Как минимизировать потребление при использовании МЭМС-датчиков. Решения от Kionix

Компания Kionix в начале года начала серийный выпуск 6-осевых комбинированных датчиков KXG03. Они сочетают в себе 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и датчик температуры. Главной особенностью KXG03 является возможность автономной работы с другими датчиками без участия микроконтроллера, что помогает минимизировать общее потребление. Совсем недавно Kionix анонсировала еще два новых продукта: KXG07 и KXG08. Эти комбинированные датчики также способны выступать в качестве ведущих для других сенсоров и, кроме того, имеют сверхнизкое собственное потребление до 400 мкА при максимальной производительности!

Рис. 1.	Малопотребляющие МЭМС-датчики от Kionix.

Тяжело представить современную электронику без измерительных МЭМС-датчиков (гироскопов, акселерометров, магнитометров). Они применяются в самых разнообразных областях: от военной и медицинской электроники до промышленных и коммерческих приложений.

Естественно, что в каждом конкретном случае требования к датчикам могут быть различными. В измерительных приборах важно иметь высокую точность. В военной, авиационной и автомобильной технике ключевыми характеристиками станут высокая надежность и широкий рабочий диапазон температур. В коммерческой электронике необходимо обеспечить минимальную стоимость. В случае портативных приложений с батарейным питанием наиболее критичными являются такие параметры как габариты и уровень потребления.

Как же можно снизить потребление устройств с МЭМС-датчиками на борту? Для этого применяются различные подходы.

Разумеется, один из основных путей заключается в сокращении потребления самого сенсора. Этого можно добиться за счет совершенствования технологий и архитектуры, сокращения топологических норм, оптимизации алгоритмов работы и т. д. Возможность изменения частоты измерений, наличие режимов пониженного потребления – все это эффективные инструменты динамического управления мощностью потребляемой датчиком.

Второй подход выходит за рамки самого датчика и заключается в оптимизации алгоритма взаимодействия с управляющим контроллером.

Известно, что большая часть потребления приходится на микроконтроллер. По этой причине, чем больше он «спит», тем меньше расходуется ресурс аккумулятора. В итоге все современные датчики имеют возможность автономной работы. Для этого требуется наличие интегрированных блоков: контроллера прерываний и буфера данных. В этом случае контроллер почти всегда находится в режиме сна, а датчик работает автономно. Он проводит измерения, а результаты помещает в буфер. По истечении заданного времени или при заполнении буфера формируется сигнал пробуждения и контроллер просыпается. После этого происходит копирование данных из буфера и их обработка.

Инженеры Kionix пошли еще дальше. Они снабдили некоторые свои датчики возможностью работы в режиме ведущего (Рис. 2). Для этого у них есть дополнительный коммуникационный интерфейс, который используется для взаимодействия с другими сенсорами. В этом случае приведенный выше алгоритм работы меняется. Вначале управляющий контроллер производит настройку датчиков, а после уходит в режим пониженного потребления. Далее управление берет на себя KXG0x. Он производит собственные измерения и, кроме того, копирует данные других сенсоров в собственный буфер. В результате, контроллер после пробуждения не тратит время на опрос всех датчиков, а работает только с KXG0x. Это значит, что он может находиться в состоянии сна еще дольше, что позволяет дополнительно сократить уровень потребления.

Рис. 2.	Особенности работы датчиков Kionix в автономном режиме.

Возможностью работы в режиме ведущего обладают, в том числе, и наиболее современные 6-осевые датчики от Kionix: KXG03, KXG07, KXG08 (Рис. 3).

Рис. 3.	Датчики KXG03, KXG07, KXG08 от Kionix.

KXG03 – 6-осевой комбинированный датчик, включающий три 16-битных сенсора: 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и датчик температуры.

Интегрированные гироскоп и акселерометр имеют возможность настройки частоты измерений и чувствительности. Диапазоны чувствительности для гироскопа составляют ±256, ±512, ±1024 и ±2048 °/с, а для акселерометра ±2g/±4g/±8g/±16g.

