1. акселерометри
2. гіроскопи
3. цифрові компаси
4. інерціальні модулі
5. Датчики вологості, тиску і температури
6. МЕМС-мікрофони
7. Програмна та апаратна підтримка розробників
8. готові пристрої
9. висновок
10. Про компанію ST Microelectronics

Без датчиків руху, положення, прискорення, стану навколишнього середовища, заснованих на мікроелектромеханічних системах (МЕМС), неможливо реалізувати технологію Інтернету речей. Світовим лідером з виробництва датчиків цього типу, а також засобів налагодження і програмного забезпечення для них є компанія STMicroelectronics.

Завдяки Інтернету речей (Internet of Things, IoT) навколишній світ з кожним днем ​​стає розумнішою. Браслет, колишній просто прикрасою, став джерелом інформації про стан організму. Наручний годинник, чия функція - показувати час, нагадує про заплановану зустріч або дні народження. Навіть звична електрична розетка збирає і передає інформацію про підключеній навантаженні для оптимізації витрат на електроенергію.

Технології Інтернету речей мають потенціал, реалізуючи який, можна змінити спосіб життя як кожної людини окремо, так і всього людства. Розвиток цієї галузі здатне усунути дорожні пробки, зробити водіння безпечним і економічним. З Інтернетом речей ефективніше використовується електроенергія і природні ресурси. «Розумні будинки» беруть на себе турботу про інтерактивному дозвіллі і комфортний відпочинок, перекладаючи повсякденну рутину на автоматику. «Розумна медицина» полегшує роботу лікарів, дозволяючи віддалено отримувати інформацію про параметри життєдіяльності пацієнтів. Варіантів застосування взаємодії різнорідних пристроїв, об'єднаних єдиною середовищем передачі даних, - безліч.

Сотні виробничих компаній беруть участь в розвитку Інтернету речей, пропонуючи як нові електронні компоненти, так і готові пристрої і рішення для різних застосувань. Одним з лідерів цієї сфери є компанія STMicroelectronics (ST).

Як відомо, «очі і вуха» пристроїв Інтернету речей - це датчики. І тут у ST мало конкурентів. Компанія виробляє сенсорні компоненти для тисяч різних застосувань - як вузько, так і багатофункціональних систем моніторингу. Наприклад, мікроелектромеханічні системи (МЕМС), без яких немислимі сучасні IoT-пристрої, які відстежують переміщення в просторі, температуру, вологість, тиск і інші параметри.

акселерометри

МЕМС-акселерометри виробництва компанії STMicroelectronics випускаються як з аналоговим, так і з цифровим виходом і забезпечують вимір прискорень до ± 400g (таблиця 1).

Таблиця 1. Акселерометри виробництва ST

Найменування Тип корпусу Габаритні
розміри, мм Шкала вимірювань, g Шум, мкg / √Гц Переваги LIS2DH12 LGA12 2x2x1 ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 220 12-бітний, FIFO-буфер LIS2HH12 LGA12 2x2x1 ± 2; ± 4; ± 8 140 16-бітний, працездатний при високих температурах LIS2DS12 LGA12 2x2x0,8 ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 100 14-бітний, вбудовані інтелектуальні можливості LIS2DE12 LGA12 2x2x1 ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 220 8-бітний LIS3DH LGA16 3x3x1 ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 220 12-бітові LIS331HH LGA16 3x3x1 ± 6; ± 12; ± 24 650 12-бітний, розширена до ± 24 g шкала LIS344ALH LGA16 4x4x1,5 ± 2; ± 6 50 Низький рівень шуму, аналоговий вихід AIS328DQ QFN24 4x4x1,8 ± 2; ± 4; ± 8 218 Сертифікат AEC-Q100, діапазон робочих температур -40 ... 105 ° C AIS3624DQ QFN24 4x4x1,8 ± 6; ± 12; ± 24 600 Сертифікат AEC-Q100, діапазон робочих температур -40 ... 105 ° C, працездатність в екстрених ситуаціях AIS1120SX /

