使用新型集成多功能傳感器模塊同時(shí)檢測(cè)多個(gè)參數(shù)

位于手指尖端的傳感器不僅觸及感受器，還是一體化壓力傳感器，形狀傳感器，溫度傳感器和液體粘度傳感器。它們同時(shí)將機(jī)械和熱信息轉(zhuǎn)換為發(fā)送到我們大腦的電信號(hào)，通過模式識(shí)別程序提供反饋信息。隨著集成在單個(gè)傳感器模塊上的多個(gè)電子傳感器的性能和可用性的提高以及組合輸出的能力，設(shè)計(jì)人員正在創(chuàng)建系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在較小規(guī)模但與我們的手指和大腦不同，可以對(duì)各種各樣的環(huán)境條件。在本文中，我們將介紹這些設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的新型集成多功能傳感器模塊和智能傳感器應(yīng)用。

智能導(dǎo)航系統(tǒng)

首先，考慮電子導(dǎo)航系統(tǒng)。我們正在迅速習(xí)慣于擁有隨需應(yīng)變的便攜式電子產(chǎn)品，可以告訴我們我們的位置。當(dāng)駕車前往新的或不熟悉的地方時(shí)，大多數(shù)司機(jī)現(xiàn)在將依靠GPS導(dǎo)航系統(tǒng)或手機(jī)應(yīng)用程序?qū)⑺麄儙У剿麄兿肴サ牡胤健?/p>

這些系統(tǒng)運(yùn)行良好，但我們這些使用它們的人經(jīng)常知道還有改進(jìn)的余地。有時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)似乎對(duì)我們所處的分層高速公路的哪個(gè)級(jí)別感到困惑，或者當(dāng)系統(tǒng)無法在任何時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)獲得GPS信號(hào)時(shí)系統(tǒng)失去位置，例如，當(dāng)通過隧道時(shí)。

通過同時(shí)使用多個(gè)傳感器的輸入來獲得準(zhǔn)確的位置信息而無需外部信號(hào)，可以克服這些問題。不是依靠單一類型的傳感器，比如加速度計(jì)，來自多個(gè)傳感器或來自單個(gè)多功能傳感器模塊的輸入可以通過算法組合以產(chǎn)生可靠的位置數(shù)據(jù)。

對(duì)于消費(fèi)者導(dǎo)航系統(tǒng)，第一個(gè)要求是以合理的成本提供所需的傳感能力。幸運(yùn)的是，今天的設(shè)計(jì)師有許多廉價(jià)的傳感器，在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)可以從中選擇。例如，目前有許多具有成本效益的加速度計(jì)。 （有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱TechZone文章“加速度計(jì)的進(jìn)展拓寬用戶選擇”。）

將加速度計(jì)的輸出與磁力計(jì)的輸出相結(jié)合，形成了一個(gè)所謂的數(shù)字羅盤，可提供更準(zhǔn)確的地理位置數(shù)據(jù)。 STMicroelectronics的LSM303DLM傳感器模塊集成了這些傳感器的趨勢(shì)示例.5 x 5 x 1 mm模塊結(jié)合了三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)，它們采用專門的微機(jī)械加工（MEMS）工藝制造，具有獨(dú)立的CMOS芯片，提供模塊和主機(jī)系統(tǒng)之間的接口（圖1）。這種設(shè)計(jì)方法提供了一個(gè)專用接口電路，經(jīng)過修整以更好地匹配傳感元件特性。

圖1：LSM303DLM模塊將三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)與單獨(dú)的CMOS芯片相結(jié)合，提供模塊與主機(jī)系統(tǒng)之間的接口（禮貌）意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）

傳感器的滿量程線性加速度范圍為±2，±4和±8 g，磁場(chǎng)范圍為±1.3，±1.9，±2.5，±4.0，±4.7，±5.6和±8.1高斯，任何一個(gè)都可由用戶選擇。加速度計(jì)和磁感應(yīng)功能可以單獨(dú)啟用或進(jìn)入省電模式。范圍和傳感器選擇的靈活性意味著當(dāng)芯片不用于導(dǎo)航時(shí)，芯片可用于在手持設(shè)備中實(shí)現(xiàn)其他功能。 （為簡(jiǎn)化應(yīng)用開發(fā)，STMicro還提供評(píng)估板，部件號(hào)為STEVAL-MKI113V1。）

采用塑料，柵格陣列（LGA）封裝，保證在-40°至-40°的溫度范圍內(nèi)工作該傳感器溫度為85°C，具有I2C串行總線接口，支持標(biāo)準(zhǔn)（100 kHz）和快速（400 kHz）模式。

擁有I2C串行總線非常重要，因?yàn)樗梢院?jiǎn)化在同一系統(tǒng)中集成多個(gè)傳感器的過程。例如，為了進(jìn)一步提高位置確定的準(zhǔn)確性，LSM303DLM傳感器模塊可以與STMicro的L3GD20模塊，低功耗，三軸，角速率傳感器或陀螺儀（圖2）結(jié)合使用。

