St microelectronics 3 axis digital accelerometer solution что это

Акселерометры STMicroelectronics: определяя любое движение

Акселерометры STMicroelectronics – это диапазон измеряемых ускорений до ±400g, питание 1.7…3.6 В, сверхмалое энергопотребление, высокая точность и повторяемость результатов, задаваемые пользователем параметры измерения и режимы работы. В ассортименте также имеются интегральные модули, включающие в разных сочетаниях акселерометр, гироскоп, магнитометр и микроконтроллер.

Отслеживание движения и его параметров представляется интересной и, часто, комплексной задачей, в которой могут быть задействованы датчики самых разных типов. Развитие микроэлектромеханических систем (MEMS) позволяет получить компактные решения, доступные ранее или в вариантах с механическими системами, или в вариантах, требующих достаточно больших вычислительных ресурсов. В частности, к подобным системам можно отнести гироскопы, компасы, акселерометры и аналогичные приборы.

MEMS-гироскопы, компасы, акселерометры нашли применение в мобильных устройствах (в том числе, т.н. «носимых»), в автомобильной технике, в строительстве, промышленном и профессиональном оборудовании, бытовой технике.

Акселерометр, установленный на объекте, позволяет определять ускорение, с которым объект движется. При этом появление ускорения может быть также обусловлено внешними воздействиями на объект – изменением положения, ударами, встряхиваниями, любыми неоднородностями движения объекта или выводом его из состояния равновесия. Современные приборы способны определять ускорение по одной или нескольким осям. Разрешение приборов позволяет фиксировать даже весьма незначительные воздействия.

Сферы применения акселерометров разнообразны:

• спортивные снаряды, тренажеры и аксессуары:
  • системы защиты;
  • системы мониторинга движения и активности человека;
  • сигнализация опасного положения или вращения;
  • мониторинг повреждений на протяжении жизненного цикла прибора;
  • предупреждение актов вандализма;
  • отслеживание параметров движения и ориентации автомобиля;
  • системы помощи водителю: стабилизация при поворотах, торможении;
  • системы автомобильной безопасности;
  • отслеживание активности пользователя для определения момента перехода в режим экономии энергии;
  • определение положения прибора при отображении информации;
  • отслеживание фактов свободного падения;
  • пользовательский интерфейс: бытовые приборы, игровые приставки и консоли.

  Диапазоны ускорений, встречающихся в различных задачах, представлены в таблице 1.

  Таблица 1. Примеры ускорений

  Акселерометры STMicroelectronics

  MEMS-технологии являются одним из быстроразвивающихся направлений деятельности STMicroelectronics. Весь цикл – кремниевое производство, тестирование, корпусировка, калибровка – выполняется на собственных производственных мощностях, что положительно сказывается на качестве конечной продукции.

  MEMS-портфолио STMicroelecronics включает в себя интеллектуальные датчики физических величин и их сборки, датчики температуры, емкостные датчики и сенсорные панели [1].

  Акселерометры STMicroelectronics представлены аналоговыми и цифровыми приборами и охватывают диапазон измеряемых ускорений до ±400g с питанием 1.7…3.6 В. Акселерометры имеют целый ряд дополнительных опций, делающих их идеальными для систем с низким и ультранизким энергопотреблением. Среди них – режимы пониженного энергопотребления, режимы ожидания событий, автоматический переход в активный режим, наличие FIFO-буфера. Указанные опции снижают не только собственное потребление акселерометра, но и нагрузку на хост-контроллер, что также уменьшает общее потребление системы.

  В целом акселерометры STMicro­electronics обладают высокой точностью и повторяемостью результатов (рисунок 1: число испытаний – 2790, диапазон ускорений – до 250g, точность – до 98%, среднеквадратичное отклонение – 0.997).

  

  Рис. 1. Точность MEMS-акселерометров STMicroelectronics

  Компактные размеры акселерометров позволяют применять их в мобильных и носимых приборах, от мобильных телефонов и планшетов до часов, пульсометров, шагомеров и подобных им устройств. Размеры самого миниатюрного из акселерометров – 2х2х1 мм.

  В линейку акселерометров STMicro­electronics [2] входят серии, оптимизированные для автомобильных приложений (рисунок 2), например серия AIS32x с расширенным температурным диапазоном работы, отвечающая требованиям стандарта AEC-Q100.

  

  Рис. 2. Серии акселерометров STMicroelectronics

  Полное портфолио акселерометров можно найти на офицальном сайте STMicroelectronics. Но разработчику, прежде чем закладывать в свое изделие акселерометр, нужно учитывать, что не все изделия из линейки предназначены для массового рынка. По факту все акселерометры и остальные MEMS-дачтики делятся на две группы – рекомендованные и не рекомендованные для массового применения. Т.е. разработчик может использовать нерекомендованные датчики в своем изделии, но производитель не дает гарантии, что будет поддерживать их на рынке довольно долгое время. Это связано с тем, что датчики данной группы были разработаны с ориентацией на нескольких крупных заказчиков – Apple, Samsung, Nikon и т.д. В таблице 2 приведены акселерометры, которые ориентированы на массовый рынок, и производитель гарантирует их долгий срок жизни на рынке.

  Таблица 2. Акселерометры STMicroelectronics

  Наименование	Тип корпуса; размер, мм	Оси	Диапазон измерений, g	Выход	Напряжение питания, В	Потребляемый ток в активном режиме, мА
  AIS328DQ	QFN 24; 4x4x1.8	X, Y, Z	±2; ±4; ±8	Цифровой	2.4…3.6	0.25
  H3LIS331DL	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±100; ±200, ±400	Цифровой	2.16…3.6	0.3
  LIS2DH	LGA 14; 2x2x1.0	X, Y, Z	±2; ±4; ±8; ±16	Цифровой	1.71…3.6	0.011
  LIS2DH12	VFLGA; 2х2х1	X, Y, Z	±2; ±4; ±8; ±16	Цифровой	1.71…3.6	0.011
  LIS2DM	LGA 14; 2x2x1	X, Y, Z	±2; ±4; ±8; ±16	Цифровой	1.71…3.6	0.006
  LIS2HH12	VFLGA; 2х2х1	X, Y, Z	±2; ±4; ±8	Цифровой	1.71…3.6	0.005
  LIS302DL	LGA 14; 3x5x0.9	X, Y, Z	±2; ±8	Цифровой	2.16…3.6	0.3
  LIS331DL	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±2; ±8	Цифровой	2.16…3.6	0.3
  LIS331DLH	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±2; ±4; ±8	Цифровой	2.16…3.6	0.25
  LIS331DLM	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±2; ±4; ±8	Цифровой	2.16…3.6	0.25
  LIS331EB	LLGA 16L; 3х3х1.0	X, Y, Z	±2; ±4; ±6 ;±8; ±16	Цифровой	1.71…3.6	0.25
  LIS331HH	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±6; ±12; ±24	Цифровой	2.16…3.6	0.25
  LIS3DH	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±2; ±4; ±8; ±16	Цифровой	1.71…3.6	0.011
  LIS3DSH	LLGA 16; 3x3x1.0	X, Y, Z	±2; ±4; ±6; ±8; ±16	Цифровой	1.71…3.6	0.25

  В общем случае в состав акселерометра (рисунок 3) входит подвижная трехмерная структура, которую можно представить в виде набора конденсаторов переменной емкости, усилителя заряда, связанного с мультиплексором, подающим сигнал на вход усилителя, и демультиплексором, выдающим сигналы для сигма-дельта АЦП. После АЦП данные фильтруются и поступают в регистры хранения. Доступ к данным и управление настройками акселерометра осуществляются по I2C- или SPI-интерфейсу, отдельный блок управляет работой акселерометра и формированием прерываний.

