Рисунок 1. Структурная схема и расположение выводов гироскопов L3G4200D/DH
Авторы: Староверов К.C.
Источник: Компания КОМПЭЛ
— https://www.compel.ru/lib/54348
Староверов К.C. Новые МЭМС–датчики STMicroelectronics.
Рассмотрены микроэлектромеханические датчики (трехосевые гироскопы) от компании STMicroelectronics.
Компания STMicroelectronics (STM), ставшая по мнению авторитетной аналитической компании iSuppli восходящей звездой и номером один на рынке МЭМС–датчиков движения в 2008 году [1], по–прежнему остается ведущим игроком на этой арене. Успех компании связан с передовыми рабочими характеристиками их продукции, которые дополняются малыми габаритами, простой применения, экономичностью и адекватной стоимостью. Ассортимент МЭМС–датчиков компании STM преимущественно составляют акселерометры и гироскопы [2-3], позволяющие контролировать параметры линейных и угловых перемещений, соответственно. Текущий год ознаменовался появлением в ассортименте STM новой оригинальной МЭМС–продукции: трехосевых гироскопов L3G4200D/DH с цифровым выходом и модуля цифрового компаса LSM303DLH.
Свой первый трехосевой гироскоп LYPR540AH компания STM представила в ноябре прошлого года. Этот МЭМС–датчик размещен в корпусе с размерами 4,4x7,5x1,1 мм и поддерживает два диапазона контроля угловых скоростей (±400 и ±1600 град/с). Вывод результатов измерений, так же как и у одно– и двухосевых предшественников [3], организован на усиленных и неусиленных аналоговых выходах. По сравнению с LYPR540AH трехосевые новинки этого года L3G4200D/DH существенно отличаются в сторону улучшения рабочих характеристик за счет расширения диапазона контролируемых угловых скоростей (поддерживаются три диапазона ±250/500/2000 град/с), применения цифрового SPI/I2C-совместимого интерфейса для вывода данных, возможности перевода в экономичные режимы работы с малым потребляемым током (режим SLEEP: 1,5 мА; режим POWER-DOWN: 5 мкА) и размещения в ультракомпактном корпусе LGA–16 (4x4x1 мм). Добиться столь существенного отрыва в рабочих характеристиках удалось благодаря использованию единой измерительной структуры для контроля движения в трех ортогональных осях взамен традиционного подхода с использованием трех измерительных структур, как в случае LYPR540AH. Кроме того, применение единой измерительной структуры исключает проблему взаимного влияния, что положительно сказывается на точности измерений и способствует снижению потребляемого тока в активном режиме работы примерно на 40% — до уровня 6,1 мА (номинальное значение). Значения угловых скоростей выводятся в 16–битном формате. Обе микросхемы рассчитаны на работу при напряжении питания 2,4…3,6 В и в промышленном диапазоне температур -40…85°С.
Перечисленные характеристики являются общим набором особенностей для L3G4200D/DH, а разобраться с их отличиями поможет рисунок 1.
Рисунок 1. Структурная схема и расположение выводов гироскопов L3G4200D/DH
Из представленной здесь структурной схемы видно, что L3G4200DH отличается повышенной степенью интеграции. У L3G4200DH предусмотрен 96–уровневый буфер FIFO, который позволяет накопить 32 набора значений угловых скоростей относительно осей x, y и z. Использование буфера FIFO позволит снизить частоту генерации прерываний управляющего процессора, что, как следствие, дает ему возможность дольше находиться в дежурном режиме работы и, в конечном счете, позволяет существенно снизить средний потребляемый системой ток. L3G4200DH содержит дополнительный АЦП для 8–битной оцифровки напряжения встроенного датчика температуры, что дает возможность избавиться от внешней RС датчика температуры в системах, где необходима функция контроля температуры. Наличие у L3G4200DH буфера FIFO отразилось и на различиях в назначении выводов. В отличие от L3G4200D, у микросхемы с индексом DH вывод готовности данных (DRDY) имеет альтернативное назначение – выход генерации прерывания по заполнению буфера (INT2).
