№1 / 2017 / статья 3

МЭМС для Интернета вещей – решения от ST

Александр Абалов (КОМПЭЛ), Евгения Савоськина (г. Брянск)

Без датчиков движения, положения, ускорения, состояния окружающей среды, основанных на микроэлектромеханических системах (МЭМС), невозможно реализовать технологию Интернета вещей. Мировым лидером по производству датчиков этого типа, а также средств отладки и программного обеспечения для них является компания STMicroelectronics.

Благодаря Интернету вещей (Internet of Things, IoT) окружающий мир с каждым днем становится умнее. Браслет, бывший просто украшением, стал источником информации о состоянии организма. Наручные часы, чья функция – показывать время, напоминает о запланированной встрече или дне рождения. Даже привычная электрическая розетка собирает и передает информацию о подключенной нагрузке для оптимизации затрат на электроэнергию.

Технологии Интернета вещей обладают потенциалом, реализуя который, можно изменить образ жизни как каждого человека в отдельности, так и всего человечества. Развитие этой области способно устранить дорожные пробки, сделать вождение безопасным и экономичным. С Интернетом вещей эффективнее используется электроэнергия и природные ресурсы. «Умные дома» берут на себя заботу об интерактивном досуге и комфортном отдыхе, перекладывая повседневную рутину на автоматику. «Умная медицина» облегчает работу врачам, позволяя удаленно получать информацию о параметрах жизнедеятельности пациентов. Вариантов применения взаимодействия разнородных устройств, объединенных единой средой передачи данных, – множество.

Сотни производственных компаний участвуют в развитии Интернета вещей, предлагая как новые электронные компоненты, так и готовые устройства и решения для различных применений. Одним из лидеров этой сферы является компания STMicroelectronics (ST).

Как известно, «глаза и уши» устройств Интернета вещей – это датчики. И здесь у ST мало конкурентов. Компания производит сенсорные компоненты для тысяч различных применений – как узконаправленных, так и многофункциональных систем мониторинга. Например, микроэлектромеханические системы (МЭМС), без которых немыслимы современные IoT-устройства, отслеживающие перемещения в пространстве, температуру, влажность, давление и другие параметры.

Акселерометры

МЭМС-акселерометры производства компании STMicroelectronics выпускаются как с аналоговым, так и с цифровым выходом и обеспечивают измерение ускорений до ±400g (таблица 1).

Таблица 1. Акселерометры производства ST

Наименование Тип корпуса Габаритные
размеры, мм
Шкала измерений, g Шум, мкg/√Гц Преимущества
LIS2DH12 LGA12 2x2x1 ±2; ±4; ±8; ±16 220 12-битный, FIFO-буфер
LIS2HH12 LGA12 2x2x1 ±2; ±4; ±8 140 16-битный, работоспособен при высоких температурах
LIS2DS12 LGA12 2x2x0,8 ±2; ±4; ±8; ±16 100 14-битный, встроенные интеллектуальные возможности
LIS2DE12 LGA12 2x2x1 ±2; ±4; ±8; ±16 220 8-битный
LIS3DH LGA16 3x3x1 ±2; ±4; ±8; ±16 220 12-битные
LIS331HH LGA16 3x3x1 ±6; ±12; ±24 650 12-битный, расширенная до ±24 g шкала
LIS344ALH LGA16 4x4x1,5 ±2; ±6 50 Низкий уровень шума, аналоговый выход
AIS328DQ QFN24 4x4x1,8 ±2; ±4; ±8 218 Сертификат AEC-Q100, диапазон рабочих температур -40…105°C
AIS3624DQ QFN24 4x4x1,8 ±6; ±12; ±24 600 Сертификат AEC-Q100, диапазон рабочих температур -40…105°C, работоспособность в экстренных ситуациях
AIS1120SX/