  

  Рис. 3. Структурная схема трехосевого акселерометра

  LIS3DH [3] является высокопроизводительным трехосевым цифровым акселерометром с ультранизким энергопотреблением (рисунок 4). LIS3DH имеет два режима работы – нормальный, обеспечивающий высокую производительность, и режим пониженного потребления.

  

  Рис. 4. Структурная схема акселерометра LIS3DH

  Динамический диапазон измерений датчика может выбираться пользователем и лежит в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g. Частота следования отсчетов – 0.001…5 кГц. Встроенная функция самотестирования позволяет проверить функционирование датчика в конечном устройстве.

  Акселерометр может генерировать два независимых сигнала прерывания – срабатывание по преодолению порогового значения или по обнаружению свободного падения, а также по изменению положения устройства. Пороги и времена срабатывания прерываний могут быть заданы пользователем.

  На каждый канал измерений (ось) имеется собственный десятиразрядный FIFO-буфер на 32 значения.

  В качестве дополнительного бонуса LIS3DH имеет три внешних канала АЦП (10 бит) для отслеживания внешних сигналов.

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 2 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D/4D;
  • определение свободного падения;
  • определение начала движения;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры;
  • три дополнительных канала АЦП.

  LIS331HH [4] имеет аналогичные LIS3DH функциональные возможности в плане режимов работы и интерфейсов с внешними устройствами (рисунок 5). Акселерометр имеет встроенную функцию самотестирования, настраиваемый диапазон измеряемых значений – ±6g/±12g/±24g, частоту следования отсчетов 0.0005…1 кГц, две настраиваемые линии прерывания.

  

  Рис. 5. Структурная схема акселерометра LIS331HH

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • потребление в режиме LowPower – менее 10 мкА;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D;
  • перегрузки до 10000g.

  LIS3DSH – малопотребляющий высокопроизводительный трехосевой акселерометр со встроенным программируемым автоматом (машиной состояний) [5] (рисунок 6).

  

  Рис. 6. Структурная схема акселерометра LIS3DSH

  Диапазон измерений – ±2g/±4g/±6g/±8g/±16g, частота следования отсчетов измерений – 3.125 Гц…1.6 кГц. Акселерометр может быть настроен на распознавание определенных последовательностей событий и генерацию прерываний по их обнаружению. LIS3DSH имеет встроенный FIFO-буфер.

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 11 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры;
  • программируемый автомат;
  • три дополнительных канала АЦП.

  

  Рис. 7. Конечный автомат в LIS3DSH

  LIS3DSH имеет два встроенных программируемых конечных автомата, способных выполнять пользовательские программы. Программа состоит из набора инструкций, которые определяют переходы между состояниями автомата, возможны также условные переходы. Каждый из автоматов может иметь до 16 состояний. Из каждого состояния возможен переход или в начальное состояние (состояние после сброса) или в следующее. Переход выполняется по выполнению одного из двух условий «RESET condition» или «NEXT condition». Сигнал прерывания генерируется при достижении одного из состояний – output/stop/continue.

  Каждый из автоматов может быть запрограммирован на распознавание определенных жестов, свободного падения, определения положения – 6D/4D, подсчет пульса, шагов, распознавание двойного нажатия – т.н. «click/double click», перевороты. Инструкции и условия переходов загружаются хост-устройством в выделенную область памяти.

  Автоматы могут работать независимо друг от друга, возможны так называемые синхронные режимы работы, когда второй автомат используется для увеличения количества состояний первого (суммарно до 32 состояний) или как автомат-подпрограмма, исполняющаяся в одном или нескольких состояниях первого автомата (рисунок 8).

  

  Рис. 8. Совместная работа конечных автоматов в LIS3DSH

  FIFO-буфер имеет четыре режима работы:

  • напрямую (Bypass):
    • буфер FIFO в данном режиме не используется, он пуст
    • режим может быть использован для сброса FIFO из другого режима;
    • FIFO продолжает заполняться, пока не достигнет 32 значений, а затем останавливается;
    • для рестарта буфера необходимо перейти в режим Bypass;
    • FIFO работает как кольцевой буфер, старые данные замещаются новыми;
    • режим Bypass используется для остановки данного режима;
    • FIFO работает как кольцевой буфер, старые данные замещаются новыми;
    • возможно использование триггера (события на ножках INT1 и INT2).

    За исключением отсутствия функции самотестирования и диапазона измеряемых напряжений, акселерометр H3LIS331DL [6] аналогичен LIS331HH. В сравнении с LIS331HH, H3LIS331DL имеет гораздо более широкий динамический диапазон измеряемых ускорений – ±100g/±200g/±400g. По диапазону ускорений видна заявка на применение в спортивных тренажерах, аксессуарах, системах безопасности, автомобильной и спортивной индустрии, системах экстренного торможения.

    LIS2DH – трехосевой высокопроизводительный акселерометр с I2C-/SPI-интерфейсом, частотой следования отсчетов 0.001…5.3 кГц [7]. Диапазон измеряемых ускорений задается пользователем и может лежать в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g.

    • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
    • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
    • потребление в режиме LowPower – менее 2 мкА;
    • I2C-/SPI-интерфейс;
    • шестнадцатибитные выходные данные;
    • детектирование положения 6D/4D;
    • встроенный FIFO-буфер;
    • определение свободного падения;
    • определение начала движения;
    • перегрузки до 10000g;
    • встроенный датчик температуры.

    AIS328DQ – трехосевой акселерометр для автомобильных применений с I2C-/SPI-интерфейсом. AIS328DQ может быть настроен на генерацию прерываний по событиям или по изменению положения устройства. QFPN-корпус (4х4 мм) позволяет акселерометру функционировать в диапазоне температур -40…105°C [8]. Среди других особенностей акселерометра – следующие:

    • потребление в режиме LowPower – менее 10 мкА;
    • шестнадцатибитные выходные данные;
    • детектирование положения 6D;
    • перегрузки до 10000g.
    • два независимых конфигурируемых источника прерывания;
    • диапазон измерений: ±2g/±4g/±8g;
    • линии ввода-вывода, совместимые с логикой 1.8 В.

    Акселерометры в составе модулей INEMO

    Помимо выпуска отдельных изделий, компания STMicroelectronics интегрирует акселерометры в более сложные датчики – на одном кристалле с гироскопом, магинитометром и различными их комбинациями. Возможные варианты интеграции:

    • акселерометр + гироскоп (LSM330);
    • акселерометр + магнитометр (LSM303, LSM6D);
    • акселерометр + гироскоп + магнитомер (LSM9DS);
    • модуль акселерометр + гироскоп + магнитомер + микроконтроллер (INEMO-M1).

    Отладочные платы с акселерометрами

    Одной из отладочных плат для работы с MEMS-датчиками STMicroelectronics является STEVAL-MKI109V2, построенная на базе 32-битного микроконтроллера STM32F103RET6 [9]. Плата имеет USB-, JTAG-/SWD-интерфейсы, поддерживается режим DFU (Device Firmware Upgrade). Для подключения дочерних плат MEMS-датчиков предусмотрен разъем DIL24 (платы семейства MKI10xx). Более подробно с характеристиками отладочных плат с акселерометрами производства компании STMicroelectronics можно ознакомиться в таблице 3.

    Таблица 3. Отладочные и ознакомительные платы STMicroelectronics с акселерометрами

    Наименование	Описание
    STEVAL-MKI009V1	Плата с LIS3LV02DL для разъема DIL20
    STEVAL-MKI013V1	Плата с LIS302DL для разъема DIL24
    STEVAL-MKI015V1	Плата с LIS344ALH для разъема DIL24
    STEVAL-MKI031V1	Демонстрационная плата в миниатюрном корпусе с LCD-дисплеем
    STEVAL-MKI087V1	Плата с LIS331DL для разъема DIL24
    STEVAL-MKI089V1	Плата с LIS331DLH для разъема DIL24
    STEVAL-MKI105V1	Плата с LIS3DH для разъема DIL24
    STEVAL-MKI109V2	Материнская плата eMotion на базе STM32F103
    STEVAL-MKI110V1	Плата с AIS328DQ для разъема DIL24
    STEVAL-MKI134V1	Плата с LIS3DSH для разъема DIL24
    STEVAL-MKI135V1	Плата с LIS2DH для разъема DIL24

    Кроме указанных отладочных плат акселерометры присутствуют на платах STM32F4DISCOVERY.

