Измерительный универсал: типовая плата STEVAL-WESU1 для портативных устройств

13 февраля 2017

телекоммуникацииавтомобильная электроникапотребительская электроникаинтернет вещейST Microelectronicsстатья

Универсальное измерительное устройство STEVAL-WESU1 – референсная разработка компании STMicroelectronics – это малопотребляющий микроконтроллер и датчики для измерения давления, ускорения, магнитного поля, позиционирования в пространстве.

Современные разработчики электроники хотят получать вместе с микросхемами полную программную поддержку, реализацию различных функций в готовых библиотеках и драйверах, универсальное устройство для программирования, отладки и многое другое. Компания STMicroelectronics, стремясь удовлетворять потребности заказчиков, выпускает новые универсальные устройства, например, такие как STEVAL-WESU1.

Для максимально быстрого освоения всех возможностей STEVAL-WESU1 STMicroelectronics предлагает воспользоваться программными наработками с разнообразными примерами, драйверами и утилитами (STSW-WESU1). Также в комплект STSW-WESU1 входит готовый проект, где все функции реализованы и оптимизированы. Все это можно свободно скачать с сайта STMicroelectronics (http://www.st.com/), что существенно сэкономит время разработки, так как не потребуется досконально разбираться с инициализацией и использованием необходимых функций.

Люди, занимающиеся спортом, для контроля своей физической активности обычно используют фитнес-браслет, все функции которого можно реализовать в типовой разработке. Для начала нужно определиться с задачами, которые вы ставите перед устройством. Допустим, вы хотите подсчитать, сколько шагов делает спортсмен во время утренней пробежки. На первом этапе просто загрузите STEVAL-WESU1 готовым демонстрационным проектом и оцените его возможности. Далее вы сможете самостоятельно редактировать проект, совершенствуя и развивая его.

Дополнять готовый проект и на его основе создавать свой помогут приведенные в STSW-WESU1 примеры, в которых реализована инициализация необходимой периферии для получения информации от датчиков. Необходимое программное обеспечение, которое понадобится для того, чтобы запрограммировать и отладить ваш проект, также доступно для свободного скачивания с сайта STMicroelectronics. Чтобы воплотить в STEVAL-WESU1 собственные идеи, вам понадобятся дополнительно только внутрисхемный программатор и отладчик JTAG ST-LINK/V2.

ST-LINK/V2 является универсальным и бюджетным устройством. С его помощью можно программировать и отлаживать подавляющее большинство микроконтроллеров производства STMicroelectronic. Также он пригодится вам в случае, если появится интерес к другим разработкам ST.

STEVAL-WESU1 (рисунок 1) включает в себя современный малопотребляющий микроконтроллер и датчики для измерения различных характеристик, таких как давление, ускорение, магнитное поле, позиционирование в пространстве. Все это делает данную разработку универсальной для применения в различных портативных устройствах. STEVAL-WESU1 можно применять не только как практически готовое решение в устройствах для спорта и медицины, но и использовать его отдельные функции и решения, например, в промышленных манипуляторах или автомобильных системах.

Рис. 1. Печатная плата с элементами STEVAL-WESU1

Рис. 1. Печатная плата с элементами STEVAL-WESU1

Существенным преимуществом использования устройства является то, что оно полностью сертифицировано по экологическим стандартам и стандартам безопасности, а также соответствует требованиям по электромагнитной совместимости. Выполнение этих требований является существенной проблемой для производителей электроники. Возможность воспользоваться готовым сертифицированным устройством значительно упрощает задачи, стоящие перед производителями, экономит средства и дает уверенность в надежности и безопасности.

В состав STEVAL-WESU1 (рисунок 2) входят:

  • STM32L151VEY6 – 32-битный микроконтроллер с ультранизким энергопотреблением;
  • LSM6DS3 – 3D-акселерометр + 3D-гироскоп;
  • LIS3MDL – трехосевой магнитометр;
  • LPS25HB – MEMS-датчик давления;
  • BlueNRG-MS – BLE-сетевой процессор;
  • BALF-NRG-01D3 – 50-Омный симметрирующий трансформатор (балун) со встроенным фильтром подавления гармоник;
  • STNS01 – Li-Ion-линейное зарядное устройство;
  • STC3115 – контроллер заряда батареи;
  • Li-Ion-аккумулятор 100 мА;
  • разъем Micro USB для подзарядки;
  • SWD-разъем для отладки и программирования.