AIS2120SX

SO8 ±120 Сертификат AEC-Q100, диапазон рабочих температур -40…105°C, применим в подушках безопасности
AIS1200PS SO16 ±200 Сертификат AEC-Q100, диапазон рабочих температур -40…125°C, применим в подушках безопасности
IIS328DQ QFN24 4x4x1,8 ±2; ±4; ±8 218 10-летний срок службы, заводская калибровка, диапазон рабочих температур -40…105°C
IIS2DH LGA12 2x2x1 ±2; ±4; ±8; ±16 220 10-летний срок службы, заводская калибровка
H3LISxxxDL LGA16 3x3x1 ±100; ±200; ±400 15000 Низкий уровень энергопотребления
MIS2DH LGA12 2x2x1 ±2; ±4; ±8; ±16 220 Специально разработан для медицинских применений класса III FDA имплантируемых устройств

Акселерометры ST оптимизированы для использования в портативных устройствах с питанием от батарей – у них низкое напряжение питания в активном режиме (1,62…3,6 В), имеются режимы энергосбережения и способность автоматического выхода из спящего режима. Наличие FIFO-буфера (First in, First out) в некоторых моделях позволяет снизить нагрузку на внешний процессор и общие энергозатраты системы. Также компания ST производит промышленные МЭМС-акселерометры и линейку устройств, соответствующих стандарту AEC-Q100, что позволяет использовать их в автомобильной электронике. Не оставлена в стороне и медицина – модель MIS2DН разработана специально для применения в кардиостимуляторах и дефибрилляторах (рисунок 1).

Рис. 1. Области применения МЭМС-датчиков

Рис. 1. Области применения МЭМС-датчиков

Гироскопы

Гироскопы ST, как и акселерометры, производятся и с аналоговыми, и с цифровыми выходами. Эти устройства способны обеспечить стабильную работу в течение длительного времени, мало подвержены влиянию изменений температуры окружающей среды и обладают низким уровнем шумов (до 0,006 dps/√Гц), что гарантирует высокий уровень точности (таблица 2).

Таблица 2. Гироскопы производства ST

Наименование Тип корпуса Габаритные
размеры, мм
Диапазон
измерений, dps
Шум, dps/Гц Отличительные черты
A3G4250D LGA16 4x4x1,1 ± 245 0,03 Сертификат AEC-Q100, низкий уровень шумов и высокая устойчивость к температурным изменениям
L2G2IS LGA 2,3×2,3×0,7 ±100/±200 0,06 Система стабилизации изображения (OIS)
L3GD20H LGA16 3x3x1,0 ± 245/±500/±2000 0,011 Встроенный FIFO-буфер
I3G4250D LGA16 4x4x1,1 ± 245/±500/±2000 0,03 10-летний срок службы, заводская калибровка

Гироскопы производства компании STMicroelectronics определяют изменение наклона относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей одновременно. Аналогичные устройства других производителей используют для этого две или три независимые системы.

Гироскопы ST измеряют угловые скорости в широком диапазоне значений, что позволяет применять их в совершенно разных задачах: от распознавания жестов и стабилизации изображения до навигации. Датчики угловых перемещений ST уже широко применяются в мобильных телефонах, планшетах, игровых консолях, устройствах для автомобилей и промышленности (рисунок 2).

Рис. 2. Области применения МЭМС-гироскопов

Рис. 2. Области применения МЭМС-гироскопов

Для устройств, требующих повышенной надежности при работе в неблагоприятных условиях, выпускаются модели гироскопов, сертифицированные по АЕC-Q100.

Цифровые компасы

Цифровой компас ST представляет собой акселерометр и магнитный датчик, совмещенные в одном корпусе. Устройство способно с высокой точностью определять направление независимо от положения и наклона измерительного устройства (например, мобильного телефона).

Новая модель МЭМС-компаса LSM303AGR содержит магнитометр с высоким динамическим диапазоном ±49 Гс. Особенностями этого устройства являются встроенные функции термокомпенсации и самотестирования. LSM303AGR обеспечивает низкий уровень шумов выходного сигнала и оптимальное энергопотребление при работе в различных условиях.

Инерциальные модули

Инерциальные модули iNEMO – семейство готовых решений, интегрирующих акселерометр, гироскоп и магнитометр (таблица 3). Эти компактные устройства, совмещающие все три датчика в едином корпусе – практически того же размера, что и обычный MEMS-чип. Модули iNEMO обеспечивают быструю разработку и высокую надежность в большинстве современных приложений, таких как улучшенное распознавание жестов в системах управления, игровое оборудование, беспилотные летательные аппараты, «дополненная реальность», навигация и другие.

