Акселерометры, устройства для измерения ускорений, прошли долгий путь развития и достигли совершенно неожиданных высот благодаря современным МЭМС-технологиям. Но как правильно использовать новые технологические преимущества для того, чтобы создавать конкурентоспособную продукцию на их основе? Об этом, а также о новой линейке акселерометров MMA845xQ компании Freescale и пойдет речь в данной публикации.
Области применения акселерометров чрезвычайно широки. Они используются в системах оповещения о землетрясениях или предупреждают население прибрежных городов о цунами. Акселерометры широко применяются в современных мобильных устройствах — телефонах, смартфонах, КПК, портативных проигрывателях и игровых приставках. В современном автомобиле акселерометры являются частью систем стабилизации курса или в доли секунды инициируют срабатывание подушек безопасности в случае аварийной ситуации. Существует множество иных областей применения, которых становится больше из года в год.
Повсеместное распространение акселерометров стало возможным благодаря технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), которая позволила объединить в единой микросхеме микроэлектронные и микромеханические элементы с сохранением высокой точности, присущей традиционным прецизионным электромеханическим системам. МЭМС-технологии известны относительно давно, однако далеко не каждой компании под силу создавать на ее базе конкурентоспособную продукцию.
Среди признанных лидеров в данной области выделяется компания Freescale Semiconductor, имеющая 30-летний опыт успешных разработок самых различных приложений. В настоящее время компания выпускает более 50 разновидностей акселерометров, которые сгруппированы в три серии по диапазонам измеряемых ускорений: малые (менее 20g), средние (20—100 g) и высокие (100—500g).
Одной из последних разработок компании является семейство Xtrinsic MMA845xQ, включающее 10-, 12- и 14-разрядные конструктивно совместимые акселерометры с малым энергопотреблением. Устройства содержат встроенные функции для проведения конфигурируемого пользователем прецизионного анализа ускорений. Для обеспечения сверхнизкого энергопотребления акселерометры MMA845xQ имеют шесть программируемых режимов с частотами измерений в диапазоне 1,5—800 Гц и схему управления питанием из четырех режимов: от максимального разрешения до сверхнизкого энергопотребления. Данная особенность обеспечивает высокие показатели энергосбережения и точности для измерения сверхмалых ускорений.
Конструктивная совместимость и наличие унифицированной регистровой карты максимизируют аппаратную взаимозаменяемость между 10-, 12- и 14-разрядными разработками, обеспечивая возможность перехода от 10- до 14-разрядной точности измерений без дополнительных затрат. Акселерометры MMA845xQ имеют большие технические возможности для детектирования в режиме реального времени таких параметров движения как: определение ориентации в пространстве, направленных вибраций и касаний, тряски, свободного падения и в задачах измерения перемещений. Акселерометр MMA8451Q содержит 14/8-разрядный буфер FIFO, способный хранить до 32-х выборок данных, отфильтрованных с помощью алгоритмов цифровой обработки сигналов. Более подробная информация об акселерометрах серии MMA845xQ указана в таблице 1.Таблица 1. Сводная таблица параметров акселерометров MMA845xQ
Параметр |
MMA8450Q |
MMA8451Q |
MMA8452Q |
MMA8453Q |
Преимущество |
Напряжение питания, В |
1,71…1,89 |
1,95…3,6 |
1,95…3,6 |
1,95…3,6 |
Широкий диапазон питающих напряжений расширяет области применения |
Разрешение, бит |
12 |
14 |
12 |
10 |
Высокое разрешение для высокоточных применений |
Ток потребления, мкА |
27 |
6 |
Пониженное энергопотребление позволяет продлить срок службы автономных источников питания |
||
Низкий уровень шумов, ug/ (fвых= 400 Гц) |
375 |
99 |
Пониженный уровень шумов для высокоточных применений |
||
Частота обновления вых. данных fвых, Гц |
1,563—400 |
1,563—800 |
Расширенный диапазон увеличивает число областей применения |
||
Основные встроенные возможности |
|||||
Обнаружение свободного падения |
Да |
Увеличение быстродействия системы |
|||
Определение ориентации |
|||||
Встроенный FIFO буфер |
Да |
Нет |
Снижение трафика по шине I2C, пониженное энергопотребление |
||
Обнаружение касаний |
Одинарное, двойное |
Одинарное, двойное, направленное |
Увеличение быстродействия системы, пониженное энергопотребление |
||
Обнаружение тряски |
Ненаправленная |
Направленная и ненаправленная |
|||
Высокочастотная фильтрация данных |
Да |
Нет |
Уменьшение времени обработки данных системой |
||
Автоматическое пробуждение/переход в спящий режим |
Да |
Пониженное энергопотребление |
Типовые области применения акселерометров Freescale MMA845xQ
– Мобильные телефоны/портативные мультимедийные проигрыватели/карманные персональные компьютеры/цифровые камеры:
— определение ориентации (горизонтальная/вертикальная);
— стабилизация изображений;
— определение угла наклона с большим разрешением;
— ускоренный набор номера с помощью жестикуляции;
— управление касаниями;
— автоматический переход в спящий/активный режим для снижения энергопотребления.