    

    Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MKI109V2

    Для ряда акселерометров на сайте STMicroelectronics доступны исходные тексты драйверов для применения во встраиваемых системах, а также для ОС Linux (таблица 4).

    Таблица 4. Примеры драйверов для акселерометров STMicroelectronics

    Наименование	Описание
    STSW-MEMS004	Драйвер для LIS331DLH
    STSW-MEMS006	Драйвер для LIS3DH
    STSW-MEMS015	Драйвер для AIS328DQ
    STSW-MEMS021	LIS2DH Linux-драйвер
    STSW-MEMS022	LIS331DLH Linux-драйвер
    STSW-MEMS023	LIS3DH Linux-драйвер
    STSW-MEMS024	LIS3DSH Linux-драйвер

    Заключение

    Ассортимент акселерометров производства компании STMicroelectronics перекрывает практически весь спектр возможных применений проборов с функцией измерения ускорения – от мобильных телефонов и планшетов до автомобильных систем и спортивного инвентаря.

    В качестве ключевых достоинств можно отметить простой интерфейс с хост-системой, наличие нескольких рабочих режимов, конфигурируемые условия генерации сигналов прерываний.

    Целый ряд моделей имеет встроенные программируемые конечные автоматы, позволяющие определять условия распознавания сложных перемещений, например, жестов. Наличие FIFO-буферов в некоторых моделях позволяет снизить нагрузку на хост-контроллер и реализовывать более гибкие алгоритмы получения и обработки данных с датчиков.

    МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

    Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем.

    В настоящее время STMicroelectronics — мировой лидер в производстве МЭМС-акселерометров (см. табл. 1). Компания выпускает датчики на базе 200-мм кремниевых пластин, что обеспечивает более низкую себестоимость, по сравнению с конкурентами.

    Производитель

    Доход с продаж в 2006 г., млн долл.

    Доход с продаж в 2007 г., млн долл.

    Доход с продаж в 2008 г., млн долл.

    Прирост в 2007-2008 гг., %

    Доминирующий тип МЭМС-продукции

    Гироскопы и МЭМС-генераторы

    Микрозеркальные DLP-модуляторы для проекционных телевизоров задней проекции

    Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов.
    Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении МЭМС-устройств в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками.
    Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получить микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.
    Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в миниатюрном корпусе.
    Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т.д. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов и их интегральное исполнение совместно с обрабатывающей схемой позволяют значительно повысить точность измерений. Кроме того, повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики.
    Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении МЭМС, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Механические узлы МЭМС в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе МЭМС, амортизированном выводами и конструкцией ПП.
    Низкая стоимость. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в МЭМС-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем.

    – Игровые консоли.
    – Стабилизация изображения в фото- и видеокамерах.
    – Курсорные указатели для интеллектуальных интерфейсов пользователя.
    – Расширение GPS-решений (системы счисления пройденного пути).
    – Системы управления движением в робототехнике.
    – Стабилизация платформ промышленного оборудования.

    Датчики, выполненные по технологии МЭМС, изготавливаются с помощью тех же технологических приемов, что и интегральные микросхемы. Акселерометр и гироскоп ST состоит из двух ключевых элементов:
    – МЭМС-кремниевого микромеханического емкостного сенсора, чувствительного к ускорению или повороту;
    – схемы обработки сигнала, преобразующей выходные сигналы этого сенсора в аналоговые или цифровые сигналы.
    Для снижения стоимости, повышения надежности, помехозащищенности и плотности монтажа компания ST совмещает оба этих устройства в едином корпусе (см. рис. 1).

    Принцип работы сенсоров движения (акселерометров и гироскопов) основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение. Структура емкостного акселерометра состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Емкости включены в контур резонансного генератора. Под действием приложенных управляющих электрических сигналов подвешенная масса совершает колебания. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется. На рисунке 2 показана топология МЭМС-сенсора ST.

    В конструкции МЭМС-сенсоров для акселерометров и гироскопов используется камертонная система электродов. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям.
    С появлением угловой скорости сила Кориолиса прикладывается в противоположных направлениях. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения. При линейном ускорении векторы приложения сил для обеих масс действуют в одном направлении. При этом дифференциальная разность равна нулю. В МЭМС-сенсорах физическое перемещение массы подвижных электродов преобразуется в электрический сигнал за счет емкостного преобразования.

    Акселерометры ST, в зависимости от модели, способны измерять ускорение или вибрацию в одном или одновременно двух и трех направлениях. Значение смещения измеряется и в зависимости от типа выходного интерфейса преобразуется в аналоговый или цифровой выходной сигнал. На рисунках 3 и 4 приведены функциональные схемы и ключевые характеристики двух групп датчиков с аналоговым и цифровым выходом.

    В сводной таблице 2 приведены основные характеристики датчиков акселерометров

    Тип

    Число осей чувств.