Таблица 3. Инерциальные модули iNEMO

Технические характеристики Наименование
LSM6DSM LSM6DSL LSM6DS3H LSM6DS3
Максимальный потребляемый ток, мА 0,65 0,65 1,25 1,1
Номинальный потребляемый ток, мА 0,45 0,45 0,9 0,9
Максимальный уровень шума акселерометра, мкg/√Гц 90 90 90 90
Уровень шума гироскопа, dps/Hz 3,8 4,5 6 7
ODR, Гц Акселерометр

Гироскоп

1…6664

12,5…6664

1…6664

12,5…3332

12,5…6664

12,5…2

12,5…1666

12,5…1666

FIFO-буфер, кбайт до 4 до 4 до 8 до 8
OIS/EIS Есть/есть Нет/есть Есть/есть Нет/есть
Синхронизация датчиков Есть Есть Есть Есть

Датчики влажности, давления и температуры

Компания ST предлагает широкий спектр высокопроизводительных МЭМС-датчиков для измерения давления, влажности и температуры. Датчики оптимизированы для устройств отслеживания параметров организма, используемых в медицине и фитнес-приложениях. Они также могут быть применены в решении промышленных задач, при создании «умных домов» и производств, контролирующих состояние окружающей среды и соблюдение необходимых для оборудования эксплуатационных условий.

Новые датчики атмосферного давления ST представляют собой МЭМС-устройства с интегрированным прецизионным цифровым барометром. В отличие от устройств предыдущих поколений, новинки производятся в герметичном корпусе повышенной прочности и имеют более компактные размеры (таблица 4).

Таблица 4. Датчики давления ST

Технические характеристики Наименование
LPS25HB LPS22HB
Тип корпуса HLGA-10L, герметичный HLGA-10L, герметичный
Габаритные размеры, мм 2,5×2,5×0,76 2,5×2,5×0,76
Измеряемое давление, кПа 260…1260 260…1260
Относительная погрешность, кПа ±0,1 ±0,05
Абсолютная погрешность, кПа ±0,2 ±0,1
Уровень шума, Па 3 без фильтра, 1 со встроенным фильтром 1 без фильтра, 0,5 со встроенным фильтром
ODR, Гц 1, 10, 25 1, 10, 25, 50, 75
Потребляемый ток, мкА 25/4 при низком разрешении 15/4 при низком разрешении

Устройство HTS221 – компактный интегрированный датчик давления и температуры с интерфейсами SPI и I2C. Малое энергопотребление, возможность гибкой настройки, высокая точность измерений (±3,5% при 20…80% влажности, ± 0,5°C при температуре эксплуатации 5…40°C), надежный миниатюрный корпус HLGA (2х2х0,9 мм) делают эту модель прекрасным выбором для портативных устройств и измерительных приложений.

Температурные датчики компании ST представлены в аналоговом и цифровом исполнениях. Оба варианта оптимизированы для работы с малым напряжением питания в широком температурном диапазоне: (аналоговые -55…130°C, цифровые -55…125°C (таблица 5).

Таблица 5. Датчики температуры ST

Наименование Тип корпуса Габаритные
размеры, мм
Описание Интерфейсы связи input/ouput Диапазон рабочих напряжений, В
STCN75 MSOP (TSSOP8) 3×3 Цифровой датчик SMBus/I2C 2,7…5,5
STDS75 MSOP (TSSOP8) 3×3 Цифровой датчик SMBus/I2C 2,7…5,5
STLM75 MSOP (TSSOP8); SO-8 3×3; 4,90×3,90 Цифровой датчик SMBus/I2C 2,7…5,5
STTS75 MSOP (TSSOP8); SO-8 3×3; 4,90×3,90 Цифровой датчик SMBus/I2C 2,7…5,5
STTS751 UDFN-6L 2×2 Цифровой датчик с минимальным напряжением питания 2,25 В SMBus/I2C 2,25…3,6
STTS2002 TDFN8 2×3 Цифровой датчик с 2 кбит SPD EEPROM SMBus/I2C 2,3…3,6
STTS2004 TDFN8 2×3 Цифровой датчик с 2 кбит SPD EEPROM SMBus/I2C 2,2…3,6
STLM20 UDFN-4L; SOT323-5L 1×1,30; 2×1,25 Аналоговый датчик SMBus/I2C 2,4…5,5