– Смартбуки/электронные книги/нетбуки/ноутбуки/планшетные ПК:
— защита от краж;
— выявление состояния свободного падения для защиты жестких дисков;
— определение ориентации;
— детектирование касаний.
– Системы продажи билетов в общественном транспорте
– Мониторинг активности в медицинских применениях.
– Безопасность:
— детектирование слабых движений с высоким разрешением;
— определение наклонов.
– Мониторинг и отслеживание движущихся объектов:
— навигационное счисление пути;
— автоматическое пробуждение системы при обнаружении движений;
— регистрация ударов;
— защита от краж;
— платежные системы.
– Обнаружение разбалансировки в моющих машинах
– Силовой инструмент и мелкая бытовая техника:
— определение наклонов;
— системы безопасного отключения.
Одним из представителей семейства MMA845xQ является 3-осевой 14-разрядный акселерометр MMA8451Q, оснащенный встроенными гибкими функциями для программирования и имеющий конфигурируемые выводы прерываний (INT1 и INT2). Наличие встроенного механизма прерываний обеспечивает дополнительное энергосбережение всей системы, предотвращая необходимость в регулярном опросе состояния готовности данных внешним процессором. Встроенные функции цифровой обработки сигналов позволяют минимизировать необходимость в применении дополнительных алгоритмов для выделения прикосновений, ударов и вибраций. На рисунке 1 представлена структурная схема акселерометра MMA8451Q.
Рис. 1. Структурная схема акселерометра MMA8451Q
|
Устройство может быть сконфигурировано в режиме генерации прерываний для выхода из спящего режима посредством любой из комбинаций встроенных функций, что позволяет одновременно вести мониторинг внешних событий и находиться в режиме пониженного энергопотребления в паузах между событиями.
Все функциональные возможности доступны в динамических диапазонах 2g, 4g и 8g. Существует множество конфигурируемых настроек, подключающих различные функции. Акселерометр MMA8451Q доступен в QFN корпусе размерами 3×3×1 мм.
Основные характеристики MMA8451Q:
– напряжение питания: 1,95…3,6 В;
– напряжение питания цифрового интерфейса: 1,6…3,6 В;
– динамически устанавливаемые диапазоны полной шкалы: ±2g/±4g/±8g;
– частота обновления выходных данных: 1,56—800 Гц;
– уровень шумов: 99 μg/;
– выходные данные: 8 или 14 бит;
– выходной цифровой интерфейс I2C (тактовая частота до 2,25 МГц);
– 2 программируемых вывода прерываний для 7 источников прерываний;
– 3 встроенных канала определения движения;
– возможность определения ориентации в пространстве (горизонтальная, вертикальная) с программируемой зоной нечувствительности;
– буфер FIFO на 32 выборки;
– фильтр низких частот;
– функция самотестирования;
– удовлетворяет требованиям директивы ROHS;
– ток потребления: 6…165 мкА.
На рисунке 2 представлена электрическая принципиальная схема подключения акселерометра MMA8451Q. Питание устройства осуществляется посредством линии VDD. Конденсаторы (используется керамический конденсатор емкостью 100 нФ совместно с электролитическим конденсатором 4,7 мкФ либо один керамический конденсатор номиналом 4,7 мкФ) обвязки источника питания должны располагаться максимально близко к выводам 1 и 14 устройства. Управляющие линии SCL, SDA и SA0 не допускают превышения напряжения выше уровня VDDIO + 0,3 В. В случае, если питающее напряжение VDDIO отсутствует, на управляющих линиях SCL, SDA и SA0 с помощью встроенных антистатических защитных диодов ограничиваются любые логические уровни.
Рис. 2. Схема подключения акселерометра MMA8451Q
|
Встроенные функции, пороги и временные характеристики обоих линий прерывания (INT1 и INT2) могут быть запрограммированы пользователем посредством интерфейса I2C. Линии SDA и SCL всегда находятся в состоянии с открытым стоком и требуют использования подтягивающего резистора, как показано на рисунке 2.
Серия акселерометров MMA845xQ поддерживается набором отладочных средств для ускорения процесса разработки (см. рис. 3).
Рис. 3. Отладочные средства акселерометра MMA8451Q
|
Отладочный комплект LFSTBEB845x содержит три отладочных платы, которые подключаются к коммуникационной плате LFSTBUSB (поставляется отдельно). Набор RDMMA845x в дополнение к предыдущему комплекту содержит USB-плату. Плата разработчика LFSTBEB8450 представляет собой оценочную платформу для акселерометра MMA8450Q и содержит микроконтроллер QE8 для организации сбора данных. Набор RD3924MMA8450Q поставляется совместно с отладочной платой для акселерометра MMA8450Q и USB-платой.
Более подробную информацию об акселерометрах и другой продукции компании Freescale см. на сайтах www.freescale.com и www.symmetron.ru. По всем вопросам Вы также можете обратиться по адресу alexander.guba@symmetron.ru.