    Интерфейс

    Чувствительность, В/g

    Диапазон измерения, g

    Тип корпуса, его размеры, мм

    Первая цифра в наименовании указывает число осей датчика (2 или 3). Далее следуют две цифры номера разработки. Первая буква в суффиксе означает тип выходного интерфейса (D — digital или A — analog).
    STAIS226DS, AIS326DQ — двух- и трехосевые акселерометры, предназначенные для автомобильной промышленности и имеющие рабочий диапазон температур –40…105°C. Полоса пропускания: 640 Гц. Имеется функция самотестирования.
    LIS202DL — ультракомпактный двухосевой акселерометр с низким потреблением энергии. У него имеются встроенные интеллектуальные функции, в т.ч. распознавание одинарного и двойного щелчка. Акселерометр можно запрограммировать на обнаружение простых пользовательских действий, например, связать функцию двойного щелчка с аппаратным прерыванием, благодаря чему звонок мобильного телефона приглушается в кармане одним движением. Пользователь может выбрать один из двух стандартных цифровых интерфейсов: SPI или I 2 C. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять функционирование датчика после подачи напряжения на плату.
    LIS244AL, LIS344AL — очень компактные двух- и трехосевые акселерометры для измерения небольших величин ускорения. Они объединяют в одном корпусе двухосевой МЭМС-датчик и интерфейсную микросхему, которая вырабатывает в реальном времени два независимых выходных аналоговых напряжения: одно для поперечного, другое — для продольного направлений. Акселерометры обладают очень низким уровнем шумов при минимальном потреблении энергии, что особенно важно для систем с батарейным питанием. Встроенные элементы самотестирования позволяют контролировать механическую и электрическую части устройства. Сенсоры предназначены для широкого спектра аппаратуры, критичной к размерам корпуса и потреблению энергии: пользовательские интерфейсы; охранные системы; дистанционное управление объектами; управление потреблением энергии с учетом движения, спортивные и медицинские приборы. Акселерометры LIS244ALH, LIS344ALH аналогичны сериям LIS244AL и LIS344AL, но имеют два диапазона измерений: ±2 или ±6g.
    LIS302DL — многофункциональный датчик ускорения для систем защиты жестких дисков, создания бесконтактных интерфейсов в современных мобильных телефонах и ноутбуках. Акселерометры выпускаются в пластмассовом корпусе с габаритами 3×5×0,9 мм, что значительно экономит место и минимизирует вес мобильных аппаратов. Отличительные черты этих приборов — низкое потребление энергии (1 мВт) и высокая устойчивость к вибрации и ударам с ускорением до 10000g. Для считывания данных выбирается один из двух доступных стандартных интерфейсов — SPI или I 2 C. Кроме того, имеются два независимых порта для вывода программируемых сигналов прерывания. Два отдельных сигнала прерывания могут формироваться при превышении величины свободного падения или порога, устанавливаемого пользователем. Оба сигнала используются для контроля превышения установленных пользователем порогов для любых значений в диапазоне измеряемых ускорений.
    На сегодняшний день трехосный цифровой МЭМС-акселерометр LIS302DLH, обеспечивающий высокую точность и стабильность с 16-разрядным преобразованием, является самым тонким в мире среди подобных устройств — толщина его корпуса составляет всего 0,75 мм, а площадь основания — 3×5 мм.
    Низкое напряжение питания и малое потребление делают его идеальным для использования в приборах с батарейным питанием. Микросхема в состоянии покоя и отсутствия изменений сигнала находится в режиме пониженного энергопотребления с автоматической активацией при обнаружении движения. Диапазон измерения входных сигналов: ±8 г. Измеряемый сигнал передается через последовательные интерфейсы I 2 C/SPI в формате, обеспечивающем непосредственное подключение к системному процессору без использования дополнительных компонентов. Датчик LIS302DLH полностью совместим c другими ранее разработанными трехосевыми акселераторами семейства Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE, обеспечивая тем самым высокий уровень масштабирования продукции (сохранение совместимости при расширении функциональных возможностей). Приложения на базе цифрового акселерометра LIS302DLH включают в себя функции обнаружения движения; тревожной сигнализации о смене ориентации в пространстве; обнаружения состояния свободного падения; мониторинга уровня вибрации.
    LIS3LV02DL — трехосевой цифровой линейный акселерометр c программируемым 12- или 16-разрядным представлением данных. Датчик поддерживает два цифровых интерфейса (SPI/I 2 C), имеет низкую мощность потребления и высокую разрешающую способность. При подаче напряжения питания сенсор производит процедуру самотестирования, что позволяет пользователю быть уверенным в исправности устройства. Датчик можно сконфигурировать на генерацию прерывания при обнаружении ускорения свободного падения. Имеется возможность программной установки порога значения ускорения, при превышении которого, по крайней мере в одной из трех осей, устройство выдаст сигнал прерывания. LIS3LV02DL доступен в пластмассовом корпусе LGA16. Рабочий диапазон температур составляет –40…85°C.
    LIS3LV02DQ — трехосевой акселерометр для измерения небольших значений ускорения со стандартными цифровыми интерфейсами SPI/I 2 C. В LIS3LV02DQ полосу пропускания можно гибко задать командой программного обеспечения, позволяя разработчикам эффективно менять условия измерения. Как и в предыдущем устройстве, в данном случае реализована возможность программной установки порога, при превышении которого устройство формирует прерывание. Эта информация помогает быстро понять, в каком направлении перемещается датчик, прежде чем будут произведены какие-либо вычисления.
    LIS331AL, LIS331DL — трехосевые, линейные, универсальные, экономичные МЭМС- акселерометры класса «нано». Высокофункциональные датчики с низким потреблением энергии обеспечивают очень высокую устойчивость к вибрациям и ударам с ускорениями до 10000g. Нанодатчики движения компании ST предназначены для приложений с небольшими ускорениями для бытовых и промышленных устройств, включая интерфейсы движения пользователя в мобильных и игровых устройствах, обнаружения свободного падения для защиты данных на жестком диске, обнаружения и компенсации вибрации в бытовой технике. Конструкция датчика включает в себя два стандартных цифровых интерфейса SPI и I 2 C. Пользователь может выбрать любой из них. Кроме того, имеются встроенные интеллектуальные функции, включающие распознавание одинарного и двойного щелчка, обнаружение выхода из состояния покоя и движения, фильтры верхних частот и две выделенных гибко программируемых линии прерывания. Датчик обеспечивает полную шкалу выходного сигнала ±2,0g, высокую температурную стабильность и большую устойчивость к смещению. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять датчик после установки на плату. LIS331DLF, LIS331DLM, LIS331DLH — 6-, 8- или 12-разрядные приборы с цифровым выходом, которые являются pin-to-pin- и программно-совместимыми.
    Основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, однако на их основе можно измерять наклон, движение объекта, определение положения в пространстве, силу ударов и вибрацию.

    Семейство гироскопов содержит трехосевые датчики (Yaw, Pitch и Roll). На рисунке 5 показаны направления и названия чувствительных осей датчика по отношению к плоскости корпуса.

    Базовым параметром гироскопов является чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению угла поворота.
    Параметр Zero-rate характеризует начальное смещение выходного сигнала при нулевом повороте датчика. Смещение связано с технологией изготовления и может измениться после монтажа микросхемы. Оно имеет слабую зависимость от температуры и должно учитываться при обработке и выделении полезного сигнала.

    – Напряжение питания: 2,7…3,6 В.
    – Расширенный температурный диапазон (–40…85°C).
    – 3 независимых аналоговых канала.
    – Диапазон полной шкалы: опции ±400 и ±1600 dps.
    – Высокая ударопрочность.
    – Встроенное самотестирование.
    Объединение акселерометра и гироскопа позволяет создавать интегрированные инерционные системы (Inertial Movement Units, IMU).

    ST производит также функционально ориентированный датчик FC30, который представляет собой датчик 3D-ориентации прибора в пространстве и предназначен для мобильных и портативных устройств, в частности, для использования в электронных фоторамках. Встроенный в портативный прибор датчик обеспечивает слежение за ориентацией плоскости экрана дисплея прибора по отношению к пользователю. При обнаружении поворота плоскости экрана вокруг оси производится и поворот изображения, для того чтобы обеспечить его нормальное положение по отношению к пользователю.
    Датчик также позволяет обнаруживать одиночные и двойные щелчки по экрану в процессе навигации в пользовательском графическом интерфейсе.

    Активное развитие мобильных устройств возвело акселерометры (датчики ускорения, перемещения и ориентации) в разряд базовых массовых компонентов современной продукции. К 2010 г. рост рынка МЭМС-акселерометров составит 14,1%, а с 2011 по 2012 гг. ожидается удвоение этого сегмента. Массовому использованию датчиков акселерометров способствовало их существенное удешевление — в 2008 г. цена МЭМС-чипа снизилась до 1 долл. и менее. В настоящее время 40% выпускаемых акселерометров находит свое применение в автомобильной промышленности, а в мобильных телефонах и другой потребительской электронике пока используется лишь 22% всего объема этих чипов. При этом доля такого применения будет увеличиваться. К 2013 г. рынок акселерометров вырастет до 1,7 млрд долл. Успех Apple iPhone способствовал росту продаж микроэлектромеханических систем. К концу текущего года 10% из всех поставленных мобильных устройств, а таких насчитывается 1,29 млрд, включали МЭМС-акселерометры. Выручка от продаж всех типов МЭМС для мобильных устройств к концу 2012 г. достигнет 1,3 млрд долл. Востребованы МЭМС-акселерометры и гироскопы у производителей игровых консолей. В ближайшие годы ожидается рост спроса на МЭМС-устройства для ПК.

    Что такое акселерометры и для чего они нужны

    

    Акселерометр — это прибор для измерения ускорения, который работает как датчик изменения положения устройства в пространстве. Акселерометр определяет направление, степень, скорость отклонения устройства и отвечает за разворот картинки на экране смартфона или включает экран фитнес-браслета при повороте запястья. Благодаря этому устройству гаджет распознает, сколько его хозяин прошел шагов или занимается ли он сейчас спортом.