Потребление KXG03 зависит от частоты выборок и от перечня активных блоков. Типовое потребление гироскопа составляет 1.85 мА. Питающий ток акселерометра лежит в диапазоне 5…300 мкА. При отключении всех сенсоров ток потребления снижается до 1.5 мкА.

Если говорить о снижении уровня потребления системы в целом, то стоит отметить, что KXG03 может работать автономно, пока микроконтроллер находится в режиме сна. Выборки данных при этом хранятся в 1024-байтном буфере FIFO.

Как было сказано выше, KXG03 способен выполнять роль ведущего для двух дополнительных датчиков, которые подключаются к дополнительной шине I²C (она может объединяться с основной шиной I²C).

KXG07, KXG08 – сверхсовременные 6-осевые датчики от Kionix. Они обладают примерно теми же характеристиками, что и KXG03, но имеют ряд отличий.

Во-первых, для них уровень потребления оказывается еще ниже: диапазон питающих токов составляет 200…600 мкА в зависимости от производительности.

Во-вторых, размер буфера FIFO увеличен до 4096 байт.

В-третьих, расширен диапазон питающих напряжений. Вместо 1.8…3.3 В в случае с KXG03, новые KXG07 и KXG08 работают уже от 1.35 В.

В-четвертых, Kionix обещает снижение габаритов в случае с KXG08. Этот датчик планируется выпускать в 14-выводном LGA корпусе размерами всего 2.5×3×0.9 мм.

Если серийное производство KXG03 уже начато, то KXG07 и KXG08 доступны только в виде образцов. При этом Kionix предлагает к услугам разработчиков отладочные платы: EVAL-KXG03, EVAL-KXG07, EVAL-KXG08. Они имеют одинаковый форм-фактор и стандартный разъем для подключения (Рис. 4). На плате размещены по два датчика, пассивные компоненты, элементы защиты, светодиод питания.

При желании, для быстрого начала работы разработчики могут воспользоваться отладочным набором USBDEVKIT, который совместим со всеми оценочными платами датчиков.

Рис. 4.	Внешний вид отладочных плат датчиков KXG.

Характеристики комбинированного датчика KXG03:

• тип датчика: 3-осевой гироскоп + 3-осевой акселерометр + датчик температуры;
• чувствительность гироскопа: ±256, ±512, ±1024 и ±2048 °/с;
• чувствительность акселерометра: ±2g/±4g/±8g/±16g;
• встроенный буфер данных: 1024-байт FIFO;
• коммуникационный интерфейс: I²C до 3.4 МГц и SPI до 10 МГц;
• дополнительный коммуникационный интерфейс для связи с другими датчиками: I²C с поддержкой до двух датчиков;
• ток потребления: гироскоп 1.85 мА, акселерометр 5…300 мкА;
• ток потребления в спящем режиме: 1.5 мкА;
• напряжение питания: 1.8…3.3 В;
• корпусное исполнение: 16-выводной LGA (3×3×0.9 мм).

Характеристики комбинированных датчиков KXG07/ KXG08:

• тип датчика: 3-хосевой гироскоп + 3-хосевой акселерометр + датчик температуры;
• чувствительность гироскопа: ±256, ±512, ±1024 и ±2048 °/с;
• чувствительность акселерометра: ±2g/±4g/±8g/±16g;
• встроенный буфер данных: 4096-байт FIFO;
• коммуникационный интерфейс: I²C до 3.4 МГц и SPI до 10 МГц;
• дополнительный коммуникационный интерфейс для связи с другими датчиками: I²C с поддержкой до двух датчиков;
• ток потребления: 200…600 мкА;
• напряжение питания: 1.35…3.3 В;
• корпусное исполнение KXG07: 16-выводной LGA (3×3×0.9 мм);
• корпусное исполнение KXG08: 14-выводной LGA (2.5×3×0.9 мм).

Посмотреть подробные характеристики комбинированных датчиков компании KIONIX