Totul a început în industria auto. Acum aproximativ 20 de ani au fost utilizaţi primii senzori MEMS la sistemele airbag, ABS şi ESP. Utilizarea în cadrul telefoanelor inteligente şi a consolelor de jocuri se putea face doar dacă se continua miniaturizarea, eficientizarea energetică şi reducerea preţului acestor senzori. Astăzi, dezvoltarea a atins un nou nivel, oferind caracteristici complet noi şi interesante pentru numeroase aplicaţii.
de Martin Grimmer, Senior Marketing Manager Analog & Sensors
Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
Dispozitivele purtabile precum ceasuri, brăţări, ochelari sau îmbrăcăminte funcţională nu pot fi concepute fără senzori MEMS. Dar aceştia aduc de asemenea creşterea valorii adăugate aplicaţiilor industriale, medicale şi de jocuri. Acest lucru este în special adevărat pentru Hub-uri de senzori şi Noduri de senzori specifici aplicaţiei (ASSN). Sunt oferite până la 9 grade de libertate (DoF), precum un accelerometru pe 3 axe, un giroscop pe 3 axe şi un magnetometru pe 3 axe, plus un microcontroler, toate într-o singură carcasă. Alţi senzori externi, precum senzorii de presiune sau de lumină ambientală, pot conduce la un număr mai mare de 10 grade de libertate. În acest fel se oferă date senzoriale mai precise şi mai robuste decât de la senzorii individuali existenţi, chiar şi în condiţii dure. Datorită diferitelor tipuri de senzori, fiecare cu propriile caracteristici de abatere şi zgomot, se compensează deficienţele senzorilor individuali. Alte puncte pozitive: dispozitivele sunt mult mai mici şi mai eficiente decât soluţiile discrete; calibrarea temperaturii şi alte rutine de calibrare specifice utilizatorului nu sunt necesare; majoritatea efortului de integrare şi dezvoltare nu este necesar, astfel încât se scurtează timpul până la lansarea pe piaţă, permiţând dezvoltatorilor să se concentreze pe aplicaţia lor şi să ajungă pe piaţă mult mai rapid.
Top doi Senzori Integraţi
BMX055 de la Bosch Sensortec în carcasă 3 × 4,5 mm² şi LSM9DS0 de la STMicroelectronics în carcasă 4 × 4 mm² sunt module senzoriale digitale cu 9 grade de libertate (DoF), oferind cel mai mare nivel de integrare din industrie pentru senzori MEMS individuali. Ambele module includ un accelerometru pe 3 axe, un giroscop pe 3 axe şi un magnetometru pe 3 axe. Datorită dimensiunilor compacte, aceste dispozitive sunt ideale pentru aplicaţii în care spaţiul este limitat.
Software Sensor Fusion
Cu scopul de a obţine valorile afişate sau pentru procesarea ulterioară a datelor de la senzori, Bosch Sensortec şi STMicroelectronics au dezvoltat un aşa numit software de fuziune a datelor – Sensor Fusion. Cel mai recent ASSN Bosch Sensortec rulează de exemplu pe BNO055. După cum software-ul şi hardware-ul sunt proiectate optim în acest caz, cea mai mare performanţă este obţinută cu un minim de consum energetic. Suplimentar, software-ul poate fi de asemenea utilizat cu microcontrolere de a alţi producători. Pentru aceasta, clienţii vor trebui să semneze un NDA (non disclosure agreement) şi un acord de licenţiere pentru software-ul Sensor Fusion – cu toate acestea la un preţ mult mai scăzut faţă de software-ul programat de ei. O altă cale de a beneficia de avantajele Sensor Fusion este utilizarea SSC7102 de la Microchip. Acesta este un hub Sensor Fusion cu 10 grade de libertate ce rulează cu software FusionLib licenţiat de la Bosch Sensortec. De asemenea, sunt suportaţi următorii senzori conectaţi extern: modulul busolă Bosch Sensortec BMC150 şi giroscopul BMG160, precum şi senzorul de lumină ambientală Intersil ISL29029.
Software-ul de fuziune al ambilor producători suportă module cu 6 şi 9 grade de libertate şi rulează pe un microcontroler integrat modulului senzorial, dar şi pe un controler extern. El suportă Android şi Microsoft 8, iar mulţumită scalabilităţii poate fi adaptat şi pentru alte sisteme de operare.
Compensare datorată valorilor robuste și ușor de procesat
Software-ul oferă printre altele şi următorii parametri: acceleraţie liniară, rotaţie, poziţionare precisă şi robustă şi vector gravitaţional împreună cu cuaternioni. Acesta din urmă permite, în multe cazuri, o descriere matematică elegantă a spaţiului Euclidian tridimensional şi a altor spaţii, în particular în contextul rotaţiilor, fiind în acelaşi timp de 10 ori mai eficient decât datele brute.
Suplimentar, software-ul Sensor Fusion compensează în comun diferiţi senzori. Iată câteva exemple:
Un accelerometru măsoară acceleraţia globală, inclusiv gravitaţia. Vectorul gravitaţional exact poate fi determinat numai ca rest, în cazul suprapunerii cu acceleraţii dinamice. Software-ul, cu ajutorul unui giroscop, separă acceleraţia dinamică de cea statică prin care vectorul gravitaţional poate fi determinat chiar în timpul mişcării.
Magnetometrele au un domeniu de măsurare foarte sensibil pentru a detecta câmpul geomagnetic relativ slab, ceea ce le face foarte sensibile la câmpuri magnetice externe, cum ar fi de exemplu un difuzor sau un magnet. În cazul unor asemenea erori, o busolă electronică ar putea să nu indice nordul magnetic. Totuşi, dacă este utilizat hub-ul senzorial, software-ul calculează poziţia dispozitivului din acceleraţia unghiulară dată de giroscop şi acceleraţia liniară dată de accelerometru. Astfel busola va funcţiona corect când magnetometrul este perturbat sau rotit.