    Акселерометры измеряют ускорение, что на практике означает изменение скорости или направления. Это могут быть удары и вибрации, резкое увеличение или уменьшение скорости, силы, которые могут указывать на слишком быстрый поворот.

    Существует множество типов акселерометров. Самыми простыми являются одноосевые, которые могут обнаруживать изменения скорости в одном измерении. Например, одноосевый акселерометр, установленный в локомотиве, может обнаруживать изменения скорости поезда. При этом акселерометры в телефоне или планшете измеряют скорости по трем осям направления. Таким образом, трехосевой акселерометр в смартфонах может предоставлять информацию о движении объекта в пространстве.

    

    Акселерометры присутствуют во всех современных смартфонах и «умных» гаджетах. Первый такой прибор появился в телефоне Nokia 5500, который вышел в 2006 году. Он выполнял роль шагомера в спортивном режиме. Однако акселерометры стали стандартом в iPhone. Начиная с модели iPhone 4, он используется вместе с гироскопом, где измеряется сопротивление силе поворота. Это обеспечивает большую точность измерений.

    Как работает акселерометр

    Датчик механического акселерометра содержит элемент инертной массы или грузик, который удерживается пружинами (от одной до трех, в зависимости от количества осей). Пружины фиксируются на неподвижной детали. Они измеряют движение элемента относительно устройства. Чем больше прогиб пружин, тем больше отклонение и, следовательно, тем выше регистрируемое ускорение. При этом скорость (например, при тренировке) высчитывается исходя из изменений этого ускорения во времени с учетом сил гравитации.

    Однако электронный акселерометр в смартфоне вместо инертной массы использует набор проводников, которые движутся под воздействием ускорения и изменяют напряженность поля вокруг себя. По этому показателю можно определить, в какую сторону сдвинулись проводники, а также — какое движение вызвало этот сдвиг.

    Акселерометр не способен точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а оценивает его примерно. В этом случае экран смартфона при повороте телефона может перевернуться не сразу. Однако установка акселерометра вместе с гироскопом, который определяет угол и скорость поворота устройства, решает эту проблему.

    

    Датчик акселерометра может перестать работать по многим причинам: падение устройства, сильные удары, попадание в корпус воды, а также неправильная конфигурация. В последнем случае его можно настроить самостоятельно с помощью специальных приложений. Эта опция доступна на Android-устройствах, а iOS-устройства следует перезагрузить.

    У современных моделей акселерометров погрешность измерений составляет 3–10%, а у более простых она близка к 30%. Так, если носить смартфон на шнурке на шее, то погрешность будет выше, а если положить в карман — ниже. При этом положение устройства в пространстве никакой роли не играет. Кроме того, точность измерений зависит от рельефа местности — чем ровнее поверхность, тем ближе показатели к реальным. Свою роль играет и температура — в сильную жару данные могут искажаться. Наконец, на подсчеты акселерометра влияет то, разговаривает ли человек по телефону во время ходьбы.

    Кстати, в условиях невесомости показания любого акселерометра будут равны нулю. Это связано с тем, что ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и равно гравитационному ускорению, а кажущегося ускорения, которое измеряет датчик, просто не существует.

    Именно поэтому в iPad, которые отправляли на МКС, отключали функцию автоповорота экранов.

    Для чего нужен акселерометр

    Акселерометры встраивают не только в мобильные устройства. Их применяют в целом ряде отраслей промышленности. Акселерометры наряду с гироскопами являются важнейшими компонентами систем навигации и управления самолетов, ракет и других летательных аппаратов, а также морского транспорта. Они помогают ориентироваться и рассчитывать координаты объектов благодаря их ускорению там, где нет внешних ориентиров. Кроме того, акселерометры задействуют для проверки систем устойчивости при воздействии вибрации в строительстве и на предприятиях.

    

    Также акселерометры встраивают в системы управления жестких дисков компьютеров, чтобы при падениях или ударах они активировали механизм защиты от повреждений. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.

    Акселерометрами оснащается вся современная бытовая техника, даже стиральные машины, утюги и тепловентиляторы. Например, в утюгах датчик при падении отключает питание, чтобы не допустить возникновения пожара.

    В устройствах управления игровых приставок акселерометры используются для управления в играх без использования кнопок с помощью контроллеров.

    Акселерометр в смартфоне

    В настройках смартфона акселерометр по умолчанию выключен. Обычно он обозначается как «Поворот экрана». Однако датчик обеспечивает не только автоматическую смену ориентации экрана при повороте. Он отвечает за реализацию целого ряда функций:

    отслеживание физической активности (подсчет шагов);

    определение положения владельца в пространстве с помощью навигационных приложений (Google Карты и так далее);

    реагирование на жесты для выполнения команд, например, отключения музыки (постукивание, встряхивание корпуса, его переворот экраном вниз);

    управление игровым процессом при помощи наклонов.

    

    Акселерометр в фитнес-браслете

    Акселерометр присутствует во всех фитнес-браслетах и «умных» часах. Он также обеспечивает работу нескольких функций:

    мониторинг сна (благодаря распознаванию движения руки);

    работу функции «Умный будильник» (будит владельца гаджета в фазе быстрого сна);

    включение экрана при вращении кисти руки.

    Акселерометр в планшете

    Датчик акселерометра фиксирует положение планшета в пространстве и включает поворот экрана. Кроме того, он:

    контролирует масштабирование страниц в браузере при наклоне корпуса;

    реагирует на встряхивания и удары (отмена действия, смена обоев и так далее);

    реагирует на сильные удары и активирует автопарковку головок жесткого диска, чтобы защитить его от повреждений.

    Акселерометр в видеорегистраторе

    Акселерометр применяется системах видеорегистраторов автомобилей для сбора данных. Эти системы могут включать в себя многоосевые акселерометры для измерения скорости, ускорения и замедления машины, а также гироскопы для определения вращения и ориентации.

    

    определить, насколько быстро ехал водитель и двигался ли он, если случилось столкновение;

    сохранить запись на карте памяти видеорегистратора при ударах и экстренно активировать ее при изменении поведения автомобиля;

    в сочетании с машинным зрением и искусственным интеллектом — обнаружить рискованное поведение, например, отсутствие торможения на знаке остановки.

    Акселерометр в наушниках

    Первая гарнитура с акселерометром была выпущена компанией Jawbone в 2011 году. С тех пор датчик стали встраивать в продвинутые модели наушников. Он позволяет:

    реагировать на движения (встряхивание, постукивание), чтобы отвечать на вызовы, переключать их и завершать;

    автоматически убавлять громкость звука, если пользователь снимает гарнитуру;

    активировать шумоподавление во время разговора, распознавая голосовые вибрации.

    В AirPods Max и Pro система пространственного аудио с акселерометром и гироскопом отслеживает движения головы и перемещения сопряженного устройства, чтобы положение звука всегда было привязано к экрану, даже если пользователь отвернулся.

    Акселерометр в медицине

    Акселерометры используются в различных медицинских устройствах. Их встраивают в носимые устройства, которые распознают падения и обычно используются пожилыми людьми. Датчик считывает изменение положения тела, а устройство автоматически отправляет сообщение в экстренные службы.

    

    Кроме того, акселерометры встраивают в системы распознавания положения медицинских датчиков на теле человека. Это требуется, чтобы устройства были установлены правильно и выдавали корректные показатели. Так, исследование 2014 года показало, что датчики захвата передвижений у больных рассеянным склерозом или остеоартритом лучше всего размещать на лодыжках, так как они точнее фиксируют действия.

    В последние годы для медицинского применения одобрили ряд устройств на основе акселерометров для имплантов, в том числе кардио- и нейростимуляторов, которые обеспечивают лучший мониторинг состояния пациентов.

    Кроме того, в перспективе акселерометры можно будет встраивать в «умную» ткань медизделий. Исследование с участием пациентов с варикозом, которые носят компрессионные чулки, показало, что акселерометры довольно точно предсказывают время износа изделий.

