линии питания для работы LIS3MDL требуется подключение конденсатора 100 нФ между выводом 4 и общим.

Многоцелевая система LSM9DS1

LSM9DS1 представляет собой систему-в-корпусе (system-in-package), объединяющую в себе трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр. LSM9DS1 выполнена в пластиковом LGA-корпусе, диапазон рабочих температур составляет -40…85°C. Все три датчика системы-в-корпусе могут работать или быть отключенными совершенно независимо друг от друга.

Основные возможности:

  • диапазоны измерений:
    • ускорения: ±2/±4/±8/±16g;
    • магнитного поля: ±4/±8/±12/±16 Гс;
    • углов поворота: ±245/±500/±2000 °/с;
  • последовательные интерфейсы I2C или SPI.
  • измерения по трем осям для всех датчиков;
  • 16-битные выходные данные;
  • программируемые прерывания;
  • диапазон напряжений питания: 1,9…3,6 В;
  • встроенный датчик температуры;
  • функции определения положения и движения.

Типовая схема включения LSM9DS1 представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая схема включения LSM9DS1

Рис. 3. Типовая схема включения LSM9DS1

LSM9DS1 имеет выводы генерации прерываний от датчиков – одна линия выделена для магнетометра, и две линии отводятся под прерывания акселерометра или гироскопа. Для питания линий интерфейсов предусмотрен отдельный вывод (VDD_IO), что позволяет согласовывать уровни сигналов.

Программные библиотеки

Поддержка разработчиков состоит из:

  • драйвера МЭМС-датчиков для Linux-систем;
  • библиотеки расширения для инструментария STM32Cube;
  • платформенно-независимых библиотек обработки данных акселерометров, гироскопов и магнетометров;
  • драйверов и программных библиотек для считывания показаний датчиков iNEMO в реальном времени.

X-CUBE-MEMS1 является расширением пакета STM32Cube и включает в себя драйверы и наборы функций для определения типа подключенных к контроллеру датчиков и сбора показаний датчиков температуры, влажности, давления и движения. Поддерживаются датчики HTS221, LPS25HB, LSM6DS0 и LIS3MDL, представлены примеры приложений с использованием драйверов X-CUBE-MEMS1. В примерах используется демонстрационная плата X-NUCLEO-IKS01A1, подключенная к отладочным платам NUCLEO-F401RE или NUCLEO-F152RE.

Поскольку X-CUBE-MEMS1 основывается на идеологии STM32Cube, ее код легко портируется на любые контроллеры STM32. Расширение дополняется небольшой программой для персонального компьютера по сбору и отображению данных, поступающих с датчиков.

В свою очередь, программный пакет osxMotionFX дополняет X-CUBE-MEMS1 драйверами и функциями сбора и обработки показаний датчиков движения в реальном времени. Аналогично X-CUBE-MEMS1, osxMotionFX также базируется на STM32Cube.

Поддерживаются датчики температуры и влажности (HTS221), давления (LPS25HB) и движения (LIS3MDL and LSM6DS0). В комплекте также представлен пример приложения для считывания показаний датчиков и передачи их на персональный компьютер для связки плат X-NUCLEO-IKS01A1 и NUCLEO-F401RE.

Структура программного обеспечения osxMotionFX представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Структура программного обеспечения osxMotionFX

Рис. 4. Структура программного обеспечения osxMotionFX

Платы NUCLEO и демонстрационные платы с МЭМС-датчиками

Рис. 5. Внешний вид платы X-NUCLEO-IKS01A1

Рис. 5. Внешний вид платы X-NUCLEO-IKS01A1

Демонстрационная плата X-NUCLEO-IKS01A1 (рисунок 5) содержит датчик движения LSM6DS0, магнетометр LIS3MDL, датчик влажности и температуры HTS221 и датчик давления LPS25HB.

Доступ к датчикам на плате X-NUCLEO-IKS01A1 осуществляется по интерфейсу I2C. 24-пиновый разъем на плате позволяет подключать дополнительные адаптеры с МЭМС-датчиками. Данная плата совместима с платами серии STM32 Nucleo, а также содержит коннектор для Arduino UNO.

На плате STEVAL-MKI137V1 (рисунок 6), выполненной в форм-факторе DIL 24, размещен магнитометр LIS3MDL. Данная плата предназначена для оценки возможностей датчика LIS3MDL, а также для использования в макетных образцах конечных изделий.

Также плата может устанавливаться в соответствующий разъем расширения отладочной платы STEVAL-MKI109V2.

Рис. 6. Внешний вид демонстрационной платы STEVAL-MKI137V1

Рис. 6. Внешний вид демонстрационной платы
STEVAL-MKI137V1

Рис. 7. Демонстрационная плата STEVALMKI160V1

Рис. 7. Демонстрационная плата STEVALMKI160V1

Демонстрационная плата STEVAL-MKI160V1 ориентирована на датчики движения серии LSM6DS3. Выполнена в форм-факторе DIL24 (рисунок 7), что позволяет подключать ее к отладочной плате STEVAL-MKI109V2.

 

Заключение

Семейство датчиков iNEMO производства компании STMicroelectronics предоставляет разработчику широкий выбор МЭМС-датчиков различной степени интеграции – от датчиков какой-либо одной величины, например, магнитного поля, до систем-на-кристалле, объединяющих в себе два и более типа датчиков и микроконтроллер. Все это позволяет подобрать оптимальное решение для каждого конкретного типа приложений.

Наличие STM32Cube-совместимых библиотек для iNEMO позволяет сократить время разработки приложения, работать с датчиками, используя любой контроллер линейки STM32, и при необходимости портировать код на другие целевые платформы.

 

Литература

  1. iNEMO-Inertial Modules – STMicroelectronics;
  2. LSM6DS3: always-on 3D accelerometer and 3D gyroscope;
  3. osxMotionFXReal-time motion-sensor data fusion software expansion for STM32Cube;
  4. X-CUBE-MEMS1Motion MEMS and environmental sensor software expansion for STM32Cube;
  5. X-NUCLEO-IKS01A1Motion MEMS and environmental sensor expansion board for STM32 Nucleo;
  6. STEVAL-MKI137V1LIS3MDL adapter board for standard DIL24 socket;
  7. STEVAL-MKI160V1LSM6DS3 adapter board for standard DIL24 socket.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее