3D акселерометр: Сенсоры и датчики в фитнес-браслетах и умных часах: как это работает?

Сенсоры и датчики в фитнес-браслетах и умных часах: как это работает?

Немногие владельцы умных устройств задаются вопросом, как именно работают различные датчики, которыми оснащены современные гаджеты. Стоит отметить, что еще пару лет назад «умный» браслет только и умел, что считать шаги. Теперь же фитнес-браслеты и умные часы умеют считать пройденное расстояние, распознавать свое положение в пространстве, реагировать на уровень освещения и делать многое другое. Как все это работает?

Акселерометры

Практически в любом фитнес-трекере есть акселерометр. Этот модуль может использоваться для выполнения различных задач, но основная функция акселерометра — подсчет количества сделанных шагов. Акселерометр также дает гаджету информацию о положении в пространстве и скорости передвижения.

Таким образом, трекер или часы «понимают», в каком положении сейчас находятся, «зная» о том, двигается владелец или нет.

Не все акселерометры одинаковы — есть цифровые, есть аналоговые, есть чувствительные, есть не очень.

GPS

Этой технологии исполнилось уже несколько десятков лет, но она до сих пор остается одной из наиболее востребованных. GPS позволяет определять координаты объекта с высокой точностью, используя сигнал, посылаемый спутниками (всего их 29).

GPS модуль в часах или трекере получает сигнал со спутника. А по времени, которое проходит с момента отправки сигнала спутником до момента фиксации модулем, можно определить примерное положение модуля. Чем больше спутников в зоне действия, тем точнее определяются координаты.

Соответственно, GPS модуль позволяет определять скорость передвижения, высоту над уровнем моря и некоторые другие параметры.

Оптические датчики сердечного ритма

Для определения частоты сердечного ритма не нужно идти к врачу. Современные оптические датчики могут довольно точно снять показания. Светодиоды такого датчика излучают свет, который поглощается тканями организма, включая кровь. При этом кровь поглощает больше света, чем, к примеру, кожа. Изменения количества крови в сосудах приводит к изменению уровня поглощения света, что и фиксирует датчик.

Специальный алгоритм на основе этих данных определяет частоту сердечного ритма. Самые продвинутые датчики приближаются по точности к ЭКГ.

Датчики электропроводимости кожи

Модули такого типа предназначены для измерения проводимости кожи. Чем больше влаги на коже, тем лучше ее проводимость. А по уровню увлажнения кожи можно определить и уровень активности тренировки.

Данные с таких датчиков коррелируют с показаниями других датчиков. А специальных алгоритм просчитывает данные, анализирует их и выводит в читаемом виде на дисплей часов или смартфона.

Термометры

Даже элементарный термометр может дать довольно точную оценку температуры кожи. Чем выше температура, тем активнее проходит тренировка. Информация о температуре кожи сравнивается с показаниями других датчиков, после чего устройство предоставляет данные об активности тренировки пользователю.

Оценка освещенности

Здесь все просто. Датчик освещенности обычно включает фотоэлемент, который дает больше тока, если уровень освещенности растет. Соответственно, устройство «понимает», какое сейчас время суток, сравнивая данные по уровню освещенности с показаниями времени.

Примерно так же работают и датчики УФ освещения, правда, в этом случае фотоэлемент настроен только на УФ-спектр, а не на регистрацию видимого освещения.

Биоимпедансные сенсоры

Датчики такого типа есть в Jawbone UP3 и некоторых других трекерах. Подобный модуль может определять сразу три показателя: частоту сердечного ритма, частоту дыхания и проводимость кожи.

По словам представителей компании, биоимпедансные сенсоры фиксируют мелкие изменения в организме, и на основе этих данных специальный алгоритм просчитывает указанные выше показатели.

Вывод

В фитнес-трекере или умных часах может быть большое количество разнообразных сенсоров. Но без детального анализа получаемых данных эта информация ничего не стоит. Поэтому большое значение имеет программное обеспечение, которое проводит обработку и хранение результатов измерения.

Чем совершеннее программа, тем больше полезной и, главное, понятной информации получает пользователь.

Метки мобильные датчики, разборка

LSM333 – 3D акселерометр, 3D магнетометр, 3D гироскоп в одном корпусе

Компания STMicroelectronics мировой лидер по производству MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) технологий представила новое решение серии iNEMO – LSM333D.

