Jste zde

Lze jedním senzorem měřit zrychlení, rotaci i magnet. pole?

Antonín Vojáček, 29. Březen 2010 - 22:42

Ano, pomocí kombinovaného plně integrovaného senzoru ADIS16400/ADIS16405 od společnosti Analog Devices. Ten v sobě zároveň obsahuje MEMS akcelerometr, gyroskop a magnetometr. Tedy vše pohromadě pro aplikace kompletního měření polohy, navádění apod.

Společnost Analog Device (AD) vždy představovala špičku a inovátora v oblasti tzv. Inertial Sensors (senzory setrvačných sil), tedy senzorech přímo měřící lineární zrychlení, náklon, nárazy a vibrace (označované jako akcelerometry) a senzorech přímo měřící rychlost rotace (gyroskopy). Již je tomu mnoho let, kdy přišly na svět plně integrované MEMS verze těchto snímačů, o kterých jste si mohli již mnohokrát dočíst právě na stránkách serveru automatizace.HW.cz (například viz "MEMS akcelerometry všude kam se podíváš"). Tyto systémy můžete najít na stránkách Analog Devices také pod zkratkou IMU (integrated inertial measurement units).

Jenže vývoj pokračuje a Analog Device je opět dál. Tedy konkrétně již nabízí hned několik tzv. iSensors, což jsou inteligentní integrované MEMS senzory pro tzv. DoF měření. Mezi ně pak patří i dále zde přestavovaní nejnovější zástupci ADIS16400/ADIS16405.

Co je DoF ?

DoF je anglická zkratka výrazu „Degrese of Freedom Sensing“ (česky "měření stupně volnosti") a je to ve výrobním programu společnosti Analog Device výraz pro kombinované senzory umožňující kompletně měřit jakýkoliv pohyb. V praxi to znamená, že v jednom pouzdře je integrovaný jak plný 3D akcelerometr, tak 3D gyroskop. Lze tedy měřit jako lineární zrychlení všemi směry v jednotách zrychlení g (1 g = 9,6 m/s), vibrace, nárazy a náklony, tak i libovolnou rotaci jednotách počtu stupňů za sekundu (°/s) v celém 3D prostoru. Typickým použitím těchto kompletních senzorů jsou například aplikace:

Snímání pohybu vozidel a předmětů
Detekce manipulace s předměty / produkty
Stanovení polohy
Stabilizace antén
Navigační systémy
Robotika
Měřící lékařské přístroje
Zabezpečovací systémy
atd.

iSensor ADIS16400/ADIS16405 – krátký popis

Jak již bylo zmíněno výše, obvody ADIS16400/ADIS16405 v sobě realizují kompletní, přesto jednoduchý a cenově efektivní systém pro měření setrvačných sil (inertial systems) zahrnující integrovaný 3osý gyroskop, 3osý akcelerometr a také 3osý magnetometr. Zatímco akcelerometr slouží pro měření lineárního dynamické zrychlení (změn pohybu) či statického zrychlení (působení gravitace země) v rozsahu +/- 18 g a gyroskop je specializovaný pro měření rychlosti rotace až do +/- 300 ° za sekundu, magnetometr měřící směr a intenzitu magnetické pole lze při určování polohy využít jako digitální kompas. Součástí senzoru je pak i kompletní zpracování signálů a optimalizace dynamického výkonu realizované firmou patentované technologie iMEMS. Již od výroby má senzor kalibrovanou citlivost, zkreslení a linearitu. Každý senzor má vlastní dynamickou kompenzaci pro korekční vzorce, což ve výsledku senzoru poskytuje přesné měření v celém měřícím rozsahu dané veličiny i ve velkém rozpětí pracovní teploty -40°C až +85°C. Také integrovaný magnetometr v sobě obsahují samoopravné funkce, které také poskytují přesné odstranění zkreslení napříč celým měřícím i teplotním rozsahem.

Komunikace se senzorem probíhá prostřednictvím sériového rozhraní SPI, kde se naměřená data vyčítají z struktury registrů. Dalšími registry se provádí nastavení a řízení funkce senzorů, například nastavení měřícího rozsahu gyroskopu. Výhodou je kompatibilní uspořádání vývodů součástky s již dříve nabízenými senzory řady ADIS1635x a ADIS1636x. Provedení v podobě kompaktního modulu velikosti cca 23 x 23 x 23 mm s flexibilním připojovacím rozhraním umožňuje snadnou montáž, výměnu i upevnění s různou počáteční orientací.

