1. Акселерометр / гіроскоп LSM6DS3
2. магнетометр LIS3MDL
3. Багатоцільова система LSM9DS1
4. висновок
5. література
6. Про компанію ST Microelectronics

Акселерометр, гіроскоп і магнетометр на одній підкладці з можливістю незалежного вимірювання по трьох осях для кожного датчика і незалежного управління кожним з них - це стало реальністю в новій лінійці МЕМС-систем-на-кристалі iNEMO виробництва STMicroelectronics.

Можливості, які надають МЕМС-пристрої - перетворення різних неелектричних величин в електричний сигнал або цифрову форму - постійно відкривають нові сфери застосування. Більш того, з'являється можливість по-новому реалізовувати багато завдань, пов'язані з визначенням положення або нахилу об'єктів, визначення швидкості чи інших параметрів їх руху.

Одними з найпопулярніших і поширених в споживчої, автомобільної і промисловій електроніці МЕМС-датчиків є акселерометри, гіроскопи і магнітометри.

Основні сфери застосування акселерометрів:

• спортивні снаряди, тренажери і аксесуари;
• професійні інструменти і промислові прилади;
• автомобільні додатки;
• побутова електроніка.

МЕМС-гіроскопи застосовуються:

• для відстеження переміщень в різних областях техніки;
• в системах стабілізації зображення;
• в навігаторах;
• в ігрових пристроях;
• в робототехніці.

Магнетометр знаходять застосування в:

• геомагнітних датчиках;
• компасах;
• системах навігації;
• вимірювальних приладах.

Всі зазначені типи приладів в тому чи іншому поєднанні давно стали частиною планшетних комп'ютерів.

Плюси і мінуси використання всіх датчиків окремо і на одному чіпі

Сучасні технології виробництва дозволяють об'єднувати кілька датчиків в складі однієї мікросхеми. Залежно від застосовуваної технології і виробника це може бути система-на-кристалі, система-на-модулі (мікрозбірка). Для перерахованих типів датчиків найчастіше зустрічаються такі комбінації:

• поодинокі датчики;
• зв'язка «акселерометр + гіроскоп»;
• рішення, що поєднують в собі всі три типи датчиків.

Поодинокі датчики застосовуються у випадках, якщо потрібно вимір тільки однією з величин. Суміщені датчики дозволяють отримувати вимірювальну інформацію з однієї точки, що спрощує її подальшу інтерпретацію і обробку. Застосування інтегрованих в одному корпусі датчиків знімає також завдання суміщення осей цих виробів.

Мал. 1. Сімейство МЕМС-датчиків iNEMO виробництва компанії STMicroelectronics

У доповненні до продукції, що випускається номенклатурі МЕМС-датчиків прискорення, гіроскопів і магнітометрів компанія STMicroelectronics пропонує нове сімейство МЕМС-датчиків iNEMO, що представляють собою так звану систему-на-підкладці (System-in-packages, SiP). iNEMO (рисунок 1) об'єднує в одному корпусі акселерометр, гіроскоп і магнетометр з чутливістю по шести або дев'яти осях. Поєднання датчиків в одному корпусі істотно підвищує точність показань за рахунок поєднання осей всіх трьох датчиків. Це особливо важливо для таких додатків як розпізнавання жестів, гри, системи віртуальної реальності, навігація всередині приміщень, системи локалізації сервісів.

Таблиця 1. Сімейство МЕМС-датчиків iNEMO

Найменування Тип корпусу Діапазон вимірювання прискорення, g Частота оновлення кута, / c Діапазон вимірювання магнітного поля, Гс Діапазон напруг живлення, В Струм споживання в активному / сплячому режимі, 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 -

Склад сімейства iNEMO представлений в таблиці 1. На даний момент в нього входять:

• Трехосевой гіроскопи / акселерометри LSM330, LSM330D, LSM330DLC, LSM6DS0, LSM6DS33;
• Трехосевой акселерометр / гіроскоп ASM330LXH для автомобільних застосувань (на поточний момент - анонсований продукт);
• Трехосевой гіроскопи / акселерометри / магнетометр LSM9DS0, LSM9DS1;
• система-на-кристалі iNEMO-M1, що включає в себе шестіосевой магнетометр, трехосевой гіроскоп і мікроконтролер ARM Cortex-M3;
• система-на-кристалі LSM6DB0, що включає в себе трехосевой акселерометр, гіроскоп і мікроконтролер ARM Cortex-M0.