    Исследования показывают, что пока использовать обычные фитнес-браслеты с целью медицинского мониторинга довольно сложно. Хотя самые популярные показатели активности у потребительских и медицинских устройств практически совпадают, но более сложные данные выглядят неточными. Так, показатели шагометра часов Fitbit и специализированного устройства ActivPAL оказались схожи, но достоверность мониторинга ЭКГ в Apple Watch Series 4 вызвала вопросы. Однако исследователи предполагают, что в будущем фитнес-браслеты и умные часы станут частью общей экосистемы мониторинга пациентов в качестве автономных или «мультисенсорных» устройств.

    Новые датчики ускорения (акселерометры) компании STMicroelectronics

    Большинство интегральных акселерометров производится по технологии MEMS (микроэлектромеханических систем) и представляет собой датчики линейного ускорения. В этом качестве они используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Эти устройства находят широкое применение на транспорте, в медицине, промышленных системах измерения и управления, инерциальных системах навигации. Особенную долю рынка MEMS-акселерометров составляют компьютерные и коммуникационные устройства. Так, например, смартфоны компании Nokia построены на основе чипа компании STMicroelectronics модели LIS302DL.

    Сегодня на рынке MEMS-акселерометров доминирует большая тройка производителей: Analog Devices, Freescale и STMicroelectronics.

    Компания STMicroelectronics успешно развивает свою собственную технологию производства MEMS на базе поликристаллического кремния. Сенсорный элемент датчиков ST, способный детектировать ускорение, производится с использованием процесса, получившего название THELMA (Thick Epi-Poly Layer for Microactuators and Accelerometers), который позволяет создавать поверхностные микромеханические структуры, прикрепляемые к подложке в нескольких анкерных точках и способные перемещаться в плане структуры. Эквивалентная схема сенсорного элемента представляет собой полумост, разбаланс которого при ускорении измеряется посредством интеграции заряда чувствительного конденсатора, питаемого импульсами напряжения. Номинальное значение рабочей емкости — несколько пикофарад, под действием ускорения максимальные вариации емкостной нагрузки составляют до 100 пФ [1]. Основные этапы развития и особенности технологии MEMS THELMA STMicroelectronics подробно изложены в трудах специалистов компании [3].

    Акселерометры STMicroelectronics выпускаются в малоразмерных корпусах, в которые интегрированы сенсорный элемент и кристалл ASIC с аналоговым или цифровым интерфейсом SPI/I 2 C. Текущая линейка акселерометров STMicroelectronics, рекомендованных для новых проектов (табл. 1), постоянно пополняется новыми изделиями, отражающими потребности рынка. В таблице красным цветом выделены новинки 2008 г., которые далее мы рассмотрим подробнее.

    Обозна- чение	Статус	Корпус	Краткое описание	Напряжение питания (Vcc)			Резонансная частота		Чувстви- тельность	Пределы диапазона ускорения		Выходное напряжение 0G
    				мин.	тип.	макс.	тип.	мин.	ном.	макс.	мин.	ном.
    				В	В	В	Гц	Гц	В/g	g	g	В
    AIS226DS	План	SO16L	Инерциальный MEMS-датчик, 2 оси, акселерометр слабого ускорения с цифровым выходом для автомобильных применений	3	3,3	3,6	–	–	–	6	2	–
    AIS326DQ	Пр-во	QFPN 28 7×7×1,9	Инерциальный MEMS-датчик, 3 оси, акселерометр слабого ускорения с цифровым выходом для автомобильных применений	3	3,3	3,6	–	–	–	6	2	–
    LIS202DL	Пр-во	LGA 14L 3×5×1	MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 2 оси, акселерометр ускорения ±2/±8 g с цифровым смартвыходом	2,16	2,5	3,6	2000	–	–	8	2	–
    LIS244AL	Пр-во	LLGA 16L 4×4×1,5	MEMS датчик движения, 2 оси, акселерометр ускорения до ±2 g с аналоговым выходом	2,4	3	3,6	–	4000	0,42	–	2	1,5
    LIS244ALH	Пр-во	LLGA 16L 4×4×1,5	Прецизионный инерциальный MEMS-датчик, 2 оси, ультракомпактный линейный акселерометр ускорения до ±6 g	2,4	3,3	3,6	–	2000	0,66	6	2	–
    LIS302ALK	Анонс	LGA 14L 3×5×1	MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 3 оси, акселерометр ускорения до ±2 g с аналоговым выходом	3	3,3	3,6	–	2000	0,44	2	–	1,235
    LIS302DL	Пр-во	LGA 14L 3×5×1	MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 3 оси, акселерометр ускорения ±2/±8 g с цифровым смартвыходом	2,16	2,5	3,6	2000	–	–	8	2	–
    LIS302SG	Пр-во	LGA 14L 3×5×1	MEMS датчик движения, из семейства «пикколо», 3 оси, акселерометр ускорения до 2 g с аналоговым выходом	3	3,3	3,6	–	2000	0,478	–	2	1,65
    LIS331AL	Пр-во	LLGA 16L 3×3×1,0	Инерциальный MEMS-датчик из семейства «нано», 3 оси, акселерометр ускорения до ±2 g с аналоговым выходом	3	3,3	3,6	–	2000	0,478	–	2	1,65
    LIS331DL	Пр-во	LLGA 3×3×1,0 16L	MEMS датчик движения из семейства «нано», 3 оси, акселерометр ускорения ±2/±8 g с цифровым смартвыходом	2,16	2,5	3,6	2000	–	–	8	2	–
    LIS331DLF	Развитие, образцы	LLGA 16L 3×3×1,0	MEMS датчик движения со сверхмалым потреблением. 6-разрядный, 3-осный акселерометр с цифровым смартвыходом	–	–	–	–	–	–	–	–	–
    LIS331DLH	Пр-во	LLGA 16L 3×3×1,0	Прецизионный MEMS-датчик движения со сверхмалым потреблением, 3 оси, с цифровым смартвыходом	–	–	–	–	–	–	–	–	–
    LIS331DLM	Развитие, образцы	LLGA 16L 3×3×1,0	MEMS датчик движения со сверхмалым потреблением. 8-разрядный, 3-осный акселерометр с цифровым смартвыходом	–	–	–	–	–	–	–	–	–
    LIS344AL	Пр-во	LLGA 4×4×1,5 16L	Инерциальный MEMS-датчик, очень компактный 3-осный линейный акселерометр	2,7	3	3,3	–	2000	0,3	–	3,5	–
    LIS344ALH	Пр-во	LLGA 16L 4×4×1,5	Прецизионный инерциальный MEMS-датчик, очень компактный 3-осный линейный акселерометр ускорения ±2/±6 g	2,4	3,3	3,6	–	1800	0,66	6	2	–
    LIS3LV02DL	Пр-во	LGA 16L 4,4×7,5×1	Линейный 3-осный акселерометр ускорения ±2/±6 g с цифровым SPI/I 2 C интерфейсом	2,16	2,5	3,6	–	–	–	6	2	–
    LIS3LV02DQ	Пр-во	QFPN28 7×7×1,9	Линейный 3-осный акселерометр ускорения ±2/±6 g с цифровым SPI/I 2 C интерфейсом	2,16	2,5	3,6	–	–	–	6	2	–

    STMicroelectronics производит двух- и трехосевые линейные акселерометры двух видов — с аналоговым (рис. 1) и цифровым выходом (рис. 2).