Рис. 2. Функциональная схема STEVAL-WESU1

Рис. 2. Функциональная схема STEVAL-WESU1

Ядром STEVAL-WESU1 является микроконтроллер STM32L151VEY6, который обрабатывает информацию, поступающую от всех датчиков, а затем передает ее с помощью блока BlueNRG-MS на смартфон или планшет. Передача информации осуществляется по беспроводной технологии Bluetooth low energy (BLE). Установленные на плате современные датчики обеспечивают высокую точность измерений и высокую скорость передачи данных. Для визуального отображения информации от датчиков можно воспользоваться приложениями ST WESU Android или ST WESU iOS, доступными для скачивания на соответствующих ресурсах.

STEVAL-WESU1 предназначен для портативных устройств, и его энергопотребление сведено к минимуму. На страже заряда батареи надежно стоит контроллер STC3115.

В комплект входит специальный силиконовый браслет, внутрь которого можно установить печатную плату со всеми элементами и использовать его как готовое устройство. Это поможет настроить все параметры измерений STEVAL-WESU1 и максимально приблизить характеристики к условиям реальной эксплуатации. Также в комплект входит SWD-адаптер. С его помощью легко подключиться к STEVAL-WESU1 для программирования и отладки микроконтроллера стандартным внутрисхемным программатором и отладчиком JTAG ST-LINK/V2.

Дизайн печатной платы сделан таким образом, чтобы после отладки устройства можно было уменьшить исходные габариты посредством удаления части платы, на которой находится SWD-разъем, а также разъем Micro USB, предназначенный для подзарядки аккумуляторной батареи. Если вы поторопились и отломили эту часть платы, восстановить потерянные функции можно, припаяв несколько проводов к специальным площадкам на плате.

Характеристики датчиков и основных функций STEVAL-WESU1

LSM6DS3 – это комбинированный датчик, который включает в себя трехосевые акселерометр и гироскоп. Потребляемый ток – всего 1,6 мА в режиме высокой производительности (до 1,6 кГц). Обмен данными с контроллером осуществляется по одному из последовательных интерфейсов – SPI или I²C. Данный датчик использует принцип организации и работы с данными FIFO (до 8 кбайт) с динамическим выделением данных. LSM6DS3 имеет полномасштабный диапазон измерения ускорения ± 2/± 4/± 8/± 16g и диапазон измерения угловой скорости ± 125/± 245/± 500/± 1000/2000 dps, а также высокую устойчивость к механическим ударам. Напряжение питания составляет 1,71…3,6 В. Современный технологический процесс позволяет добиться высокой точности и повторяемости характеристик датчика. Температурный диапазон работы -40…85°C.

LIS3MDL – это трехосевой MEMS-датчик магнитного поля с малым потреблением (рисунок 3), высокой чувствительностью, диапазоном измерения ± 4/± 8/± 12/± 16 Гс и разрешением 3.2 мГс RMS. Содержит последовательные интерфейсы SPI или I²C и встроенную функцию самодиагностики, которая позволяет получать подтверждение работоспособности датчика. Напряжение питания составляет 1,9…3,6 В. Температурный диапазон работы датчика -40…85°C.

Рис. 3. Функциональная схема LIS3MDL

Рис. 3. Функциональная схема LIS3MDL

LPS25HB – это MEMS-пьезоэлектрический датчик давления с низким энергопотреблением (рисунок 4), который измеряет абсолютный уровень 260…1260 гПа. Датчик имеет высокую чувствительность. 24-разрядные данные о давлении передаются через интерфейс SPI или I²C. Также LPS25HB имеет встроенный буфер FIFO, скорость считывания данных 1…25 Гц, функцию прерывания по готовности данных и встроенную температурную компенсацию. Температурный диапазон работы датчика -30…105°C.