Popis pouzdra a osy měření, resp. osy otáčení senzorů ADIS16400/ADIS16405

Praktické použití senzorů ADIS16400/ADIS16405

ADIS16400/ADIS16405 je plně autonomní senzorový systém, který začne provádět měření cca 220 ms po zapnutí napájení a pro spuštění měření není potřeba žádná inicializace či externí startovací příkaz. Základní tovární měřící frekvence je 819 vzorků za sekundu. Po každém vzorkovacím cyklu jsou data senzoru natažena do výstupních registrů, které lze již přečíst prostřednictvím SPI, a vygenerují se DIO1 pulsy poskytující fungující jako řídící signál „Data ready“ pro řízení rutiny přerušení. V typickém měřícím systému se předpokládá s použitím nadřazeného Master mikrokontroléru, který čte a zapisuje data do registrů senzoru.

Ačkoliv senzory ADIS16400/ADIS16405 produkují data nezávisle v komunikaci mají roli SPI slave jednotek, které komunikují prostřednictvím 16bitových segmentů. První segment přenáší řídící bit čtení / zápis (R/W) a adresu cílového registru, s jehož daty se má manipulovat. Druhý segment přenáší samotná data registru. SPI pracuje v plně duplexním režimu, což znamená, že nadřazený master mikrokontrolér může vyčítat výstupní data z DOUT pinu, zatímco využívá stejné časovací pulsy SCLK k vysílání další adresy do senzoru prostřednictvím pinu DIN.

Příklad připojení senzorů ADIS16400/ADIS16405 k nadřazenýmu mikrokontroléru (Master)

Základní parametry senzoru:

3osý digitální gyroskop
- rozsah: ±75 / ±150 / ±300 °/s (dle nastavení)
- chyba rozlišení jednotlivých os: <0,05°
- citlivost: 0.0125°/s na 1 bit při rozsahu +/- 75°/s
- nelinearita: 0,1% z rozsahu
3osý digitální akcelerometr
- rozsah: ±18 g
- citlivost: 3,33 mg na 1 bit
- nelinearita: 0,1% z rozsahu
3osý digitální magnetometr
- rozsah ±2,5 gaussů
- citlivost: 0,5 miligaussů na 1 bit
- nelinearita: 0,5% z rozsahu
Rozlišení: 12 bitů
Měřící frekvence: 0,4 až 819 vzorků za sekundu
Autonomní provoz a sběr dat (měření)
Zahájení měření: cca 220 ms po zapnutí napájení
Probuzení ze sleep režimu: 4 ms
Kalibrace: výrobcem
- pro teplotu 25°C (ADIS16400)
- pro rozsah - 40 až +85°C (ADIS16405)
Komunikace se senzorem: SPI rozhraní
Výstupy (definované nastavením registrů):
- 1x víceúčelový analogový vstup
- 1x víceúčelový analogový výstup
- 4x víceúčelový binární vstup/výstup
Vestavěný teplotní senzor pro kompenzaci vlivu teploty
Pracovní teplotní rozsah: -40°C až +105°C¨
Odolnost proti nárazu: 2000 g
Programovatelné nastavení:
- Automatické / manuální korekce odchylek měření
- Filtrace FIR filtrem (Bartlettovo okno)
- Přiřazení binárních vstupů/výstupů
- Alarmy pro monitorování stavů
- Sleep režim
- Výstupní napětí DAC
- Externí vzorkovací hodiny (až 1,2 kHz)
- Autotest
Napájecí napětí: 4,75 V až 5,25 V
Spotřeba: typ. 70 mA
Rozměry pouzdra: 23 x 23 x 23 mm

Závěrem...

Kombinované senzory ADIS16400/ADIS16405 nejsou zajímavé jen tím, že obsahují tzv. vše v jednom, ale i netypickým provedením pouzdra, které lze snadno připojit, namontovat či vyměnit. To je v dnešní záplavě téměř neviditelných miniaturních senzorů dobrá zpráva pro servisní techniky. Prostě ze všech stran jde o zajímavou součástku pro kompletní realizaci měření pohybu či určování polohy. Možná nevýhodou je jen jeden měřící rozsah u akcelerometru, který u samostatných 3D senzorů zrychlení též bývá přepínatelný. Nelze tak přesně měřit jen malé změny zrychlení, například v rámci jen 1 g. To si Analog Devices možná nechává na další roky. Pokud tedy potřebujete komplexní měření pohybu jsou senzory ADIS16400/ADIS16405 velmi zajímavou volbou. Pokud však chcete hlavně přesně měřit zrychlení například v případě vibrací, raději bych volil přímo jen pro tento účel specializovaný MEMS akcelerometr s vhodným rozsahem. Tato volba je též vhodná pro ty, co vyžadují opravdu miniaturní provedení pouzdra.

Poznámka: V nabídce jsou i různé vývojové kity, jako například výše uvedená deska s obvodem ADIS16405 poskytující USB rozhraní pro snadný vývoj, ukázky a testování aplikací z libovolného PC či notebooku.

Autor: Antonín Vojáček