AIS2120SX

SO8 - ± 120 - Сертифікат AEC-Q100, діапазон робочих температур -40 ... 105 ° C, застосуємо в подушках безпеки AIS1200PS SO16 - ± 200 - Сертифікат AEC-Q100, діапазон робочих температур -40 ... 125 ° C, застосуємо в подушках безпеки IIS328DQ QFN24 4x4x1,8 ± 2; ± 4; ± 8 218 10-річний термін служби, заводське калібрування, діапазон робочих температур -40 ... 105 ° C IIS2DH LGA12 2x2x1 ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 220 10-річний термін служби, заводське калібрування H3LISxxxDL LGA16 3x3x1 ± 100; ± 200; ± 400 15000 Низький рівень енергоспоживання MIS2DH LGA12 2x2x1 ± 2; ± 4; ± 8; ± 16 220 Спеціально розроблений для медичних застосувань класу III FDA імплантуються пристроїв

Акселерометри ST оптимізовані для використання в портативних пристроях з живленням від батарей - у них низька напруга живлення в активному режимі (1,62 ... 3,6 В), є режими енергозбереження і здатність автоматичного виходу із сплячого режиму. Наявність FIFO-буфера (First in, First out) в деяких моделях дозволяє знизити навантаження на зовнішній процесор і загальні енерговитрати системи. Також компанія ST виробляє промислові МЕМС-акселерометри і лінійку пристроїв, що відповідають стандарту AEC-Q100, що дозволяє використовувати їх в автомобільній електроніці. Чи не залишена осторонь і медицина - модель MIS2DН розроблена спеціально для застосування в кардіостимуляторах і дефібрилятора (рисунок 1).

Мал. 1. Області застосування МЕМС-датчиків

гіроскопи

Гіроскопи ST, як і акселерометри, виробляються і з аналоговими, і з цифровими виходами. Ці пристрої здатні забезпечити стабільну роботу протягом тривалого часу, мало схильні до впливу змін температури навколишнього середовища і мають низьким рівнем шумів (до 0,006 dps / √Гц), що гарантує високий рівень точності (таблиця 2).

Таблиця 2. Гіроскопи виробництва ST

Найменування Тип корпусу Габаритні
розміри, мм Діапазон
вимірювань, dps Шум, dps / Гц Відмінні риси A3G4250D LGA16 4x4x1,1 ± 245 0,03 Сертифікат AEC-Q100, низький рівень шумів і висока стійкість до температурних змін L2G2IS LGA 2,3 × 2,3 × 0,7 ± 100 / ± 200 0,06 Система стабілізації зображення (OIS) L3GD20H LGA16 3x3x1,0 ± 245 / ± 500 / ± 2000 0,011 Вбудований FIFO-буфер I3G4250D LGA16 4x4x1,1 ± 245 / ± 500 / ± 2000 0,03 10-річний термін служби, заводське калібрування

Гіроскопи виробництва компанії STMicroelectronics визначають зміна нахилу щодо трьох взаємно перпендикулярних площин одночасно. Аналогічні пристрої інших виробників використовують для цього дві або три незалежні системи.

Гіроскопи ST вимірюють кутові швидкості в широкому діапазоні значень, що дозволяє застосовувати їх в абсолютно різних завданнях: від розпізнавання жестів і стабілізації зображення до навігації. Датчики кутових переміщень ST вже широко застосовуються в мобільних телефонах, планшетах, ігрових консолях, пристроях для автомобілів і промисловості (малюнок 2).

Мал. 2. Області застосування МЕМС-гіроскопів

Для пристроїв, що вимагають підвищеної надійності при роботі в несприятливих умовах, випускаються моделі гіроскопів, сертифіковані по АЕC-Q100.

цифрові компаси

Цифровий компас ST є акселерометр і магнітний датчик, суміщені в одному корпусі. Пристрій здатний з високою точністю визначати напрямок незалежно від положення і нахилу вимірювального пристрою (наприклад, мобільного телефону).

Нова модель МЕМС-компаса LSM303AGR містить магнітометр з високим динамічним діапазоном ± 49 Гс. Особливостями цього пристрою є вбудовані функції термокомпенсации і самотестування. LSM303AGR забезпечує низький рівень шумів вихідного сигналу і оптимальне енергоспоживання при роботі в різних умовах.

інерціальні модулі

Інерціальні модулі iNEMO - сімейство готових рішень, інтегруючих акселерометр, гіроскоп і магнітометр (таблиця 3). Ці компактні пристрої, що поєднують всі три датчика в єдиному корпусі - практично того ж розміру, що і звичайний MEMS-чіп. Модулі iNEMO забезпечують швидку розробку і високу надійність в більшості сучасних додатків, таких як покращене розпізнавання жестів в системах управління, ігрове обладнання, безпілотні літальні апарати, «доповнена реальність», навігація та інші.