LSM333D – компактный модуль, в корпусе LGA28, включает в себя 3-х осевой акселерометр, 3-х осевой гироскоп, 3-х осевой магнетометр. MEMS модуль LSM333D с цифровым интерфейсом I2C и SPI, работает в диапазоне питающего напряжения 2,4…3,6 В позволяет фиксировать угловую скорость в диапазоне ±250/500/2000 град/с, программно настраивать динамический диапазон работы акселерометра в диапазоне ±2g/±4g/±8/±16g, измерять напряженность магнитного поля в диапазоне ±2/±4/±8/±12 Гаусса

Благодаря развитой технологии производства микромеханических систем (MEMS) STMicroelectronics в LSM333D обеспечивается высокая точность и стабильность во времени и температуре, встроенный датчик температуры обеспечивает дополнительную стабильность работы микросхемы во всем температурном диапазоне -40…+85°C.

Встроенные функции энергосбережения (power-down и sleep) обеспечивают возможность использования модуля в портативных и переносных устройствах, а встроенный буфер FIFO (first-in first-out) позволяет уменьшить количество транзакций по управляющей шине и таким образом снизить нагрузку на хост-контроллер.

Основные характеристики LSM333D:

• 3-х осевой акселерометр с программируемым динамическим диапазоном работы ±2g/±4g/±8/±16g
• 3-х осевой гироскоп с программируемым диапазоном работы ±250/±500/±2000 град/с
• 3-х осевой магнетометр с диапазоном измерений напряженности магнитного поля  ±2/±4/±8/±12 Гаусса
• I2C/SPI интерфейс
• напряжение питания 2,4…3,6 В
• компактный корпус LGA28 (3.5x6x1 мм)

Области применения:

• Мобильные телефоны
• Навигационные системы
• Игровые контроллеры
• Робототехника
• Игры и виртуальная реальность
• Интерфейсы взаимодействия человек-машина
• Системы мониторинга

Доступность:

Образцы модулей LSM333D и отладочные средства к ним, будут доступны с мая 2012 года

Ресурсы:

Новый акселерометр Pandora

Использование акселерометра в устройствах серии Pandora DXL 5000 NEW позволило в несколько раз увеличить эффективность данного охранного комплекса. Система способна с высокой точностью обрабатывать сигналы, передаваемые 3-х координатным датчиком ускорения (акселерометром), на основании которых составляется наиболее полное представление относительно текущего состояния транспортного средства.

Ситуация на рынке

В настоящее время многие компании, осуществляющие производство автомобильных охранных систем, комплектуют свои устройства датчиками удара, которые функционируют по принципу пьезо-элемента, либо микрофона. Подобные решения являются малоэффективными, их функционал весьма ограничен (чувствительность датчиков во время работы автозапуска либо турботаймера снижается до нуля), а энергопотребление находится на достаточно высоком уровне. Не следует забывать и о значительных габаритах подобных устройств. Установка датчиков удара может быть сопряжена с весьма серьезными трудностями. В отдельных случаях мастерам приходится вносить ряд технологических изменений в конструкцию автомобиля.

Корректировка работы датчиков также является достаточно затратным мероприятием. Данное оборудование не поддерживает возможность дистанционной настройки, как следствие, внесение в работу системы даже самых незначительных изменений может сопровождаться немалым объемом работ.

Прогрессивный подход

Специалисты компании Pandora не первый год применяют чувствительные элементы на основе акселерометра (первые сигнализации на основе датчика ускорения увидели свет 7 лет назад). За эти годы нашими инженерами были разработаны наиболее эффективные алгоритмы использования подобных устройств, позволяющие создать по-настоящему неприступную и информативную систему безопасности.

Акселерометры, применяемые в современных продуктах Pandora, полностью лишены недостатков, присущих стандартным датчикам удара. Данные устройства на порядок сложнее и технологичнее своих «коллег», они позволяют в полной мере контролировать состояние транспортного средства, информируя управляющий блок о любых воздействиях на автомобиль.

Особенности охранной системы Pandora DXL 5000 NEW

В продуктах серии Pandora DXL 5000 NEW компания использовала современный, высокопроизводительный 3-х координатный акселерометр, осуществляющий передачу данных в цифровом формате посредством интерфейса LIS331DLH. Важно отметить, что данные модули производит всемирно известная компания STMicroelectronics. Акселерометры под данной маркой с успехом применяют производители высокотехнологичной электроники по всему миру (модули устанавливаются в топовых моделях смартфонов, таких как Iphone 5 и Iphone 6).

Обработка данных, поступающих с датчика ускорения, происходит посредством использования сложных алгоритмов, применяемых в авиационной промышленности (расчет координат объектов, движущихся на высокой скорости), а также используемых при проведении геодезических работ. Вся вычислительная нагрузка ложится на мощный, 32-х разрядный контроллер, расположенный в блоке управления. Модуль работает на повышенной частоте, что позволяет ему в кратчайшие сроки производить обработку полученной информации. Распознавание событий происходит с высокой точностью. В случае происшествия контроллер незамедлительно генерирует сообщение класса «авария», «наклон», «удар» (производится расчет силы удара) и пр.