Акселерометр / гіроскоп LSM6DS3

LSM6DS3 являє собою систему-в-корпусі (system-in-package), що об'єднує в собі трехосевой акселерометр і гіроскоп, виконана в пластиковому LGA-корпусі. У режимі максимальної продуктивності з частотою оновлення даних 1,6 кГц LSM6DS3 споживає всього 1,25 мА. Для оптимізації енергоспоживання при збереженні прийнятного часу реакції передбачений режим зниженого енергоспоживання. Система відповідає вимогам більшості операційних систем мобільних пристроїв і їх додатків.

LSM6DS3 може бути налаштований на генерування сигналів переривань по подіям:

• виявлення вільного падіння;
• зміни орієнтації по одній з шести осей;
• виявлення одиночної або подвійний вібрації (аналогічно одиночному / подвійному натисканні кнопки миші);
• за наявністю або відсутністю переміщення;
• по пробудженню.

Кілька доступних способів підключення пристрою дозволяють реалізувати різну функціональність в додатках різного класу, наприклад, в концентраторі датчиків або в зовнішньому SPI-датчику.

Діапазон вимірювання прискорень може динамічно вибиратися в межах ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16g, швидкості визначення кутів повороту - ± 125 / ± 245 / ± 500 / ± 1000 / ± 2000 ° / с.

Вбудований FIFO-буфер об'ємом 8 кбайт надає можливість зберігати додаткові дані, наприклад, дані зовнішніх датчиків, число підрахованих кроків, тимчасові штампи вимірювань, температуру та інші.

LSM6DS3 має три можливі режими роботи:

• активний тільки акселерометр, гіроскоп відключений;
• гіроскоп активний, акселерометр вимкнений;
• і гіроскоп, і акселерометр - в активному режимі, датчики працюють незалежно один від одного, кожен з них може мати власну частоту видачі результатів.

Після включення приладу досить 20 мс для здійснення процедури початкового завантаження і застосування заводських калібрувань. Після цього датчики відключаються.

Акселерометр і гіроскоп LSM6DS3 можуть незалежно один від одного працювати в одному з чотирьох режимів - у вимкненому стані, в режимі зниженого енергоспоживання, в активному режимі і в режимі високої продуктивності. Додатково, при необхідності зниження енергоспоживання гіроскоп може бути переведений в сплячий режим.

У кожному з режимів роботи (навіть при вимкнених даних) є управління приладом за інтерфейсів I2С або SPI (в залежності від застосованої схеми підключення). Режим зниженого енергоспоживання передбачає обмеження частот генерування вихідних результатів трьома найнижчими - 13, 26 і 52 Гц.

магнетометр LIS3MDL

LIS3MDL є високопродуктивним трехосевим магнетометр. Повний діапазон вимірювань магнітного поля може бути налаштований в межах ± 4 / ± 8 / ± 12 / ± 16 Гс. Вбудована функція самотестування дозволяє програмно перевірити функціональність пристрою. LIS3MDL володіє послідовними інтерфейсами - I2C (з підтримкою стандартного і високошвидкісного режимів) і SPI. Датчик випускається в пластиковому LGA-корпусі і розрахований на діапазон робочих температур -40 ... 85 ° C.

Основні можливості:

• широкий діапазон напруг живлення: 1,9 ... 3,9 В;
• окремий висновок харчування ліній введення-виведення для узгодження рівнів сигналів при роботі з контролерами і мікропроцесорами з харчуванням 1,8 В;
• режими одиночних вимірювань і безперервної роботи;
• 16-бітові вихідні дані;
• настроюється логіка генерації переривання;
• режим спокою
• режим зниженого енергоспоживання;
• заводське калібрування.

Заводське калібрування, автоматично застосовується пристроєм по включенню живлення, дозволяє використовувати LIS3MDL без попередніх приготувань.

Типова схема включення LIS3MDL представлена ​​на малюнку 2.

Мал. 2. Типова схема включення LIS3MDL

Крім фільтруючих конденсаторів, по лінії живлення для роботи LIS3MDL потрібне підключення конденсатора 100 нФ між висновком 4 і загальним.

Багатоцільова система LSM9DS1

LSM9DS1 являє собою систему-в-корпусі (system-in-package), що об'єднує в собі трехосевой акселерометр, гіроскоп і магнетометр. LSM9DS1 виконана в пластиковому LGA-корпусі, діапазон робочих температур становить -40 ... 85 ° C. Всі три датчика системи-в-корпусі можуть працювати або бути відключеними абсолютно незалежно один від одного.

Основні можливості:

• діапазони вимірювань:
  • прискорення: ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16g;
  • магнітного поля: ± 4 / ± 8 / ± 12 / ± 16 Гс;
  • кутів повороту: ± 245 / ± 500 / ± 2000 ° / с;
• послідовні інтерфейси I2C або SPI.
• виміру по трьох осях для всіх датчиків;
• 16-бітові вихідні дані;
• програмовані переривання;
• діапазон напруг живлення: 1,9 ... 3,6 В;
• вбудований датчик температури;
• функції визначення положення і руху.

