Jste zde

MMA9550L – 3D senzor zrychlení s 32bit. CPU ColdFire v jednom

Antonín Vojáček, 22. Leden 2012 - 18:30

Jednou z posledních novinek závěru minulého roku v nabídce společnosti Freescale je zajímavý integrovaný obvod s označením MMA9550L, který v sobě současně integruje kompletní 3D akcelerometr s kompletním 32bitovým výpočetním jádrem ColdFire s Flash pamětí. Ten již pak v sobě má předprogramovaný software (firmware) pro určitou ideovou aplikaci tohoto senzoru, jako například senzor pohybu / náklonu, nárazu / vibrací / poklepu, nebo krokoměr počítající kroky podle pohybu boků. Podle toho pak má senzor i odlišné označení MMA9550/9951/9951/9953.

Integrovaný senzor Freescale MMA955xL, který je součástí rodiny inteligentních senzorů s technologií Xtrinsic, tvoří zajímavá kombinace plně křemíkového 3D MEMS akcelerometru (senzoru zrychlení), integrovaného zpracování signálu a známého procesoru řady ColdFire. Konkrétně jde o 32bitové CPU jádro ColdFire V1 taktované 8 MHz, které je doplněné o 16 kB integrované Flash paměti a 2 kB SRAM paměti. Z toho vždy část je vyhrazena již implementovanému firmwaru realizujícímu funkci akcelerometru, zatímco druhá polovina je již k dispozici uživateli / programátorovi pro realizaci vlastního programu (aplikace). Toto rozdělení paměti pak závisí na konkrétním typu senzoru, resp. velikosti nahraného softwaru (firmwaru).

Typy MMA9550, MMA95501 a MMA95503 je možné díky tomu používat hned bez dalšího programování. Mimo kompletního vyhodnocovacího softwaru mají totiž již implementovaný příkazový interpreter a správce, který umožňuje ovládat senzor zasíláním příkazů po sériové lince od nadřazeného systému bez nutnosti jakéhokoliv programovacího zásahu do softwaru senzoru. Typ MMA9559 pak obsahuje jen základní firmware a je určen hlavně pro naprogramování vlastní aplikace. Sám osobě je tak nepoužitelný.

Blokové schéma akcelerometru MMA955xL (vlevo) a obsazení vnitřní paměti instalovaným firmwarem dle typového označení.

Takto kompaktní provedení senzoru a výkonného procesoru prakticky umožňuje přímo realizovat jednodušší aplikace jako například měřič náklonu, elektronický kompas či krokoměr kompletně na jednom čipu bez dříve nutného externího propojení senzoru a procesoru na desce plošných spojů. I v případě složitějších systémů má toto spojení výhodu v podobě menšího zatížení hlavní řídicí jednotky (procesoru), protože kompletní problematika oblasti měření a vyhodnocení zrychlení, pohybu, nárazů apod. je již přímo realizovatelná v tomto inteligentním integrovaném senzoru. Přítomnost CPU ColdFire pak samozřejmě znamená plnou podporu tohoto senzoru vývojovým a programovacím softwarem CodeWarrior Development Studio, podobně jako je tomu v případě samotných MCU a CPU s jádrem ColdFire V1. Navíc díky přítomnosti sériového komunikačního rozhraní I2C je možné i na tento senzor připojit další senzory, například senzor tlaku a obsloužit jeho potřeby zpracování a vyhodnocení dat CPU ColdFire v senzoru MMA955xL. Konkrétně je k dispozici jak I2C Slave rozhraní tak i I2C Master rozhraní s funkcí řízení přerušení, právě pro připojení jiných podřízených jednotek, například senzorů. Lze tak spojením MMA955xL a senzoru tlaku s I2C výstupem pracujícím jako měřič nadmořské výšky například realizovat kompletní jednoduchý navigační systém bez dalšího externího MCU či CPU.

Podrobnější blokové schéma senzoru MMA955xL ukazující kompletní hardwarovou výbavu.