Таблиця 3. Інерціальні модулі iNEMO

Технічні характеристики Найменування LSM6DSM LSM6DSL LSM6DS3H LSM6DS3 Максимальний споживаний струм, мА 0,65 0,65 1,25 1,1 Номінальний струм, мА 0,45 0,45 0,9 0,9 Максимальний рівень шуму акселерометра, мкg / √Гц 90 90 90 90 Рівень шуму гіроскопа , dps / Hz 3,8 4,5 6 7 ODR, Гц Акселерометр

гіроскоп

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 Є / є Ні / існує Є / є Ні / існує Синхронізація датчиків Є Є Є Є

Датчики вологості, тиску і температури

Компанія ST пропонує широкий спектр високопродуктивних МЕМС-датчиків для вимірювання тиску, вологості і температури. Датчики оптимізовані для пристроїв відстеження параметрів організму, використовуваних в медицині і фітнес-додатках. Вони також можуть бути застосовані у вирішенні промислових завдань, при створенні «розумних будинків» і виробництв, які контролюють стан навколишнього середовища та дотримання необхідних для обладнання експлуатаційних умов.

Нові датчики атмосферного тиску ST є МЕМС-пристрої з інтегрованим прецизійним цифровим барометром. На відміну від пристроїв попередніх поколінь, новинки виробляються в герметичному корпусі підвищеної міцності і мають більш компактні розміри (таблиця 4).

Таблиця 4. Датчики тиску ST

Технічні характеристики Найменування LPS25HB LPS22HB Тип корпусу HLGA-10L, герметичний HLGA-10L, герметичний Габаритні розміри, мм 2,5 × 2,5 × 0,76 2,5 × 2,5 × 0,76 Вимірюється тиск, кПа 260 ... 1260 260 ... 1260 Відносна похибка , кПа ± 0,1 ± 0,05 Абсолютна похибка, кПа ± 0,2 ± 0,1 Рівень шуму, Па 3 без фільтра, 1 з вбудованим фільтром 1 без фільтра, 0,5 з вбудованим фільтром ODR, Гц 1, 10 , 25 1, 10, 25, 50, 75 струм, мкА 25/4 при низькій роздільній здатності 15/4 при низькій роздільній здатності

Пристрій HTS221 - компактний інтегрований датчик тиску і температури з інтерфейсами SPI і I2C. Мале енергоспоживання, можливість гнучкого налаштування, висока точність вимірювань (± 3,5% при 20 ... 80% вологості, ± 0,5 ° C при температурі експлуатації 5 ... 40 ° C), надійний мініатюрний корпус HLGA (2х2х0,9 мм) роблять цю модель прекрасним вибором для портативних пристроїв і вимірювальних додатків.

Температурні датчики компанії ST представлені в аналоговому і цифровому виконаннях. Обидва варіанти оптимізовані для роботи з малим напругою живлення в широкому температурному діапазоні: (аналогові -55 ... 130 ° C, цифрові -55 ... 125 ° C (таблиця 5).

Таблиця 5. Датчики температури ST

Найменування Тип корпусу Габаритні
розміри, мм Опис Інтерфейси зв'язку input / ouput Діапазон робочих напруг, В STCN75 MSOP (TSSOP8) 3 × 3 Цифровий датчик SMBus / I2C 2,7 ... 5,5 STDS75 MSOP (TSSOP8) 3 × 3 Цифровий датчик SMBus / I2C 2,7 ... 5,5 STLM75 MSOP (TSSOP8); SO-8 3 × 3; 4,90 × 3,90 Цифровий датчик SMBus / I2C 2,7 ... 5,5 STTS75 MSOP (TSSOP8); SO-8 3 × 3; 4,90 × 3,90 Цифровий датчик SMBus / I2C 2,7 ... 5,5 STTS751 UDFN-6L 2 × 2 Цифровий датчик з мінімальним напругою живлення 2,25 В SMBus / I2C 2,25 ... 3,6 STTS2002 TDFN8 2 × 3 Цифровий датчик з 2 кбіт SPD EEPROM SMBus / I2C 2,3 ... 3,6 STTS2004 TDFN8 2 × 3 Цифровий датчик з 2 кбіт SPD EEPROM SMBus / I2C 2,2 ... 3,6 STLM20 UDFN-4L; SOT323-5L 1 × 1,30; 2 × 1,25 Аналоговий датчик SMBus / I2C 2,4 ... 5,5

Моделі з аналоговим виходом володіють малим енергоспоживанням і однаковою лінійною температурною характеристикою у всьому діапазоні вимірювань. Цифрові датчики забезпечують високу, до 12 біт, дозвіл по температурі.