    

    

    Особенности датчиков с аналоговым выходом:

    • аналоговый выход и дополнительный мультиплексированный выход;
    • 2 или 3 чувствительные оси;
    • устанавливаемый пользователем диапазон измерения: ±2,0 или ±6,0 g;
    • энергосберегающий режим: <10 мкА;
    • разрешающая способность выше 0,5 мg;
    • низкий ток потребления: <1 мА;
    • встроенная схема самотестирования;
    • широкий диапазон температур: –40…85 °C;
    • заводская калибровка параметров;
    • высокая стрессоустойчивость: до 10 000 g;
    • высокие температурная стабильность и срок службы;
    • стандартные и сверхминиатюрные корпуса.

    Особенности датчиков с цифровым выходом:

    • I 2 C/SPI-интерфейсы;
    • программируемый пользователем диапазон измерения и скорость передачи данных;
    • разрешающая способность лучше 1,0 мg (12-битный АЦП);
    • возможность выхода из спящего режима при заданном пользователем пороговом ускорении;
    • широкий диапазон температур: –40…85 °C;
    • заводская калибровка параметров;
    • высокая стрессоустойчивость: до 10 000 g;
    • высокие температурная стабильность и срок службы;
    • сверхминиатюрные корпуса.

    В апреле 2008 года номенклатура датчиков STMicroelectronics пополнилась двумя новыми акселерометрами с программируемым диапазоном измерений ±2/ ±6 g в корпусах типа LGA размером 4×4×1,5 мм, для приложений, где требуются малые размеры и высокое качество.

    Двухосевой LIS244ALH и трехосевой LIS344ALH акселерометры функционируют в режиме малого потребления, предлагают высокую точность и разрешение, что особенно важно при батарейном питании. Аналоговые выходы обеспечивают прямые измерения внешних воздействий, что позволяет разработчикам оптимизировать внешнюю фильтрацию и аналогово-цифровое преобразование. Выход микросхем имеет заводскую калибровку по чувствительности, но в то же время допускается окончательная калибровка в составе изготавливаемого прибора. Устройства имеют встроенную функцию самотестирования, которая проверяет функционирование самих датчиков, а также встроенный интерфейс, гарантирующий заявляемые параметры.

    Оба устройства обеспечивают решения для обнаружения движения в приложениях, требующих минимальных размеров. Это могут быть сотовые телефоны, переносные аудиои видеопроигрыватели, цифровые фото- или видеокамеры, персональные навигационные устройства. В подобных приборах возможно использование режимов, включающих определение свободного падения, интеллектуальный интерфейс пользователя и управление питанием, основанное на анализе движения, которое могло бы перевести прибор в спящий режим, в зависимости от его ориентации на поверхности. Дополнительные приложения могут включать в себя интерактивные игровые терминалы, противоугонные системы, спортивное оборудование и устройства из области медицинского оборудования. Широкий спектр диапазона рабочей температуры от −40 до +85 °С совместно с устойчивостью против удара при ускорении до 10 000 g гарантирует надежное функционирование датчиков при различных условиях использования.

    В конце 2007 года компания STMicroelectronics, являющаяся одним из лидеров в производстве MEMS-устройств, анонсировала новое поколение «нано» трехосных линейных акселерометров LIS331xx. Эти универсальные, экономичные во всех отношениях, в том числе и по энергопотреблению, MEMSдатчики предлагают высокую гибкость и интеллектуальные встроенные свойства. Они полностью удовлетворяют растущие запросы на компактные устройства с детектированием перемещений для применения на потребительском и промышленном рынке.

    Новые трехосевые датчики движения от ST — полностью собственная разработка STMicroelectronics. Они размещаются в пластиковом миниатюрном корпусе размером 3×3×0,9 мм, что позволяет решить задачи по уменьшению веса и габаритов в портативной электронике. Акселерометры LIS331хх имеют оптимальные характеристики при малом потреблении. Их сверхкомпактная и надежная конструкция устойчива к вибрациям и ударам до 10 000 g.

    Датчики ускорений семейства «нано» компании STMicroelectronics подходят для широкого спектра приложений с малыми величинами ускорения в потребительской и промышленной электронике, включая пользовательский интерфейс на базе движений, игровые устройства, детекторы падения для защиты накопителей на жестких магнитных дисках, устройства мониторинга вибраций и их компенсации в бытовой электронике.

    Акселерометр LIS331AL выполнен по схеме датчика с аналоговым выходом (рис. 1). Микросхема обеспечивает измерение индивидуальных значений ускорения для всех 3 осей. Датчик предлагает полномасштабный выходной диапазон ускорения от ±2,0 g при высокой температурной стабильности. Он имеет встроенную возможность самотестирования, которая позволяет пользователю проверить функционирование устройства после монтажа на печатную плату. Отметим, что направление координатных осей у акселерометров ST может различаться. Примеры значений выходных напряжений акселерометра LIS331AL, в зависимости от его ориентации в пространстве, показаны на рис. 3.

    

    Акселерометр LIS331DL, функциональная схема которого изображена на рис. 2, имеет стандартный цифровой интерфейс SPI/I 2 C и интеллектуальные встроенные функции, включая распознавание двойного и одиночного «клика», функции автозапуска и детектирования движения. Есть также ВЧ-фильтры и две выделенных программируемых линии прерываний.

    Акселерометр LIS331DL имеет выбираемую пользователем полную шкалу величины ускорения ±2 и ±8 g и способен измерять ускорение со скоростью передачи выходных данных 100 или 400 Гц.

    Особенность устройства — наличие двух независимых, программируемых сверху-вниз источников прерывания, каждый их которых может быть сконфигурирован для генерации инерциального сигнала прерывания автозапуска при превышении программируемого порога ускорения по одной из трех осей в случае обнаружения свободного падения, щелчка («клика») или двойного «клика». Для этих целей предназначены два независимых выходных штырька, которые обеспечивают сигналы прерывания на связанные с акселерометром устройства.

    Распознавание «клика» и двойного «клика» позволяет производителям связать простые движения с командами пользователя, например, включение/выключение устройства, открытие документа, перемещение по пунктам меню в приложениях, отключение звука звонящего мобильного телефона, при этом можно не доставать его из кармана.

    Конфигурируемые ВЧ-фильтры могут быть включены для реализации функций, активируемых движением, и мониторинга вибрации независимо от положения устройства в момент измерения.

    Два раздельных программируемых источника прерывания дают возможность немедленно реагировать на движение, а значит, производители получают больше свободы и гибкости в своих разработках и приложениях.

    В ноябре 2008 г. компания STMicroelectronics расширила семейство акселерометров «нано», приступив к производству новых трех устройств — LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF. Это прецизионные трехосевые линейные акселерометры с цифровым выходом. Новые крошечные чипы размером 3×3×1 мм отличаются способностью масштабирования, встроенными интеллектуальными возможностями и малым потреблением тока. Новые MEMS-акселерометры ST нацелены на широкий ряд приложений с малым ускорением, включая пользовательский интерфейс перемещения или шагомер в сотовых телефонах, игровые устройства, пульты дистанционного управления или портативные мультимедиа-проигрыватели, а также обнаружение свободного падения для защиты целостности данных приводов жестких дисков и мониторинга вибрации. Все три устройства — LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF — интегрируют на кристалле ряд встроенных интеллектуальных особенностей, включая режим пониженного потребления, функцию автозапуска, движение свободного падения и обнаружение 6D-ориентации, а также имеют стандартный цифровой интерфейс SPI/I 2 C. Комплект новых датчиков обеспечивает полную масштабируемость разрешающей способности. Разработчики могут выбрать 6-, 8- или 12-разрядное устройство. Микросхемы совместимы по выводам, параметрам перемещения, а также программно, что позволяет использовать их многократно для различных проектов без необходимости замены платы и программных драйверов. Акселерометры могут быть запрограммированы для работы в спящем режиме с автозапуском, при котором устройство поддерживает цепь считывания активности, потребляя менее чем 10 мкА, и автоматически пробуждается при наступлении события. В устройствах имеется конфигурируемый фильтр верхних частот, который может быть использован для допуска функций активации движения и мониторинга вибрации, независимо от того, в каком положении находится прибор в момент измерения. Два отдельных программируемых сверху-вниз сигнала прерывания допускают немедленное уведомление о свободном падении, перемещении или событии 6D, что обеспечивает разработчикам достаточно свободы и гибкости при конструировании прикладных приложений. Новые акселерометры ST имеют большую производительность при малом потреблении мощности, а их миниатюрная устойчивая конструкция обеспечивает очень высокий иммунитет относительно вибрации и ударов при ускорении до 10 000 g. Наличие встроенной функции самоконтроля позволяет потребителю проверять функционирование датчика после размещения его на плате. Образцы акселерометров LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF уже доступны, а их полномасштабное производство планируется на начало 2009 года.