Модели с аналоговым выходом обладают малым энергопотреблением и одинаковой линейной температурной характеристикой во всем диапазоне измерений. Цифровые датчики обеспечивают высокое, до 12 бит, разрешение по температуре.

МЭМС-микрофоны

Микрофоны на базе МЭМС-технологии обеспечивают стабильно высокое качество звука, так как менее подвержены воздействию перепадов температуры и электромагнитных помех в сравнении с традиционными электретными микрофонами. Компания ST предлагает аналоговые и цифровые микрофоны в металлических и пластиковых корпусах, устойчивых к ударным нагрузкам (таблица 6).

Таблица 6. Микрофоны ST

Наименование Структура Габаритные размеры, мм Напряжение питания, В SNR, дБ Чувствительность, дБ*В AoP, дБ spl Ток, мкА
Цифровые микрофоны
MP45DT02-M Top port 4,72×3,76×1,25, металлический корпус 1,64…3,6 61 -26 120 650
MP34DT01-M Top port 3x4x1, пластиковый корпус 1,64…3,6 63 -26 120 650
MP34DT04 Top port 3x4x1,06, металлический корпус 1,64…3,6 61 -26 120 650
MP34DB02 Bottom port 3x4x1, металлический корпус 1,64…3,6 62.6 -26 120 650
Аналоговые микрофоны
MP23AB02B Bottom port 3,35×2,5×0,98, металлический корпус 1,5…3,6 64 -38 125 220
MP33AB01 Bottom port 3,76×2,95×1, пластиковый корпус 1,5…3,6 6 -38 125 250
MP33AB01H Bottom port 3,76×2,95×1, пластиковый корпус 1.5…3,6 66 -38 125 250
MP23AB01DM Bottom port 3,35×2,5×0,98, металлический, корпус 2,1…3,6 64 -38 130 250

МЭМС-микрофоны ST применяются в ноутбуках, планшетах, смартфонах, hands-free и многих других устройствах.

Программная и аппаратная поддержка разработчиков

Открытая среда разработки STM32 (STM32 ODE) – общедоступная, гибкая, простая среда для создания новых устройств и применений на базе семейства 32-битных микроконтроллеров STM32 и других компонентов производства компании ST.

Система STM32 ODE включает следующие основные элементы:

  • платы разработки STM32 Nucleo – широкий спектр доступных плат разработки для всей серии микроконтроллеров STM32 со встроенными отладчиками кода;
  • платы расширения STM32 Nucleo устанавливаются на платы разработки и позволяют при необходимости добавлять датчики, источники энергии, устройства контроля и аудиоустройства. Универсальная сквозная шина для передачи сигналов позволяет подключать несколько плат расширения к основной плате разработки в мезонинной компоновке. Комбинируя платы расширения, можно создавать прототипы устройств с уникальным набором функций;
  • программное обеспечение STM32Cube – набор бесплатных инструментов и блоков программного обеспечения для быстрой и простой разработки на базе микроконтроллеров STM32. Оно включает в себя программное обеспечение аппаратного (Hardware Abstraction Layer) и промежуточного (middleware) уровней, а также конфигуратор и генератор кода для компьютера STM32CubeMX.

Открытая среда разработки STM32 совместима с различными интегрированными средами разработки: IAR EWARM, Keil MDK, mbed и другими.

Компания ST выпускает платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1 с набором МЭМС-датчиков на борту. X-NUCLEO-IKS01A1 совместима с любыми платами Nucleo производства ST (соответствует стандарту Arduino UNO R3) На плате расположены трехосевой акселерометр и гироскоп LSM6DS0, трехосевой магнитометр LIS3MDL, датчик влажности HTS221 и датчик давления LPS25HB.