МЕМС-мікрофони

Мікрофони на базі МЕМС-технології забезпечують стабільно високу якість звуку, так як менш схильні до впливу перепадів температури і електромагнітних завад в порівнянні з традиційними електретними мікрофонами. Компанія ST пропонує аналогові і цифрові мікрофони в металевих і пластикових корпусах, стійких до ударних навантажень (таблиця 6).

Таблиця 6. Мікрофони ST

Найменування Структура Габаритні розміри, мм Напруга живлення, В SNR, дБ Чутливість, дБ * В AoP, дБ spl Струм, мкА Цифрові мікрофони MP45DT02-M Top port 4,72 × 3,76 × 1,25, металевий корпус 1,64 ... 3,6 61 -26 120 650 MP34DT01-M Top port 3x4x1, пластиковий корпус 1,64 ... 3,6 63 -26 120 650 MP34DT04 Top port 3x4x1,06, металевий корпус 1,64 ... 3,6 61 -26 120 650 MP34DB02 Bottom port 3x4x1, металевий корпус 1,64 ... 3,6 62,6 -26 120 650 Аналогові мікрофони MP23AB02B Bottom port 3,35 × 2,5 × 0,98, металевий корпус 1,5 ... 3,6 64 -38 125 220 MP33AB01 Bottom port 3,76 × 2,95 × 1, пластиковий корпус 1,5 ... 3,6 6 -38 125 250 MP33AB01H Bottom port 3,76 × 2,95 × 1, пластиковий корпус 1.5 ... 3,6 66 -38 125 250 MP23AB01DM Bottom port 3,35 × 2,5 × 0,98, металевий, корпус 2,1 ... 3,6 64 -38 130 250

МЕМС-мікрофони ST застосовуються в ноутбуках, планшетах, смартфонах, hands-free і багатьох інших пристроях.

Програмна та апаратна підтримка розробників

Відкрита середовище розробки STM32 (STM32 ODE) - загальнодоступна, гнучка, проста середовище для створення нових пристроїв і застосувань на базі сімейства 32-бітових мікроконтролерів STM32 і інших компонентів виробництва компанії ST.

Система STM32 ODE включає такі основні елементи:

• плати розробки STM32 Nucleo - широкий спектр доступних плат розробки для всієї серії мікроконтролерів STM32 з вбудованими отладчиками коду;
• плати розширення STM32 Nucleo встановлюються на плати розробки і дозволяють при необхідності додавати датчики, джерела енергії, пристрої контролю та аудіопристрої. Універсальна наскрізна шина для передачі сигналів дозволяє підключати кілька плат розширення до основної плати розробки в мезонін компонуванні. Комбінуючи плати розширення, можна створювати прототипи пристроїв з унікальним набором функцій;
• програмне забезпечення STM32Cube - набір безкоштовних інструментів і блоків програмного забезпечення для швидкої і простої розробки на базі мікроконтролерів STM32. Воно включає в себе програмне забезпечення апаратного (Hardware Abstraction Layer) і проміжного (middleware) рівнів, а також конфигуратор і генератор коду для комп'ютера STM32CubeMX.

Відкрита середовище розробки STM32 сумісна з різними інтегрованими середовищами розробки: IAR EWARM, Keil MDK, mbed і іншими.

Компанія ST випускає плати розширення X-NUCLEO-IKS01A1 з набором МЕМС-датчиків на борту. X-NUCLEO-IKS01A1 сумісна з будь-якими платами Nucleo виробництва ST (відповідає стандарту Arduino UNO R3) На платі розташовані трехосевой акселерометр і гіроскоп LSM6DS0 , Трехосевой магнітометр LIS3MDL , Датчик вологості HTS221 і датчик тиску LPS25HB .