    К общим основным особенностям данных акселерометров относятся:

    • широкий диапазон питающего напряжения: от 2,16 до 3,6 В;
    • совместимость входов/выходов с пониженным напряжением 1,8 В;
    • несколько режимов понижения потребления тока: от 250 мкА в нормальном режиме работы и до 1–10 мкА в спящем режиме работы;
    • динамично выбираемый пользователем диапазон ускорения ±2/±4/±8 g;
    • цифровой выходной интерфейс I 2 C/SPI;
    • два независимых программируемых прерывания, генерируемых для обнаружения свободного падения и движения;
    • функция автозапуска из спящего режима;
    • обнаружение ориентации 6D;
    • встроенная функция самотестирования;
    • высокая живучесть при шоковом ускорении до 10 000 g.

    Выявленные основные отличия между этими тремя микросхемами [8–10] сведены в таблицу 2.

    LIS331DLF	LIS331DLM	LIS331DLН
    Дискретность (бит)	6	8	16
    Чувствительность	16/8/4 LSB/g	от 64/32/16 LSB/g	от 4,3 до 0,9 мg/разряд при 12-бит
    Разрешение по ускорению (мg)	62,5	16
    Скорость передачи выходных данных	50/100/400 Гц и от 10 до 0,5 Гц в режиме пониженного потребления	50/100/400 Гц и от 10 до 0,5 Гц в режиме пониженного потребления	50–1000 Гц и 10–0,5 Гц в режиме пониженного потребления
    Интенсивность шумов ускорения (мg/√Гц)	218

    Микросхемы управляются непосредственно микроконтроллером. Из навесных компонентов рекомендуется задействовать только одну емкость на 10 мкФ и одну емкость 100 нФ.

    Традиционно акселерометры STMicroelectronics предназначались для использования в жестких дисках компьютеров и других потребительских и индустриальных приложениях. Поэтому до последнего времени все акселерометры ST специфицировались для индустриального диапазона рабочих температур от –40 до +85 °С. В этом году, откликаясь на потребности рынка компонентов для автоэлектроники, компания приступила к производству специализированных акселерометров с расширенным рабочим диапазоном температур от –40 до +105 °С. Кроме того, учитывая специфику этого рынка, первое такое устройство — AIS326DQ — упаковано в квадратный корпус QFPN-28, а второе устройство — AIS326DS — в корпус с планарными выводами SO16W.

    AIS326DQ и AIS326DS — это трехосевые акселерометры с цифровым выходом, которые построены на принципе и схемотехнике цифрового датчика (рис. 2), уже рассмотренного нами.

    Микросхема AIS326DQ имеет выбираемую пользователем полную шкалу ускорений ±2 или ±6 g и способна измерять ускорение при системной полосе пропускания свыше 640 Гц для всех осей. Полосу пропускания устройства можно выбирать в зависимости от требований, установленных для приложения. При этом выходная скорость данных может быть 40/160/640 или 2560 Гц. Чувствительность устройства находится в диапазоне от 316 до 1096 величины LSb/g, где 1 LSb = 1 g/1024 при дискретности 12 бит и полной шкале 2 g [11].

    Разрешение по ускорению при шкале ±2 g составляет от 1 до 15,5 mg в зависимости от частоты выходных данных. Гарантируемая устройством нелинейность при шкале ±2 g и скорости выходных данных 40 Гц — не более ±2% по осям X, Y и не более ±3% по оси Z.

    Встроенная возможность самоконтроля позволяет проверять функционирование системы после установки его на плате.

    Акселерометр AIS326DQ рекомендуется ST для применения в следующих автомобильных приложениях:

    • противоугонные системы и инерциальная навигация;
    • функции активации движением;
    • мониторинг вибрации и уравновешивания;
    • измерение углов наклона;
    • «черные ящики», регистраторы событий и др.

    В противоугонных системах трехосевой акселерометр используется в качестве инклинометра, который чувствует наклон автомобиля или мотоцикла относительно земли. Если для захвата транспортного средства применяется другая машина, то акселерометр обнаруживает изменение наклона и активизирует систему обеспечения безопасности. Акселерометр может также использоваться для обнаружения попытки снятия колеса. В сложных противоугонных системах акселерометр может немедленно после вскрытия автомобиля инициировать работу видеокамеры, и преступник будет зафиксирован на пленке.

    От сигнала акселерометра в автомобиле может быть идентифицирована любая неблагоприятная случайность. При этом двери могут быть разблокированы, что поможет спасателям проникнуть в автомобиль и сохранить жизнь пассажиров.

    В регистраторах аварийного отказа акселерометр обнаруживает наличие столкновения, и все необходимые данные могут быть сохранены в системе для более позднего анализа. Инерционные данные могут быть выбраны и сохранены в системной памяти для последующего анализа аварии с целью определения ее причин.

    В автомобильной навигации инерционные датчики по технологии MEMS могут дополнять систему GPS при потере сигнала. Система счисления пути продолжает прослеживать движение в промежутки времени, когда спутниковые сигналы не принимаются или в случае, если они недостаточно точны.

    Многие интеллектуальные компоненты компании STMicroelectronics, в том числе и акселерометры, поддерживаются собственными средствами разработки и оценки, которые позволяют разработчикам быстро оценивать возможности компонентов и развивать свои проекты.

    Отладочные комплекты для акселерометров допускают получение через аналоговый или цифровой интерфейс данных о параметрах ускорения, ощущаемого акселерометром, и их анализ, который поддерживает специализированное программное обеспечение для цифровых решений. На рис. 4 представлен внешний вид отладочной платы EK3L из комплекта STEVAL-MKI004V1 для акселерометра LIS3LV02DQ c цифровым выходом.

    

    Для датчиков с аналоговым выходом считываемые акселерометром данные преобразуются емкостным усилителем с низким уровнем шумов в аналоговое напряжение, а для цифровых датчиков измеренные устройством сигналы считываются установленным на плате 8-разрядным микроконтроллером (ST72F651 на рис. 2) и пересылаются на компьютер через USB-интерфейс для дальнейшей обработки.

    В заключение отметим, что наряду с новыми акселерометрами в 2008 г. компания STMicroelectronics начала производство и других новых продуктов по технологии MEMS, а именно гироскопов и функциональных микросхем. Пока в производстве — по одному прибору каждого типа. Это микросхема LY530AL — MEMS инерциальный одноосный датчик угловой скорости (гироскоп) с аналоговым и цифровым выходами и MEMS функциональный датчик FC30 с 3D-смарториентацией (6 позиций) и обнаружением внешнего щелчка по устройству.

    Возвращаясь к областям возможного применения датчиков движения, можно с уверенностью утверждать, что, как и акселерометры, новые разновидности датчиков компании STMicroelectronics будут востребованы на рынке.

    Похожие публикации:

    1. Как освещение влияет на освещаемое пространство в гостинице
    2. Как отключить иммобилайзер на кнопке старт стоп китай
    3. Как открыть пульт от телевизора lg чтобы поменять батарейку
    4. Как отремонтировать барабан стиральной машины автомат своими руками