Vulnerabilitatea unui giroscop este de asemenea compensată în această manieră. El măsoară întotdeauna faţă de o mişcare de referinţă, de exemplu determină numai schimbări relative, nu absolute. Acestea conduc la deviaţii pe termen lung ce cresc în timp. Un senzor de acceleraţie detectează poziţia de referinţă (Home) a unui dispozitiv cu care software-ul poate compensa deviaţiile pe termen lung ale giroscopului. Ca referinţă absolută poate fi utilizat şi un senzor de câmp magnetic.
Top trei dispozitive Sensor Fusion
Cel mai ridicat nivel de fuziune senzorială (Sensor Fusion) este asigurat de două produse de la STMicroelectronics şi unul de la Bosch Sensortec – de departe cei mai puternici lideri de piaţă în domeniul senzorilor MEMS.
Bosch Sensortec BNO055 este primul membru al noii familii de senzori inteligenţi de orientare absolută cu 9 grade de libertate. Ca prim senzor cu 9 axe, el conţine numai tehnologii de la un singur producător: un accelerometru cu 3 axe şi 12 biţi, un giroscop cu 3 axe şi un senzor geomagnetic cu 3 axe şi 16 biţi. Microcontrolerul integrat pe 32 de biţi operează cu software-ul FusionLib BSX3.0, totuşi neexistând încă vreo aplicaţie. Având 5,2 × 3,8 mm², soluţia SiP (sistem capsulat) este semnificativ mai mică decât soluţiile discrete comparabile sau soluţiile pe placă. Ca un model de tip plug-and-play, ea este proiectată specific pentru diferite aplicaţii, de exemplu în domeniul Realităţii Augmentate, fără a avea acces la date de navigaţie bazate pe satelit, pentru lumea izbitor de realistă a jocurilor, aplicaţiilor de sănătate şi fitness, a navigaţiei în spaţii interioare şi a tuturor aplicaţiilor ce necesită detecţie ambientală. Datorită spectrului larg de aplicaţii, el va rămâne disponibil nu numai pentru telefoanele inteligente, ci şi pentru aplicaţii industriale.
STMicroelectronics LIS331EB combină un accelerometru liniar cu 3 axe cu un nucleu Cortex-M0 caracterizat de până la 80 MHz, 64 KB Flash, 128 KB de memorie SRAM într-o carcasă LGA de 3mm × 3mm × 1mm. Dispozitivul dispune de scalare graduală, liber selectabilă, şi poate măsura acceleraţii cu o ieşire de date de până la 1,6 kHz. Mulţumită modurilor operaţionale de ultra-joasă putere, el este extrem de eficient energetic şi oferă funcţii inteligente de adormire şi revenire (sleep-to-wake-up). Cu ajutorul software-ului iNEMO Engine, hub-ul senzorial funcţionează atât pentru senzori interni, cât şi pentru senzori externi: prin I2C el poate reţine datele de la accelerometrul integrat, precum şi de la senzori externi suplimentari (giroscop, magnetometru sau senzor de presiune) şi de la grupuri de 9 sau 10 axe.
În circuitul LSM6DB0 de la STMicroelectronics sunt integrate un accelerometru cu 3 axe, un giroscop cu 3 axe şi un nucleu Cortex-M0 cu memorie Flash şi SRAM. Acesta are două moduri de operare: fie ambii senzori sunt activaţi, fie senzorul de acceleraţie este activat în vreme ce giroscopul este oprit. Ca şi LIS331EB, LSM6DB0 poate de asemenea combina măsurările utilizând software-ul iNEMO Engine pentru senzorii integraţi şi externi cu 9 sau 10 grade de libertate.
Cele două modele ST au mai puţini senzori integraţi decât BNO055 Bosch Sensortec, dar oferă avantajul că microcontrolerul utilizează de asemenea software-ul actual de aplicaţie. Acest lucru nu este posibil cu senzorul Bosch Sensortec, în care microcontrolerul este utilizat numai cu Sensor Fusion şi ca interfaţă. Mulţumită integrării de senzori şi microcontroler într-un spaţiu mic de numai 3 mm × 3 mm × 1 mm, modulul senzorial ST permite utilizarea şi a altor tipuri de senzori şi conectarea la controlerul extern. Pentru toate cele trei modele: senzorii multiplii oferă, în combinaţie cu software-ul Sensor Fusion, valori mai precise şi mai robuste ce se aliniază aplicaţiei respective – fără dezvoltare particulară de software. Potrivirea dintre hardware şi software asigură un nivel minim de efort de dezvoltare şi integrare, împreună cu performanţe optime. Aceste avantaje oferă o libertate maximă pentru aplicaţiile actuale şi un timp scurt până la lansarea pe piaţă.
Concentrare pe senzori
Rutronik, ca lider de piaţă şi tehnologie în distribuţia de componente electronice, demonstrează deja importanţa senzorilor în portofoliul său. La portofoliul larg de producători de semiconductoare precum Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, STMicroelectronics şi Vishay, Rutronik a adăugat producători de senzori, componente pasive şi electromecanice precum Murata şi Omron. Astfel, Rutronik poate arăta că ea are de departe cel mai mare portofoliu de senzori. Cinci experţi ce au lucrat ani de zile exclusiv cu senzori asigură suport pentru clienţi. La fel cum fac experții în prelucrarea semnalului cu produsele respective.
Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
www.rutronik.com