Vítejte, dnes je
středa
25.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Současné bloky snímačů nabízejí až 9 stupňů volnosti a doplněny o externí snímače mohou realizovat dokonce 10 a více stupňů volnosti. Díky tomu přinášejí další možnosti do průmyslových, lékařských nebo herních aplikací. Vrcholem integrace je kombinace snímačů, které jsou již vybaveny odpovídajícím softwarem.
Bloky snímačů určené pro specifické aplikace (Application Specific Sensor Nodes –ASSNs) kombinují různé snímače a generují podstatně přesnější údaje, než dokážou jednotlivé snímače, což platí zejména ve ztížených podmínkách. Každý druh snímače má vlastní charakteristiky, a tak jejich kombinací dochází ke vzájemné kompenzaci různých nedostatků. Snímače ASSNs jsou výrazně menší a efektivnější než řešení s diskrétní strukturou. Nevyžadují pravidelné kalibrace uživatelem, dokonce ani na teplotu.
BMX055 od firmy Bosch Sensortec a LSM9DS1 od společnosti STMicroelectronics jsou digitální senzorické moduly s 9 stupni volnosti (Degrees of Freedom, DoF) a díky tomu představují nejvyšší současný stupeň integrace jednotlivých snímačů MEMS. Oba tyto výrobky obsahují 3osý snímač zrychlení, 3osý gyroskop a 3osý magnetometr. Díky kompaktním rozměrům 3 × 4,5 × 0,9 mm (MBMX055), resp. 3,5 × 3 × 1 mm (LSM9DS1) jsou tyto prvky ideální pro použití i v případech, kdy je k dispozici jen omezený prostor, například v mobilních aplikacích.
Aby bylo možné získat z dat snímačů výstupní hodnoty, vyvinuli oba výrobci vlastní software. Uvedené programy podporují moduly s 6 a 9 stupni volnosti a běží jak v modulu snímačů, tak i v externím řadiči. Podporují operační systémy Android a Microsoft 8, a lze je také upravit i pro jiné operační systémy.
Software Sensor Fusion umožňuje zpracovávat údaje o lineárním zrychlení, rotaci, přesné poloze, vektoru gravitace a kvaterniony. Poslední uvedená možnost přináší matematický popis trojrozměrného eukleidovského prostoru, zejména ve vztahu k otáčkám. Software navíc kompenzuje různé snímače mezi sebou, jak je možné vidět na následujícím příkladu: Aby bylo možné zachytit poměrně slabé magnetické pole Země, mají magnetometry velmi citlivý rozsah měření. V důsledku toho jsou velmi citlivé na rušení vyvolávané externími magnetickými poli – například reproduktory nebo magnety. Při takovém rušení již nemůže elektronický kompas udávat magnetický sever. V bloku snímačů vypočítá software polohu přístroje z úhlových zrychlení gyroskopu a lineárních zrychlení snímače zrychlení. Díky tomu funguje kompas i s magnetometrem pootočeným nebo napadeným rušením.
Při měření zrychlení příslušného snímače se vždy bere v úvahu i gravitace. Gravitační vektor lze přesně určit pouze v klidovém stavu, protože ho jinak překrývají dynamická zrychlení. S gyroskopem je software schopen oddělit dynamické zrychlení od statického a díky tomu lze stanovit gravitační vektor i za pohybu. Takto lze kompenzovat i slabá místa gyroskopu. Ten měří vždy ve srovnání s referenčním pohybem, čímž vzniká dlouhodobý posun dat, který v průběhu času narůstá. Snímač zrychlení rozpoznává klidovou polohu přístroje, díky které může software kompenzovat dlouhodobý posun dat gyroskopu. Snímač magnetického pole může navíc fungovat jako absolutní reference.
Software Sensor Fusion společnosti Bosch Sensortec běží například v BNO055, nejnovějším typu snímačů ASSN. Dosahuje vysokého výkonu při velmi nízké spotřebě energie, protože software a hardware jsou navzájem dokonale sladěny. Zákazníci mohou využívat tento software i s mikrořadiči jiných dodavatelů. K tomu sice musí podepsat smlouvu o zachování důvěrnosti (NDA) a licenční smlouvy, to jsou ale ve srovnání s nutností vlastního programování potřebného softwaru zcela zanedbatelné požadavky. Další možností využití softwaru Sensor Fusion nabízí SSC7102 společnosti Microchip. Zde se jedná o blok snímačů Sensor Fusion s 10 stupni volnosti, ve kterém běží software FusionLib v licenci společnosti Bosch Sensortec. Produkt podporuje snímače, které jsou připojovány externě, jako jsou kompasový modul BMC150 a gyroskop BMG160 od firmy Bosch Sensortec, a dále snímač okolního světla ISL29029 od společnosti Intersil.
Kombinace snímačů, které jsou již kombinovány se softwarem Sensor Fusion, poskytují přesnější hodnoty, které jsou zaměřeny na příslušné aplikace. Sladěný hardware a software zajišťují nízké nároky na vývoj a integraci a přinášejí maximální možný výkon. Zákazník tak ušetří za vývoj vlastního softwaru a může se soustředit na samotnou aplikaci s kratší dobou uvedení výrobku na trh.
Snímač BNO055 od společnosti Bosch Sensortec je inteligentní snímač absolutní orientace, který spojuje v jednom pouzdru snímače a software Sensor Fusion s 3osým 14bitovým snímačem zrychlení, 3osým 16bitovým gyroskopem s rozsahem +/–2 000 stupňů / sekundu a 3osým geomagnetickým snímačem nabízí 9 stupňů volnosti. Přitom u 9osých snímačů pocházejí všechny technologie poprvé od stejného výrobce. Integrován je také 32bitový mikrořadič, ve kterém běží software BSX3.0 FusionLib. V důsledku toho nelze předmětný produkt využívat pro samotnou aplikaci. S rozměry 5,2 × 3,8 × 1,13 mm je toto řešení systému v jediném balení výrazně menší než srovnatelná diskrétní řešení nebo systémy na desce.
V řadě produktů iNEMO nabízí společnost STMicroelectronics kombinaci 6osého inerciálního snímače. V pouzdru o rozměrech 2,5 × 3 × 0,8 mm obsahuje digitální 3osý snímač zrychlení a digitální 3osý gyroskop. Se spotřebou proudu 1,25 mA v režimu High Performance může trvale využívat aktivní funkce s nízkým příkonem, zatímco v režimu Low-Power potřebuje pouze 0,6 mA. Efektivita tohoto výrobku je mimo jiné výsledkem využívání inteligentní paměti FIFO (First-In First-Out). S 8 kB je její využitelnost ve srovnání se všemi ostatními paměťmi, které jsou k dispozici, přinejmenším dvojnásobná, takže modul LSM6DS3 dokáže uložit a shromáždit více dat, aniž je nutné probudit systémový procesor. Navíc disponuje velmi dobrými šumovými vlastnostmi.
Modul LSM6DS3 je systémem skládajícím se ze dvou čipů v jediném balení. Umožňuje orientaci v 6D a rozpoznávání událostí volného pádu, klepnutí a poklepání, činnosti a nečinnosti a buzení. Protože signály jsou zpracovávány reálnými a virtuálními snímači a snímači v dávkovém režimu, lze dosahovat krátké doby reakce systému. Kontakty tohoto modulu lze spojit s dalšími externími snímači a díky tomu může modul převzít další úkoly jako blok snímačů nebo doplňkové rozhraní SPI. Společně s mikrořadičem STM32 umožňuje modul LSM6DS3 provoz se systémy snímačů napájenými bateriemi v mobilních a přenosných aplikacích a také pro Internet of Things.
Pro modul LSM6DS0, 3osý magnetometr LIS3MDL, snímač tlaku LPS335H a snímač vlhkosti a teploty HTS221 nabízí společnost STMicroelectronics vyhodnocovací desku X-NUCLEO-IKS01A1. Prostřednictvím kontaktu I2C se spojuje s mikrořadičem STM32, výchozí port I2C lze změnit. Pro další adaptéry a snímače MEMS je k dispozici patice DIL s 24 kontakty. Obsahuje rozsáhlou knihovnu firmwaru a příklady pro všechny snímače, které jsou kompatibilní s firmwarem STM32Cube.
Produkty firem STMicroelectronics a Bosch Sensortec tvoří špičkovou třídu řady Sensor Fusion. Oba výrobci, čelní dodavatelé v oblasti snímačů MEMS na trhu, nacházejí své zákazníky v Linecard od společnosti Rutronik. Ke snímačům od výrobců Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, Rohm, STMicroelectronics a Vishay nabízí Rutronik ve svém portfoliu také snímače výrobců pasivních dílů a elektromechanických součástek, jako jsou společnosti Murata a Omron. Společnost Rutronik je schopna pokrýt celý řetězec zpracování signálů odpovídajícími produkty. Při výběru poskytují zákazníkům odbornou podporu týmy specializující se na snímače a analogové obvody.
