Инерциальные приборы и МЭМС микросхемы компании Analog Devices для систем автоматики, навигации и автомобильной электроники. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2015

Юрий Петропавловский

Часть 1

В настоящее время МЭМС продукты компании представлены семейством iSENSOR (интеллектуальные датчики) в следующих категориях:

• акселерометры серии ADXLxxx,
• гироскопы серии ADXRSxxx,
• подсистемы акселерометров серии ADIS16xx,
• подсистемы гироскопов серии ADIS16xx,
• инерциальные измерительные модули серии ADIS16xxx.

Приборы семейства iSENSOR характеризуются высокой степенью интеграции, программным выбором режимов и параметров, низким энергопотреблением и высокой надежностью. Рассмотрим особенности некоторых современных МЭМС продуктов перечисленных категорий компании, разработанных в последние годы.

Рисунок 7.	Плата ADXL363Z.

• ADXL363 (разработка 2013 г.) – 3-осевой акселерометр с интегрированным датчиком температуры, выполненный в миниатюрном корпусе с размерами 3 × 3.25 × 1.06 мм. Внешний вид отладочной платы ADXL363Z показан на Рисунке 7. Диапазон измерений прибора может иметь три программно устанавливаемых значения – ±2/4/8 g, разрешение достигает 1 мg/LSB. При работе акселерометра не происходит спектрального наложения сигналов, характерного для акселерометров, работающих с периодическим отключением питания. В микросхему также интегрирован датчик температуры с масштабным коэффициентом (разрешением) 0.065 °С/LSB. Данные об ускорении и температуре могут сохраняться в буферной памяти (FIFO) на 512 отсчетов, что позволяет хранить выборки длительностью до 13 секунд. Структура микросхемы приведена на Рисунке 8.

Рисунок 8.	Структура микросхемы ADXL363.

Микросхема обеспечивает синхронную выборку сигналов всех датчиков с частотой до 400 Гц с возможностью синхронизации внешним аналоговым сигналом на выводе ADC IN. Прибор отличается очень низким токопотреблением – 1.95 мкА при частоте данных 100 Гц и напряжении питания 2 В, 270 нА в режиме пробуждения, 10 нА в дежурном режиме. Основные области применения микросхемы: домашние медицинские и спортивные приборы, системы сбора данных с беспроводными датчиками, устройства, реагирующие на движение, а также множество других приложений для мониторинга и отслеживания движения и вибраций механизмов. Некоторые примеры применения акселерометров ADI в спортивных приборах и других приложениях приведены в [6].

Рисунок 9.	Беспилотный летательный аппарат.

• ADXRS290 (2014 г.) – первый интегральный двухосевой МЭМС гироскоп компании, обеспечивающий измерение угловой скорости, крена и тангажа (Pitch and Roll Gyro), выполненный в корпусе размером 4.5 × 5.8 × 1.2 мм. Ранее выпущенные гироскопы компании были в основном одноосевыми с чувствительностью по оси рыскания (Yaw Gyro) при горизонтальном положении корпуса. Новые микросхемы предназначены для применения в высококачественных системах стабилизации платформ, в том числе, в двухколесных транспортных средствах, видеокамерах беспилотных летательных аппаратов (Рисунок 9), домашних роботах (Рисунок 10), антенных системах на транспортных средствах (Рисунок 11), системах оптической стабилизации изображения видеокамер, системах позиционирования проекторов, навигаторах и множестве других приложений.

Рисунок 10.	Домашний робот.

Рисунок 11.	Антенная система на транспортном средстве.

Микросхема (Рисунок 12) обеспечивает измерение угловых скоростей в диапазонах ±100 °/с и ±1200 °/с в плоскостях крена и тангажа при горизонтальном расположении корпуса с чувствительностью 200 LSB/°/с. Прибор характеризуется очень низким уровнем шума (0.004 °/с/√Гц), высоким подавлением вибраций в широком диапазоне частот и выдерживает удары до 2000 g. В микросхему интегрированы 16-разрядный АЦП с чувствительностью 0.005 °/с/LSB и программируемые цифровые фильтры высших и низших частот. Структура микросхемы приведена на Рисунке 13. В экономном режиме ток потребления микросхемы не превышает 80 мкА (при напряжении питания 2.7-5.25 В), а время запуска – не более 50 мс.

Рисунок 12.	Микросхема ADXRS290.

Рисунок 13.	Структура микросхемы ADXRS290.

• ADIS16210 (2011-2015 гг.) – прецизионная цифровая подсистема акселерометров для измерения угловых отклонений и ускорений, обеспечивающая точные измерения по углам крена и тангажа в диапазоне ±180° и по оси гравитации в диапазоне ±90°. Внешний вид прибора, имеющего габариты 15 × 24 × 15 мм, показан на Рисунке 14, структура – на Рисунке 15. В подсистему кроме МЭМС датчиков ускорения интегрированы датчик температуры, схемы обработки сигналов, цифровые фильтры, набор адресуемых пользователями регистров для программирования и сбора данных, а также совместимый с SPI последовательный интерфейс. При производстве каждый модуль проходит калибровку для обеспечения требуемой точности измерений. Пользователи имеют возможность управления внутрисхемной калибровкой, частотой дискретизации, настройками фильтрации, сигналами тревоги, конфигурацией и энергопотреблением. Для работы прибора не требуется внешняя синхронизация. Основные области применения подсистемы: измерение отклонений с высокой точностью (погрешность ±0.1°), нивелирование, измерение параметров движения, стабилизация и выравнивание платформ, охранные, навигационные и медицинские системы.

Рисунок 14.	Подсистема акселерометров ADIS16210.

Рисунок 15.	Структура подсистемы акселерометров ADIS16210.