Рис. 4. Функциональная схема LPS25HB

Рис. 4. Функциональная схема LPS25HB

BlueNRG-MS – это сетевой процессор (рисунок 5) с низким энергопотреблением на основе беспроводной технологии Bluetooth Low Energy (BLE). Он имеет встроенные протоколы GAP, GATT, SM, L2CAP, LL и RFPHY. Стек BLE работает на ядре ARM Cortex-M0. Стек хранится в энергонезависимой Flash-памяти, доступ к которой осуществляется через последовательный интерфейс SPI. Используя этот сетевой процессор, можно добиться потребления тока до 1,7 мкА в активном режиме BLE, выходной мощности до +8 дБм (при подключенной антенне). Данная микросхема поставляется уже запрограммированной на заводе-изготовителе, но при желании прошивку можно легко обновить через интерфейс SPI. Компания STMicroelectronics регулярно обновляет прошивки для своих устройств, и они свободно выложены для скачивания на сайте http://www.st.com/. Обновление поможет оптимизировать некоторые функции устройства и сделать его более эффективным. Главное достоинство BLE – это сверхмалое энергопотребление по сравнению с другими беспроводными сетями, например Wi-Fi. Большинство мобильных изделий поддерживает эту технологию для подключения различных устройств. BlueNRG-MS имеет напряжение питания 1,71…3,6 В и температурный диапазон работы -40…85°C.

Рис. 5. Функциональная схема BlueNRG-MS

Рис. 5. Функциональная схема BlueNRG-MS

BALF-NRG-01D3 – миниатюрный симметрирующий трансформатор с эффективным фильтром подавления гармоник или, как его часто называют, балун. Для согласования приемопередатчика и антенны в STEVAL-WESU1 компания STMicroelectronics применила собственную уникальную технологию нанесения на стеклянную подложку миниатюрных конденсаторов и индуктивностей. Этот балун имеет отличные характеристики, такие как номинальный входной импеданс 50 Ом, низкие собственные потери -1,1 дБ, минимальный дисбаланс по амплитуде 0,5 дБ и по фазе 7°, отличные радиочастотные параметры, встроенную ESD-электростатическую защиту 2000 В и температурный диапазон работы -40…105°C.

Микросхема STNS01 представляет собой линейное зарядное устройство для одноэлементных Li-Ion-аккумуляторов (рисунок 6). Эффективное управление питанием – одна из самых важных задач для портативных устройств. Необходимо не только обеспечить продолжительное время работы устройства, но и длительный срок службы самого аккумулятора. STNS01 имеет LDO-стабилизатор и основные функции защиты аккумулятора, такие как защита от перезаряда и полного разряда, тепловая защита, защита от перегрузки по току, от короткого замыкания и перенапряжения. STNS01 использует алгоритм заряда батареи CC/CV с возможностью изменения тока быстрой зарядки батареи до 200 мА с помощью внешнего резистора.

Рис. 6. Функциональная схема STNS01

Рис. 6. Функциональная схема STNS01

STC3115 – это контроллер заряда батареи (рисунок 7), который совместно с STNS01 обеспечивает все необходимые требования к максимально эффективному заряду и долговечности аккумулятора. Главная функция STC3115 – мониторинг питания, который заключается в измерении напряжения с точностью 0,25%, тока и температуры батареи. STC3115 безошибочно определяет новую батарею. Он обладает малым потреблением в режиме энергосбережения 45 мкА и в режиме ожидания не более 2 мкА. Температурный диапазон работы составляет -40…85°C.

Рис. 7. Функциональная схема STC3115

Рис. 7. Функциональная схема STC3115

Программные средства для STEVAL-WESU1

Всем, кто хорошо знаком с микроконтроллерами производства компании STMicroelectronics, давно известен программный продукт STM32CubeMX. С помощью этой программы можно легко использовать необходимые функции STEVAL-WESU1, просто выбрав их из списка и сгенерировав необходимый код. Это весьма существенная помощь, если вашей целью является освоение нового устройства в кратчайшие сроки. STM32CubeMX может сгенерировать код как для таких популярных коммерческих сред разработки, как IAR Embedded Workbench for ARM или KEIL RealView Microcontroller Development Kit, так и для собственной среды разработки компании STMicroelectronics – System Workbench for STM32 (краткое название – SW4STM32). SW4STM32 – это бесплатная среда разработки для микроконтроллеров семейств STM32. Также как и коммерческие среды, SW4STM32 может использовать весь спектр современных возможностей для создания программного кода. Данный продукт построен на платформе Eclipse, не имеет ограничения размера кода и совместим с самыми популярными операционными системами – Windows, Linux и OS X. Используя возможности SW4STM32 и STM32CubeMX, можно создавать сложные коммерческие проекты и быстро выводить их на рынок электронных устройств.