Взаимодействие датчиков платы расширения X-NUCLEO-IKS01A1 с микроконтроллером STM32 происходит по интерфейсу I2C.

Набор открытого программного обеспечения OpenSoftwareX объединяет драйверы, программное обеспечение промежуточного уровня и прикладное программное обеспечение для разработки устройств на базе микроконтроллеров STM32, где дополнительно используются МЭМС-датчики, Bluetooth-интерфейс и другие компоненты. Используемые в OpenSoftwareX программные модули позволяют легко собрать конечный продукт и дают возможность быстрого прототипирования.

Открытая среда разработки включает несколько свободных библиотек:

  • Open.MEMS
    • общая библиотека датчиков osxMotionFX;
    • датчики положения osxMotionCP;
    • датчики распознавания движения osxMotionAR;
    • датчики распознавания жестов Sensor gesture recognition.
  • Open.RF
    • библиотека типовых применений радиоинтерфейса стандарта Bluetooth Smart.
  • Open.Audio:
    • передача аудиосигнала в режиме реального времени;
    • определение источника звука в режиме реального времени;
    • подавление эха в режиме реального времени;
    • поддержка Bluetooth-устройств и МЭМС-микрофонов.

Библиотеки Open.MEMS обрабатывают объединенную информацию, что обеспечивает высокую точность вычислений, которая недостижима при отдельном использовании данных от каждого датчика.

Библиотека osxMotionFX – это доработанный алгоритм iNEMO Engine Pro и API, внедренный в открытую среду разработки STM32 ODE. Как и предшественник, библиотека osxMotionFX – это интеллектуальное программное обеспечение, которое использует передовые алгоритмы, чтобы объединять и считывать информацию в режиме реального времени с различных датчиков, корректируя данные в зависимости от условий их использования.

Общая библиотека датчиков osxMotionFX создана для использования совместно с платами разработки STM32F4 Nucleo. При установке библиотеки Open.MEMS на компьютер необходимо выполнить активацию посредством мастера активации, входящего в пакет программного обеспечения osxMotionFX.

Библиотека osxMotionAR в реальном времени предоставляет информацию об активности пользователя: неподвижен, прогуливается, бежит, едет на велосипеде или ведет машину. Программное обеспечение osxMotionCP позволяет собирать информацию о положении в пространстве, а osxMotionGR помогает распознавать жесты управления телефоном.

Готовые устройства

Пример реализации готового устройства на базе платы разработки STM32F4 Nucleo (NUCLEO-F401RE, NUCLE0-L476RG) предоставляет программная платформа BLUEMICROSYSTEM1 (2, 3), содержащая примеры программного кода для разных плат расширения: Bluetooth с малым энергопотреблением (X-NUCLEO-IDB04A1), инерциальные датчики движения, влажности, давления и температуры (X-NUCLEO-IKS01A1). Особенность платформы в том, что она позволяет в режиме реального времени собирать и передавать посредством Bluetooth информацию на Android- или iOS-смартфоны.

Примеры кода из BLUEMICROSYSTEM1 подходят для применения в самых разнообразных сферах, включая Интернет вещей и беспроводные устройства сбора, анализа и передачи информации. Помимо открытых сред разработки, компания ST предоставляет для проектирования полный набор технической документации по применяемым устройствам. С сайта www.st.com можно загрузить разнообразные пакеты бесплатного программного обеспечения. Каждая плата расширения сопровождается развернутой информацией по применению, включая принципиальную схему и перечень компонентов. Разработчики могут обсуждать идеи различных проектов и выяснять интересующие их вопросы на форуме официального сайта ST.

Компания ST, заботясь о своих клиентах, обеспечивает им полную техническую поддержку и широкие возможности в реализации идей для Интернета вещей.

Заключение

Мировой лидер по производству МЭМС-компонентов компания STMicroelectronics предлагает широкую линейку различных приложений для IoT. Датчики движения, положения, состояния окружающей среды обеспечивают работоспособность «умных домов», производств и медицинского оборудования. Развитие Интернета вещей идет стремительно – ST ни на шаг не отстает, совершенствуя свою продукцию для решения различных задач.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

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