• ADIS16137 (2013 г.) – прецизионная цифровая подсистема измерения угловой скорости в диапазоне ±1000 °/с, обеспечивающая точные показания без пользовательского конфигурирования. Подсистема предназначена для прецизионных систем в таких областях как навигация транспортных средств, измерение направления при бурении скважин, робототехника, управление платформами навигации медицинской измерительной техники и ряд других областей. Чувствительность и смещение подсистемы калибруются в заводских условиях в диапазоне температур –40 °С …+85 °С. Такая калибровка обеспечивает каждый выпущенный прибор собственными уникальными формулами коррекции, что обеспечивает заданную точность измерений после установки приборов в системы и во многих случаях исключает необходимость процедур системной калибровки. Подсистема характеризуется высокой стабильностью смещения в установившемся состоянии (2.8 °/час), временем запуска 245 мс, временем восстановления 2.5 мс и широкой полосой частот (до 400 Гц). Конструктивно прибор выполнен в металлическом корпусе размером 36 × 44 × 44 мм с креплениями под винты М2 (Рисунок 16).

Рисунок 16.	Подсистема гироскопов ADIS16137.

Наиболее сложными и совершенными МЭМС продуктами компании являются инерциальные измерительные модули (IMU – Inertial Measurement Unit), основанные на многоосевых комбинациях высокостабильных гироскопов, акселерометров, магнитометров, датчиков давления и температуры. Одним из первых IMU компании, выпущенным в 2008 году, был ADIS16300 (Рисунок 17). В прибор интегрированы трехосевой акселерометр, одноосевой гироскоп и датчик температуры. Измерительный модуль ADIS16405 (2009 г.) содержит трехосевые акселерометр, гироскоп и магнитометр, а также датчик температуры. В модуль ADIS16480 (2012 г.) добавлен еще и датчик давления (всего 10 степеней свободы).

Рисунок 17.	Измерительный модуль ADIS16300.

Одним из последних IMU является прибор ADIS16488A (2014 г.), также с десятью степенями свободы. Помимо уже описанных приложений IMU, данный прибор нашел применение при реализации технологии полетной фотограмметрии SPAN компании NovAtel. Технология SPAN (Synchronized Position Attitude Navigation) – синхронизированное позиционирование, пространственная ориентация и навигация объединяет спутниковую (GNSS) и инерциальную (INS) технологии позиционирования. Такое сочетание позволяет обеспечить непрерывное высокоточное определение координат и элементов пространственной ориентации объектов.

Отличительной особенностью SPAN является возможность получения точных координат объектов даже в условиях неблагоприятных для глобальных навигационных спутниковых систем. В течение коротких периодов, когда ГНСС сигналы недоступны или отслеживается меньше четырех спутников, технология SPAN продолжает обеспечивать непрерывный вывод точных данных. Таким образом обеспечивается высокая надежность комплекса позиционирования независимо от окружающей среды.

Рисунок 18.	БПЛА в полете и наземный пункт управления.

Основным преимуществом коммерческих IMU Analog Devices является то обстоятельство, что они не подлежат экспортному контролю со стороны регулятора США ITAR (International Traffic in Arms Regulations’) и могут устанавливаться на гражданские воздушные суда и беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

Рисунок 19.	Основные компоненты БПЛА.

Интересный проект «Прецизионная система для определения положения и координат объектов с помощью легких беспилотных летательных аппаратов» с применением IMU компании Analog Devices был реализован группой сотрудников Университета г. Ростока (Германия) под руководством Кристиана Элинга (Christian Eling). Система предназначена для геодезической и картографической съемки, создания ортофотопланов и цифровых моделей местности. На Рисунке 18 показаны БПЛА системы и наземный пункт управления. Основные компоненты аппарата можно увидеть на Рисунке 19. Системные требования, реализованные в проекте: точность определения положения объектов менее 5 см/°, работа в реальном времени с частотой выборок данных 10 Гц, высокая прочность и надежность аппаратуры. Внешний вид электронного блока показан на Рисунке 20.

Рисунок 20.	Электронный блок БПЛА.

В состав системы входят следующие основные компоненты:

• OEM 615 – 120-канальный двухчастотный приемный модуль GNSS компании Novatel
• Инерциальный измерительный модуль ADIS16488 компании Analog Devices;
• 3G+C – многодиапазонная GNSS антенна компании navXperience;
• LEA6T – 50-канальный одночастотный GPS приемный модуль компании Ublox;
• ANN-MS – однодиапозонная GPS антенна;
• sbRIO-9606 – блок управления с 400 МГц микропроцессором, ПЛИС и 256 МБ ОЗУ компании National Instruments;
• XBee-Pro 868 – ВЧ модуль дальнего действия с выходной мощностью передатчика 500 мВт компании XBee.

Для работы системы было разработано программное обеспечение RTK-GPS (RTK – real-time kinematic) для управления траекторией полета БПЛА с помощью GPS в реальном времени и ПО для определения координат объектов (The Attitude Determination Software) [7].

Литература

1.  Юрий Петропавловский, «Современные МЭМС-продукты компании Analog Devices», Современная электроника, 2015, №6, 7.
2.  nnp.ucsd.edu/phy120b/application_notes/an715_Tilt_Sensor.pdf
3.  geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot
4.  hackedgadgets.com/2007/03/12/5-cool-self-balancing-skateboards/comment-page-1
5. www.evilmadscientist.com/2007/using-an-adxl330-accelerometer-with-an-avr-microcontroller
6.  «Особенности и применение современных МЭМС продуктов фирмы Murata». РадиоЛоцман, 2012, июнь, стр. 31.
7. uav-g.org/Presentations/UAVg_Eling.pd