Благодаря малым размерам и низкому потребляемому току L3G4200D/L3G4200DH перспективны для применения в набирающих популярность 3D–пультах дистанционного управления (например, для совместной работы с презентационным оборудованием) и 3D–манипуляторах мышь
, которые обеспечивают работу с системами трехмерного моделирования, включая компьютерные игры и САПР, через интуитивно–понятный интерфейс. Кроме того, эти трехосевые гироскопы могут применяться в системах позиционирования для повышения точности устройств спутниковой навигации и сохранения ее работоспособности в условиях нестабильного или полного отсутствия приема спутниковых сигналов. Пример — на рисунке 2.
Рисунок 2. Система автоматического мониторинга транспорта
Здесь представлена структура системы автоматического мониторинга транспорта, предназначенной для формирования информации о местоположении транспортных средств в реальном времени. Для повышения точности спутниковой навигации дополнительно учитываются данные об инерциальном движении, которые оцениваются с помощью гироскопа и имеющегося в составе любого современного транспортного средства одометра (датчик количества оборотов колеса, предназначенный для измерения пройденного пути). После обработки всей оперативной информации формируются более точные данные о положении, направлении и скорости движения, которые передаются в коммуникационный центр через РЧ–канал, а затем выводятся на экран в диспетчерской и отправляются другим системам. Помимо L3G4200D/L3G4200DH отличным кандидатом для работы в подобном применении может служить модуль LSM320HAY30, который в 28–выводном корпусе LGA (4,4x7,5x1,1 мм) интегрирует трехосевой акселерометр и двухосевой гироскоп (pitch, yaw). Такой модуль способен полностью контролировать движение инерциальной системы, избавляет от необходимости использования одометра и создает предпосылки для беспроводной реализации устройства мониторинга.
Следующий участник данного обзора является плодом сотрудничества STM и известного новатора в области измерительных технологий — компании Honeywell. Разработанная последней анизотропная магниторезистивная (AMR) технология позволяет создавать магниточувствительные элементы, способные контролировать силу и направление магнитного поля Земли и определять направление по отношению к Северному магнитному полюсу. Помимо лучшей в своем классе точности технология AMR обеспечивает малое электропотребление, автоматическую компенсацию смещений (исключает необходимость калибровки) и способность работать в условиях очень малой напряженности магнитного поля, в т.ч. внутри автомобилей и зданий из металлоконструкций, а также в географических зонах с большими значениями широты, включая север РФ. Перечисленные возможности разработки Honeywell теперь доступны в новой продукции компании STM — модуле цифрового компаса LSM303DLH. В дополнение к магнетометру модуль содержит трехосевой акселерометр (по набору регистров и программированию идентичен LIS331DLH/M/F). Появление LSM303DLH является ответом на возрастающую потребность в портативной электронной технике потребительского назначения (в т.ч. смарт-фоны и КПК) с расширенными функциональными возможностями навигации. Среди этих возможностей — автоматическая ориентация карты, индикация направления (в т.ч. при отсутствии движения), сигнализация о наличии интересующих объектов (театры, рестораны, станции метро и т.п.) в выбранном направлении и сохранение функций навигации в условиях неустойчивого или полного отсутствия приема сигналов от систем глобального спутникового позиционирования.
Структура модуля LSM303DLH показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Структурная схема модуля цифрового компаса LSM303DLH
Каналы измерения напряженности магнитного поля предусматривают работу в одном из семи программно-выбираемых диапазонов от ±(0,13…0,81) мТл (ведется разработка модуля для диапазона до 2 мТл). В свою очередь каналы измерения линейных ускорений поддерживают работу в одном из трех программно–задаваемых диапазонов ±2/±4/±8g. Вывод результатов измерений организован в цифровом виде (16–битный формат). Для этого в модуль интегрированы АЦП и два независимых последовательных интерфейса I2C (поддерживаются скоростные режимы 100 и 400 кГц). Модуль предусматривает возможность раздельного перевода в экономичный режим работы трактов магнетометра и акселерометра и генерации двух сигналов прерывания с гибкой программируемой настройкой. Данные прерывания позволяют активизировать управляющий процессор в случае обнаружения движения и свободного падения. Функциональные возможности модуля завершают функции тестирования, которые могут быть инициированы по запросу пользователя раздельно для трактов магнетометра и акселерометра. Столь внушительные возможности модуля реализованы в рамках чрезвычайно компактного 28-выводного корпуса LGA с размерами 5х5х1 мм. Его рабочие характеристики гарантированы для диапазонов напряжения питания 2,5…3,3 В и температур -30…85°C.