Z pohledu samotné měřicí části, tedy senzoru zrychlení, je vestavěna 3násobná MEMS architektura poskytující tak snímání zrychlení ve všech 3 osách X, Y a Z. Ta je realizována podobně jako ostatní akcelerometry Freescale pomocí pohyblivé pružné mikromechanické struktury, kde i pružné elementy jsou z křemíku a pohyb je vyhodnocován jako změna kapacity pevných a pohyblivých elektrod. V registrech senzoru lze nastavit měřicí rozsah ±2 g, ±4 g nebo ±8 g a potřebnou přesnost / rozlišení měření definovat nastavením 10 až 16 bitového převodu. Měřicí frekvence může být až 3,9 kHz.

Reakce 3D senzoru zrychlení na natočení (režim měření statického zrychlení).

Další výhoda společné integrace snímací části akcelerometru s výkonným, ale nízkopříkonovým 32bitovým CPU ColdFire je nejen v možnosti pro uživatele si do senzoru doprogramovat vlastní programovou část (aplikaci) a tedy často vynechání použití externího MCU, ale i ve složitějších aplikacích je prakticky možné provést veškeré zpracování a vyhodnocení v oblasti měření zrychlení přímo v senzoru a tedy minimalizovat nutnou komunikaci a vytížení hlavního nadřazeného procesoru či řídící jednotky. Například lze zpracovat a připravit větší „balík dat“ ve FIFO paměti senzoru a vyslat je pak nadřazené jednotce společně. Tím se snižuje počet komunikačních cyklů. Tím lze lépe i řídit spotřebu el. energie a tedy konstruovat efektivnější zařízení (zvláště důležité u napájení z baterií). V případě samotného senzoru lze v momentech bez nutnosti vyhodnocování a měření přejít do nízkopříkonového režimu se spotřebou jen cca 0,02 mA. Celkový příkon senzoru je pak max. 5 mW.

Celý senzor je schován v miniaturním 16pinovém pouzdře LGA velikosti 3 x 3 mm.

Pouzdro, rozložení pinů a orientace snímacích os senzoru zrychlení.

Základní vlastnosti senzoru MMA955xL:

3osý digitální akcelerometr s integrovaným 32bit. CPU.
Typy: MMA9550L / MMA9551L / MMA9553 / MMA9559L (dle softwarové výbavy)
Napájení: 1,8 V DC.
Měřící rozsah : +2g, +4g, +8g .
Frekvence měření zrychlení: max. 3,9 kHz.
Komunikační rozhraní:
- slave SPI sériové rozhraní nebo I2C s rychlostí až 2 Mb/s,
- master I2C rozhraní s kom. rychlostí až 400 kb/s.
Vestavěný 16bit. A/D převodník s převodem na 10, 12, 14 nebo 16 bitů.
Vestavěné CPU:
- 32bit. procesor ColdFire V1,
- 16 kB Flash (6,5 až 14 kB programovatelné uživatelem / programátorem - dle typu),
- 2 kB SRAM (576 B až 1,664 kB využitelné uživatelem / programátorem - dle typu).
Široké možnosti správy a řízení napájení a spotřeby el. energie.
Vestavěný jednovodičové ladící rozhraní BDM (Background Debug Mode).
Vestavěný polovodičový senzor teploty.
Nahraný software (firmware) pro možnost okamžitého použití senzoru - typy MMA9550L / 9551L / 9553
Plná podpora vývojovým softwarem CodeWarrior = možnost doplnění softwaru vlastní aplikací prostřednictvím.
Možnost využití aplikace „Project Wizard“ pro snadné vytvoření aplikace.
V rámci IDE softwaru CodeWarriorplná podpora programování a optimalizace v C/C++ .
Plná podpora emulace ladění bez dalšího hardwaru .
Pouzdro: 16pin LGA velikosti 3 x 3 mm.
Provozní teplota: -40 až +85°C.

Příklad zapojení akcelerometru MMA955xL - připojení dvou dalších podřízených (slave) senzorů prostřednictvím analogového vstupu a I2C master komunikačního rozhraní a nadřazeného CPU prostřednictvím I2C slave rozhraní.

Vytvořil na základě informací výrobce: Antonín Vojáček