圖2：與LSM303DLM一樣，L3GD20三軸角速率傳感器包括MEMS傳感元件和單獨(dú)的接口IC（由STMicroelectronics提供）。

與LSM303DLM一樣，陀螺儀模塊包括一個(gè)MEMS傳感元件和一個(gè)獨(dú)立的接口IC，可以為主機(jī)系統(tǒng)提供測(cè)量的角速率。 4 x 4 x 1 mm L3GD20具有用戶可選的±250，±500和±2，000 dps滿量程范圍，也可采用塑料LGA封裝，工作溫度范圍為-40°至85°C。 （也可提供名為STEVAL-MKI119V1的評(píng)估板。）

可能添加到混合物中的不太明顯的傳感器是Bosch Sensortec的BMP085氣壓傳感器。在這種情況下，壓力傳感器將用于測(cè)量短時(shí)間內(nèi)的壓力的相對(duì)變化以指示高度的變化，從而將手持設(shè)備完全定位在三維空間中。

專為先進(jìn)移動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，5 x 5 x 1 mm BMP085（圖3）的絕對(duì)精度為2.5百帕斯卡（hPa），噪音水平低至0.03 hPa，相當(dāng)于海拔變化0.25米它基于壓阻式MEMS技術(shù)，具有EMC穩(wěn)健性，高精度，線性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器采用8引腳陶瓷無引線芯片載體（LCC）封裝，與其他傳感器一樣，具有I2C總線和評(píng)估板（BMP085-SHUTL），便于集成到移動(dòng)系統(tǒng)中。

圖3：BMP085氣壓傳感器可用于提供高度信息。

結(jié)合其他傳感器的數(shù)據(jù)，它允許手持設(shè)備的設(shè)計(jì)人員在三維空間中提供完整的位置信息（由Bosch Sensortec提供）。

任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用

所有上述傳感器都具有共同的特性 - 低成本，低功耗，堅(jiān)固耐用，合理的精度和小尺寸 - 非常適合移動(dòng)消費(fèi)類應(yīng)用。但是，有些應(yīng)用需要傳感器具有更高的性能和可靠性。例如，第一響應(yīng)者和消防員必須準(zhǔn)確地知道他們?cè)谝粋€(gè)結(jié)構(gòu)中的位置，以避免危險(xiǎn)，并與他們團(tuán)隊(duì)的其他成員進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)。

對(duì)于此類任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用，目前有傳感器系統(tǒng)可提供完全集成的多傳感器數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)精確定位。例如，ADI公司的ADIS16407 iSensor器件（圖4）是一個(gè)完整的10自由度慣性系統(tǒng)，包括一個(gè)三軸陀螺儀，一個(gè)三軸加速度計(jì)，一個(gè)三軸磁力計(jì)和壓力傳感器。 。與之前的傳感器一樣，ADIS16407的每個(gè)傳感器系統(tǒng)都將MEMS技術(shù)與信號(hào)調(diào)理相結(jié)合，以優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能。

圖4：ADIS16407 iSensor設(shè)備是一個(gè)完整的十自由度慣性系統(tǒng)，包括三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸磁力計(jì)和壓力傳感器（由Analog Devices提供） ）。

在工廠中，傳感器針對(duì)靈敏度，偏置，對(duì)齊和線性加速度（陀螺儀偏置）進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，每個(gè)傳感器都有自己的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，可提供高精度的傳感器測(cè)量。此外，這大大減少了將傳感器集成到整個(gè)系統(tǒng)中所需的時(shí)間。緊密的正交對(duì)齊簡(jiǎn)化了導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性框架對(duì)齊。 SPI和寄存器結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)收集和配置控制提供了簡(jiǎn)單的接口。

系統(tǒng)采用大約23×23×23 mm的模塊封裝，并具有標(biāo)準(zhǔn)連接器接口。還提供評(píng)估板（ADIS16407/PCBZ）。雖然模塊的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前面提到的傳感器的成本，并且其尺寸不允許將其與其他設(shè)備一樣整合到智能手機(jī)大小的便攜式設(shè)備中，但它提供了開箱即用的功能。他們無法比擬的表現(xiàn)。同樣，STMicroelectronics的iNEMO V2（評(píng)估套件STEVAL-MKI062V2） - ST慣性模塊的第二個(gè)版本（圖5） - 將加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)與壓力和溫度傳感器相結(jié)合。該系統(tǒng)提供線性，角度和磁性運(yùn)動(dòng)的三軸感應(yīng)，輔以溫度和氣壓計(jì)/高度讀數(shù)，代表10自由度平臺(tái)。

ST的iNEMO 2集成了五個(gè)ST傳感器?；?a target="_blank">ARM的32位MCU和兩個(gè)穩(wěn)壓器完善了封裝（由STMicroelectronics提供）。

新型高性能多傳感器模塊可提供數(shù)據(jù)，可用于跟蹤位置或在移動(dòng)電話，游戲控制，遙控器，黑匣子記錄器和增強(qiáng)型GPS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高級(jí)動(dòng)作感應(yīng)應(yīng)用。其他應(yīng)用包括工業(yè)系統(tǒng)，機(jī)器人，汽車和航空航天測(cè)量，以及提供精確的室內(nèi)定位，這是未來基于位置的服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。