Несмотря на первоочередную ориентацию на потребительские применения, модуль LSM303DLH может с успехом использоваться в разнообразных промышленных приложениях: в системах навигации любых транспортных средств; охранных системах и системах безопасности; строительном оборудовании; системах позиционирования антенн; автоматических системах выравнивания; в буровом оборудовании; в системах управления автомобильным движением (в т.ч. в парковочных системах); в метеорологическом и геофизическом оборудовании (в т.ч. при мониторинге сейсмоактивности), а также в робототехнике.
Модуль LSM303DLH доступен в предустановленном виде в составе демонстрационной платы iNEMO второго поколения (код заказа STEVAL–MKI062V2). Данная плата может выступать в роли завершенной платформы для контроля инерциальной системы с 10 степенями свободы. Для этой цели на ней установлены двухосевой гироскоп (roll, pitch) LPR430AL, одноосевой гироскоп (yaw) LY330ALH, рассмотренный только что модуль трехосевого магнетометра и трехосевого акселерометра LSM303DLH, датчик давления LPS001DL (300…1100 мбар) с функцией барометра и датчик температуры STLM75 (измеряемый диапазон -55…125°C). Логику работы платы определяет установленный на ней 32–битный микроконтроллер STM32F103RE (256…512 кбайт flash–памяти, модули USB и CAN, 11 таймеров, три АЦП и 13 коммуникационных интерфейсов). Для взаимодействия с внешним миром предусмотрены разъем для подключения устройств беспроводной связи, порты COM и USB 2.0 FS. Кроме того, на плате предусмотрены разъем для установки карт памяти MicroSDTM, программируемые светодиод и кнопка. Примечательно, что при столь внушительных возможностях платы ее размеры чрезвычайно малы и составляют 4х4 см. В связи с этим она идеальна для использования в качестве завершенного решения для интеграции в разнообразные системы, в т.ч. системы виртуальной реальности, дополненной реальности [4], стабилизации изображений, человеко–машинных интерфейсов и робототехнические системы.
Согласно прогнозам iSuppli, в ближайшие годы будет иметь место существенный рост объемов продаж электроники потребительского назначения с улучшенными функциями навигации на местности и улучшенными до интуитивного уровня возможностями пользовательского интерфейса. В частности, среднегодовой темп роста объемов продаж только одних мобильных телефонов со встроенным цифровым компасом составит порядка 130% и сохранится вплоть до 2013 г. Новая продукция STM имеет все шансы для успешной конкуренции на массовом рынке потребительской электроники. Помимо отличных рабочих характеристик этому способствует учет всех требований использования в портативной электронике, включая очень малые размеры корпуса, простоту схемы включения, низковольтное питание, малый потребляемый ток в активном режиме работы и возможность перевода в экономичный режим работы. Благодаря гарантированности рабочих характеристик в пределах широкого диапазона температур (-30/40…85°С) новая продукция STM также с успехом может применяться в разнообразных промышленных применениях.
1. Jeremie Bouchaud, Richard Dixon. MEMS Market brief, iSuppli, January 2009
2. Староверов К. МЭМС–датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы//Электронные компоненты, 2009, №12 — С.53–57.
3. Староверов К. Новое семейство одно– и двухосевых гироскопов//Новости электроники, 2009, №14 — С.16–18.
4. Статья Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki/Дополненная_реальность