Важной особенностью современной жизни человека являются мобильные устройства. Мобильные приложения для STEVAL-WESU1 наглядно демонстрируют основные возможности референсной разработки.

Мобильное приложение ST WeSU для операционных систем не ниже Android Ver. 4.4.0 и iOS Ver. 8.0 (рисунок 8) можно свободно скачать и установить себе на смартфон с Google Play или Apple Store. К мобильному приложению ST WeSU вы сможете подключить одно или несколько различных устройств одновременно и получать информацию от датчиков каждого устройства, переключаясь между ними. В приложении реализованы различные демонстрационные модели для оценки возможностей STEVAL-WESU1.

Рис. 8. Вид стартовой страницы мобильного приложения ST WeSU (Android and iOS)

Рис. 8. Вид стартовой страницы мобильного приложения ST WeSU (Android and iOS)

Обзор демонстрационных моделей

Sensor fusion demo – демонстрационная модель (рисунок 9), использующая данные от нескольких датчиков. Она реализована в виде игрального кубика. Sensor fusion demo запускается автоматически после подключения к устройству. Движение кубика отображает особенности движения подключенной платы. Также в данной демонстрационной модели можно наблюдать в виде дополнительного значка состояние свободного падения. Последние десять случаев свободного падения отображаются в виде списка в приложении.

Рис. 9. Вид демонстрационной модели (Sensor fusion demo) в мобильном приложении Android

Рис. 9. Вид демонстрационной модели (Sensor fusion demo) в мобильном приложении Android

Размеры игрального кубика реагируют на приближение к устройству, если используется соответствующий датчик. С помощью кнопки «сброс» можно вернуться к первоначальному состоянию кубика.

Environmental demo – это демонстрационная модель, которая выводит на экран данные датчиков температуры и давления.

Демонстрационная модель Plot data demo отображает мгновенные значения всех датчиков. Можно выбрать временной период до 30 секунд, за который данные от датчика будут представлены в виде графика. На графике информацию, полученную от датчиков, можно оценить количественно.

Algorithm demos – ряд демонстрационных моделей, обрабатывающих информацию от датчиков. Они анализируют действия, совершаемые человеком, надевшим силиконовый браслет STEVAL-WESU1, а также определяют положение устройства в пространстве.

С помощью обработки данных от датчиков можно распознать следующие действия: ходьбу, бег, езду на велосипеде или движение на автомобиле. В целях снижения энергопотребления обработка данных происходит с малой частотой дискретизации (16 Гц). Алгоритм обработки информации, разработанный компанией STMicroelectronics, можно применить в различных областях, где требуется быстро и безошибочно отслеживать изменения в движении людей, животных, механизмов или транспортных средств.

Обрабатывая информацию от акселерометра, демонстрационная модель определяет, где в данный момент находится устройство. Она определит нахождение устройства в руках человека, около головы, в кармане рубашки или брюк и быстро отреагирует на смену положения. Алгоритм быстрого определения изменения положения может значительно улучшить потребительские свойства применяемых в спорте и медицине устройств, анализирующих состояние человека. Также его можно применить в промышленности и компьютерной IT-индустрии. Данные акселерометра обрабатываются с низкой частотой дискретизации (50 Гц), чтобы свести к минимуму энергопотребление.

Чтобы продемонстрировать аппаратные возможности трехмерного акселерометра и трехмерного гироскопа, реализованные в микросхеме LSM6DS3, в мобильное приложение встроена демонстрационная модель шагомера. Шагомер подсчитывает количество шагов, сделанных за промежуток времени. Так же, как и другие демонстрационные модели, эта использует алгоритм обработки данных с малой частотой дискретизации (1 Гц), чтобы максимально сохранить заряд батареи.