Типова схема включення LSM9DS1 представлена ​​на малюнку 3.

Мал. 3. Типова схема включення LSM9DS1

LSM9DS1 має висновки генерації переривань від датчиків - одна лінія виділена для магнетометр, і дві лінії відводяться під переривання акселерометра або гіроскопа. Для харчування ліній інтерфейсів передбачений окремий висновок (VDD_IO), що дозволяє погоджувати рівні сигналів.

програмні бібліотеки

Підтримка розробників складається з:

• драйвера МЕМС-датчиків для Linux-систем;
• бібліотеки розширення для інструментарію STM32Cube;
• переносних бібліотек обробки даних акселерометрів, гіроскопів і магнетометр;
• драйверів і програмних бібліотек для зчитування показань датчиків iNEMO в реальному часі.

X-CUBE-MEMS1 є розширенням пакету STM32Cube і включає в себе драйвери і набори функцій для визначення типу підключених до контролера датчиків і збору свідчень датчиків температури, вологості, тиску і руху. підтримуються датчики HTS221 , LPS25HB , LSM6DS0 і LIS3MDL , Представлені приклади додатків з використанням драйверів X-CUBE-MEMS1. У прикладах використовується демонстраційна плата X-NUCLEO-IKS01A1 , Підключена до налагоджувальний платам NUCLEO-F401RE або NUCLEO-F152RE.

Оскільки X-CUBE-MEMS1 ґрунтується на ідеології STM32Cube, її код легко портується на будь-які контролери STM32. Розширення доповнюється невеликою програмою для персонального комп'ютера зі збору та відображення даних, що надходять з датчиків.

У свою чергу, програмний пакет osxMotionFX доповнює X-CUBE-MEMS1 драйверами і функціями збору і обробки показань датчиків руху в реальному часі. Аналогічно X-CUBE-MEMS1, osxMotionFX також базується на STM32Cube.

Підтримуються датчики температури і вологості (HTS221), тиску (LPS25HB) і руху (LIS3MDL and LSM6DS0). У комплекті також представлений приклад програми для зчитування показань датчиків і передачі їх на персональний комп'ютер для зв'язки плат X-NUCLEO-IKS01A1 і NUCLEO-F401RE.

Структура програмного забезпечення osxMotionFX представлена ​​на малюнку 4.

Мал. 4. Структура програмного забезпечення osxMotionFX

Плати NUCLEO і демонстраційні плати з МЕМС-датчиками

Мал. 5. Зовнішній вигляд плати X-NUCLEO-IKS01A1

Демонстраційна плата X-NUCLEO-IKS01A1 (рисунок 5) містить датчик руху LSM6DS0, магнетометр LIS3MDL, датчик вологості і температури HTS221 і датчик тиску LPS25HB.

Доступ до датчиків на платі X-NUCLEO-IKS01A1 здійснюється по інтерфейсу I2C. 24-піновий роз'єм на платі дозволяє підключати додаткові адаптери з МЕМС-датчиками. Дана плата сумісна з платами серії STM32 Nucleo, а також містить коннектор для Arduino UNO.

на платі STEVAL-MKI137V1 (Рисунок 6), виконаної у форм-факторі DIL 24, розміщений магнітометр LIS3MDL. Дана плата призначена для оцінки можливостей датчика LIS3MDL, а також для використання в макетних зразках кінцевих виробів.

Також плата може встановлюватися в відповідний слот розширення отладочной плати STEVAL-MKI109V2 .

Мал. 6. Зовнішній вигляд демонстраційної плати
STEVAL-MKI137V1

Мал. 7. Демонстраційна плата STEVALMKI160V1

Демонстраційна плата STEVAL-MKI160V1 орієнтована на датчики руху серії LSM6DS3. Виконана у форм-факторі DIL24 (малюнок 7), що дозволяє підключати її до отладочной платі STEVAL-MKI109V2.

висновок

Сімейство датчиків iNEMO виробництва компанії STMicroelectronics надає розробнику широкий вибір МЕМС-датчиків різного ступеня інтеграції - від датчиків будь-якої однієї величини, наприклад, магнітного поля, до систем-на-кристалі, які об'єднують в собі два і більше типу датчиків і мікроконтролер. Все це дозволяє підібрати оптимальне рішення для кожного конкретного типу додатків.

Наявність STM32Cube-сумісних бібліотек для iNEMO дозволяє скоротити час розробки програми, працювати з датчиками, використовуючи будь-який контролер лінійки STM32, і при необхідності перенести код на інші цільові платформи.

література

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 .

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі