EM7180 SENtral a Sensor Fusion

Využití senzorů k určení polohy zařízení v prostoru sahá do počátků automatizace řízení – zejména v letectví, kosmonautice a vojenství. Automatizované systémy řízení např. letadla jsou založeny na tzv. inerciální měřicí jednotce obsahující různé senzory – gyroskopy, akcelerometry, magnetometry a v některých případech také tlakoměry. Tyto poměrně rozměrné senzory poskytují dílčí informace, jejichž fúzí (sloučením) lze získat informaci o poloze a orientaci zařízení v čase. Samotný výpočet je založen na využití Kalmánových filtrů ke zpracování nepřesné informace z jednotlivých senzorů.

Integrace elektromechanických prvků na jediném čipu (MEMS = Micro- -Electro-Mechanical Systems) s sebou přinesla miniaturizaci senzorů. Tyto senzory se pak objevily v mobilní elektronice a v současnosti je jimi vybaven každý tablet nebo smartphone. Určení polohy/ orientace těchto mobilních zařízení využívá řada aplikací – od jednoduchých her, kde orientace zařízení slouží k ovládání, až po asistovanou navigaci jako doplněk GPS zejména uvnitř budov. Senzorová fúze proto našla zcela nové uplatnění v oblasti, kde malé rozměry a nízká spotřeba jsou zcela zásadními požadavky.

Typická řešení s využitím univerzálních procesorů

Dosud používaná řešení senzorové fúze využívala k výpočtu hlavní aplikační procesor mobilního zařízení. Většinou nebylo dosaženo vyhovující přesnosti a vývojáři aplikací se nemohli dostatečně spolehnout na údaje o pohybu a orientaci. Řada řešení byla též vyladěna pouze pro senzory určitého výrobce. Použití senzorů jiného výrobce nebylo nemožné, bylo ale značně komplikované, protože ladění se muselo opakovat s každou novou generací zařízení.

Další nevýhodou byla nízká efektivita výpočtu senzorové fúze v aplikačním procesoru. Tyto procesory (např. Cortex M0 nebo M3) typicky nebývají optimalizovány na výpočet fúze a musí tedy tento nedostatek kompenzovat vyšší pracovní frekvencí za cenu vyšší spotřeby. Pro dosažení přesného sledování nebo přesné navigace ve vnitřních prostorách je nutné bránit se magnetickým anomáliím a též korigovat gyroskopické odchylky. Pro dostatečnou účinnost vyžadovaly senzor fusion algoritmy často více než 50% výkonu těchto univerzálních procesorů. Novější mobilní zařízení (např. iPHONE 5S) proto zpracování údajů ze senzorů delegují do dedikovaných senzorových hubů či koprocesorů, jako je např. EM7180 SENtral.

EM7180 SENtral = nově a lépe

Integrovaný obvod EM7180 SENtral je koprocesor pro senzorovou fúzi a je primárně určen do mobilních zařízení. V nepřetržitém provozu zpracovává informace ze 3 MEMS senzorů: 3osého gyroskopu, 3osého akcelerometru a 3osého magnetometru. Taková soustava senzorů má celkem 9 dílčích vstupů a je proto označována jako 9 stupňů volnosti (9DOF = Degree Of Freedom), ze kterých vyhodnocuje výslednou polohu. Obvod EM7180 využívá vysoce sofistikovaný algoritmus pro zpracování dat, který automaticky vypíná nepotřebné senzory v době, kdy je zařízení v klidu a tím dále snižuje celkovou proudovou spotřebu. A EM7180 SENtral ji má skutečně velmi nízkou (viz tabulka 1) a v 16vývodovém pouzdře měří pouhých 1,6 × 1,6 mm (viz obr. 1).

Obr. 1 Obvod EM7180 SENtral (1,6 × 1,6 mm)

Kromě základní aplikace 9DOF podporuje EM7180 i redukované operační módy se 6 stupni volnosti (6DOF) pro typické kombinace gyroskop + akcelerometr nebo akcelerometr + magnetometr. Redukované módy 6DOF mají nižší přesnost, plně ale dostačují pro řadu aplikací.

EM7180 SENtral netrpí omezující těsnou vazbou výběru senzoru konkrétního výrobce na jeho algoritmus pro senzorovou fúzi. K obvodu lze připojit v podstatě jakýkoliv senzor od jakéhokoliv výrobce. Kromě pohybových senzorů to může být i teploměr, tlakoměr či vlhkoměr a obvod tak zastane funkci senzorového „hubu“. Data z ostatních senzorů nejsou součástí fúze, jsou pouze prezentována hostitelskému procesoru.

Protože byl koprocesor SENtral navržen speciálně pro senzorovou fúzi, zbavil v první řadě aplikační procesory jejich nepřiměřené zátěže, tím i energetické náročnosti celého řešení. Spotřeba aplikace EM7180SFP je například ve srovnání s procesorem Cortex M0 více než 100× nižší ve srovnání s typickým řešením popsaným v předcházející části. Obvod EM7180 SENtral rovněž umožňuje nepřetržitou autokalibraci, což znamená neustálé vyrovnávání magnetických anomálií a gyroskopických odchylek senzorů. Všechny tyto přednosti činí SENtral ideální součástkou pro senzor fusion aplikace v trvale zapnutých mobilních zařízeních.

Aplikace EM7180SFP

Kompletní řešení na bázi obvodu EM7180 představuje modul EM7180SFP (Sensor Fusion Platform). Tato aplikace (viz obr. 2 a 3) obsahuje koprocesor EM7180 SENtral, 9DOF senzor Bosch BMX055 (gyroskop, akcelerometr, magnetometr) a konfigurační paměť EEPROM 32KB. Použitím modulu získá zákazník velmi přesnou polohovou informaci. Vysoká obnovovací frekvence umožňuje aplikaci na hostitelském procesoru poskytovat rychlé a přesné údaje, odolné vůči magnetickému rušení. Frekvenci jednotlivých výstupů lze konfigurovat ze strany hostitelského procesoru a dále tak optimalizovat spotřebu konkrétní aplikace.

Obr. 2 Modul EM7180SFP (1,02 × 1 cm)

Obr. 3 Blokový diagram EM7180SFP Sensor Fusion Platform

Modul EM7180SFP lze rychle, snadno a s minimem inženýrského úsilí integrovat na desky plošných spojů do celé řady aplikací. Modul EM7180SFP měří 1,02 × 1 cm (viz obr. 2), má standardní rozteč vývodů pouzdra DIL a je ideální k prototypování. Cílovými produkty jsou nejrůznější mobilní zařízení, která vyžadují co nejmenší spotřebu energie a zároveň co nejvyšší přesnost měření. EM7180SFP získal ocenění redaktorů portálu Electronic Products za rok 2013.

Dostupnost, vzorky, prodej

Zcela nové produkty – obvod EM7180 i modul EM7180SFP jsou v době zveřejnění článku uváděny na trh a představovány klíčovým zákazníkům. V termínu redakční uzávěrky ještě nebyly známy všechny informace ani o termínech dostupnosti vzorků, ani o cenách obvodů a modulů. V případě zájmu kontaktujte firmu ASICentrum na e-mailové adrese sale@asicentrum.cz.