В ST WeSU реализована еще одна демонстрационная модель, отображающая значения уровня сигнала BLE (дБм) и данные о состоянии аккумуляторной батареи, такие как уровень заряда (%), напряжение (В) и ток (мА). Эти данные помогут оценить реальное энергопотребление и сравнить его с расчетными значениями.

Компания STMicroelectronics в своем мобильном приложении постаралась реализовать максимально понятный и информативный интерфейс. Пользователь может свободно переключаться между несколькими устройствами, анализируя информацию от каждого из них. Используя мобильное приложение ST WeSU, можно быстро и легко ознакомиться со всеми возможностями STEVAL-WESU1.

Заключение

Если ваша цель – быстро вывести на рынок собственное изделие портативной электроники, то представленная референс-разработка может существенно помочь в достижении поставленной цели. Применение STEVAL-WESU1 поможет на этапе разработки минимизировать финансовые вложения за счет использования современных надежных аппаратных и программных решений производства компании STMicroelectronics. Вместе с качественной программной поддержкой вы получаете высокопроизводительное устройство.

Литература

  1. UM2041. User manual. How to use the STEVAL-WESU1. STMicroelectronics, 2016.
  2. Datasheet STM32L151xE. STMicro­electronics, 2016.
  3. Datasheet BlueNRG-MS. STMicro­electronics, 2016.
  4. Datasheet LPS25HB. STMicro­electronics, 2016.
  5. Datasheet BALF-NRG-01D3. STMicro­electronics, 2015.
  6. Datasheet LIS3MDL. STMicro­electronics, 2015.
  7. Datasheet STC3115. STMicro­electronics, 2014.
  8. Datasheet STNS01. STMicro­electronics, 2013.
  9. http://www.st.com/.

ST_STM32F303CBT6_NE_01_17

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Плата X-NUCLEO-IKS01A2: новейшие MEMS-технологии от STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является лидером в области производства микроконтроллеров и интегральных MEMS-датчиков. Чтобы максимально упростить для разработчиков освоение новых продуктов компании, была создана общая открытая среда STM32 Open Development Environment (STM32 ODE). Аппаратной основой STM32 ODE стали процессорные платы Nucleo, построенные на базе популярных моделей высокопроизводительных 32-битных микроконтроллеров семейства STM32. К платам Nucleo могут подключаться платы расширения с различным функционалом.
Новая плата X-NUCLEO-IKS01A2 является идейным наследником хорошо знакомой разработчикам более ранней версии платы МЭМС-датчиков X-NUCLEO-IKS01A1, и содержит самые современные МЭМС-сенсоры из номенклатуры STMicroelectronics, такие как:
LSM6DSL – комбинированная микросхема, объединяющая 3D-акселерометр (±2/±4/±8/±16 g) и 3D-гироскоп (±125/±245/±500/±1000/±2000 °/с). LSM6DSL может выступать как концентратор для других датчиков с интерфейсом I²C;
LSM303AGR – микросхема, включающая в себя 3D-акселерометр (±2/±4/±8/±16 g) и 3D-магнитометр (±50 Гс);
LPS22HB – MEMS-датчик атмосферного давления, (260…1260 гПа);
HTS221 – цифровой датчик влажности и температуры.
X-NUCLEO-IKS01A2 имеет полную совместимость со средствами разработки STM32 ODE от STMicroelectronics: с платами Nucleo и бесплатным ПО для работы с микроконтроллерами STM32Cube.
X-NUCLEO-IKS01A2 выпускается в стандартном форм-факторе с двумя группами соединителей для подключения к различным стекам. Для работы с платами Nucleo предусмотрена пара разъемов Morpho. Четыре дополнительных штыревых разъема обеспечивают совместимость с Arduino UNO R3.
Возможности X-NUCLEO-IKS01A2 могут быть расширены благодаря подключению внешних стандартных МЭМС-модулей DIL-24, производителем которых также является компания STMicroelectronics. Для этого на плате размещена дополнительная колодка. В настоящий момент у разработчиков есть доступ к более чем двум десяткам модулей DIL-24.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

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