Взаємодія датчиків плати розширення X-NUCLEO-IKS01A1 з мікро контролером STM32 відбувається по інтерфейсу I2C.

Набір відкритого програмного забезпечення OpenSoftwareX об'єднує драйвери, програмне забезпечення проміжного рівня і прикладне програмне забезпечення для розробки пристроїв на базі мікроконтролерів STM32, де додатково використовуються МЕМС-датчики, Bluetooth-інтерфейс і інші компоненти. Використовувані в OpenSoftwareX програмні модулі дозволяють легко зібрати кінцевий продукт і дають можливість швидкого прототипування.

Відкрита середовище розробки включає кілька вільних бібліотек:

• Open.MEMS
  • загальна бібліотека датчиків osxMotionFX;
  • датчики положення osxMotionCP;
  • датчики розпізнавання руху osxMotionAR;
  • датчики розпізнавання жестів Sensor gesture recognition.
• Open.RF
  • бібліотека типових застосувань радіоінтерфейсу стандарту Bluetooth Smart.
• Open.Audio:
  • передача аудіосигналу в режимі реального часу;
  • визначення джерела звуку в режимі реального часу;
  • придушення луни в режимі реального часу;
  • підтримка Bluetooth-пристроїв і МЕМС-мікрофонів.

Бібліотеки Open.MEMS обробляють об'єднану інформацію, що забезпечує високу точність обчислень, яка недосяжна при окремому використанні даних від кожного датчика.

Бібліотека osxMotionFX - це доопрацьований алгоритм iNEMO Engine Pro і API, впроваджений в відкриту середу розробки STM32 ODE. Як і попередник, бібліотека osxMotionFX - це інтелектуальне програмне забезпечення, яке використовує передові алгоритми, щоб об'єднувати і зчитувати інформацію в режимі реального часу з різних датчиків, коригуючи дані в залежності від умов їх використання.

Загальна бібліотека датчиків osxMotionFX створена для використання спільно з платами розробки STM32F4 Nucleo. При установці бібліотеки Open.MEMS на комп'ютер необхідно виконати активацію за допомогою майстра активації, що входить в пакет програмного забезпечення osxMotionFX.

Бібліотека osxMotionAR в реальному часі інформацію про активність користувача: нерухомий, прогулюється, біжить, їде на велосипеді або веде машину. Програмне забезпечення osxMotionCP дозволяє збирати інформацію про становище в просторі, а osxMotionGR допомагає розпізнавати жести управління телефоном.

готові пристрої

Приклад реалізації готового пристрою на базі плати розробки STM32F4 Nucleo ( NUCLEO-F401RE , NUCLE0-L476RG) надає програмна платформа BLUEMICROSYSTEM1 (2, 3), що містить приклади програмного коду для різних плат розширення: Bluetooth з малим енергоспоживанням (X-NUCLEO-IDB04A1), інерційні датчики руху, вологості, тиску і температури (X-NUCLEO- IKS01A1). Особливість платформи в тому, що вона дозволяє в режимі реального часу збирати і передавати за допомогою Bluetooth інформацію на Android- або iOS-смартфони.

Приклади коду з BLUEMICROSYSTEM1 підходять для застосування в найрізноманітніших сферах, включаючи Інтернет речей і бездротові пристрої збору, аналізу і передачі інформації. Крім відкритих середовищ розробки, компанія ST надає для проектування повний набір технічної документації по застосовуваних пристроїв. З сайту www.st.com можна завантажити різноманітні пакети безкоштовного програмного забезпечення. Кожна плата розширення супроводжується розгорнутою інформацією щодо застосування, включаючи принципову схему і перелік компонентів. Розробники можуть обговорювати ідеї різних проектів і з'ясовувати свої запитання на форумі офіційного сайту ST.

Компанія ST, піклуючись про своїх клієнтів, забезпечує їм повну технічну підтримку і широкі можливості в реалізації ідей для Інтернету речей.

висновок

Світовий лідер з виробництва МЕМС-компонентів компанія STMicroelectronics пропонує широку лінійку різних додатків для IoT. Датчики руху, стану, стану навколишнього середовища забезпечують працездатність «розумних будинків», виробництв і медичного обладнання. Розвиток Інтернету речей йде стрімко - ST ні на крок не відстає, удосконалюючи свою продукцію для вирішення різних завдань.

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