Именно благодаря высокоточному датчику ускорения, а также технологичному вычислительному контроллеру сигнализации класса Pandora DXL 5000 NEW могут определить даже самый незначительный наклон (поднятие автомобиля посредством гидравлического домкрата). При этом система проведет предварительную проверку на предмет ложного срабатывания, возможно, что изменение пространственного положения автомобиля было вызвано внезапным порывом ветра, а не происками злоумышленников.

Широкий функционал охранной системы по-достоинству оценят как опытные автолюбители, так и начинающие водители:

• Возможность распознавания незначительных повреждений. Сигнализация незамедлительно проинформирует водителя, если имело место нарушение целостности ЛКП, либо деструктивное воздействие на элементы остекления. Подобная особенность позволит автолюбителю чувствовать себя более уверенно, оставляя машину на парковке мегаполиса.
• Контроль тревожной и предупредительной зоны при работающем ДВС. Даже при запущенном двигателе (турботаймер, автозапуск) система продолжает функционировать в штатном режиме, в полной мере сохраняя контроль над состоянием авто.
• Детектирование аварий. В случае если ДТП все-таки имело место и жизни водителя, а также пассажиров может угрожать опасность, система Pandora DXL 5000 NEW незамедлительно проинформирует родственников и друзей о несчастном случае посредством мобильной связи (на телефоны, подключенные к данному сервису, придет соответствующее СМС). Блок управления определяет тяжесть повреждения автомобиля исходя из многих факторов (производится многоступенчатая обработка данных, получаемых с датчиков, расположенных по всей машине), что позволяет свести к минимуму вероятность ложного срабатывания.
• Эффективная работа при низких температурах. Охранная система не теряет своей эффективности даже в сильные морозы. Температурные перепады не могут повлиять на корректную работу датчиков, а также основного блока. Сигнализация продолжает функционировать в штатном режиме вне зависимости от того, какая погода за окном.

Отдавая предпочтение охранной системе Pandora DXL 5000 NEW, водитель может быть полностью уверен – его автомобиль находится под надежной защитой. Высокотехнологичная сигнализация позволит обеспечить безопасность транспортного средства, как в шумном мегаполисе, так и в отдаленной сельской местности.

Доверьте заботу о своем автомобиле настоящим профессионалам!

Что такое акселерометр в смартфоне и фитнес-браслете? Объясняем на пальцах, как он работает

Последнее обновление:4 месяца назад

Оценка этой статьи по мнению читателей:

Казалось бы, акселерометрам в смартфонах уже «сто лет» и все, кому интересно было узнать, что это такое и как оно работает, давно прочли какую-то статью или посмотрели ролик в YouTube.

Мне действительно так казалось, пока я не почитал самые популярные выдачи Google по этому запросу. К удивлению, это были либо совершенно бестолковые и поверхностные статьи, перепечатанные копирайтерами, пишущими параллельно о моде и политике, либо статьи в стиле «как максимально сложно рассказать о простом».

Такая ситуация, конечно же, не может не радовать, ведь у нас появился отличный повод для новой интересной статьи!

Итак, что такое акселерометр — знают, наверное, все. Этот датчик используется в телефонах для определения положения устройства и автоматического поворота экрана. Также некоторые смартфоны используют акселерометр для определения падения, чтобы автоматически спрятать выдвигающуюся моторизированную селфи-камеру. Среди наших обзоров было много таких аппаратов.

Кроме того, акселерометр является сердцем всех смарт-часов и фитнес-трекеров, ведь именно он отслеживает любое движение пользователя. Да и на смартфонах есть шагомеры, также использующие акселерометр.

Остается лишь один и самый главный вопрос:

Как работает акселерометр?

Давайте на секундочку отбросим все эти технологии и подумаем, как вообще можно сделать устройство, которое бы показывало, скажем, угол своего наклона. Самое простое, что приходит на ум — это стеклянная колбочка с пузырьком воздуха внутри:

Если представить, что слева находится верхняя часть колбы (обозначим ее красным цветом), а справа — нижняя (синий цвет), тогда можно очень легко определять положение колбы в пространстве:

Когда пузырек окажется возле «красной» стороны — колба стоит вверх головой, а когда возле «синей» — она перевернута вверх ногами.

С этим, думаю, всё предельно ясно. Чтобы аналогия ближе отображала суть реального акселерометра, давайте заменим колбу с жидкостью и пузырьком на грузик, который закреплен на гибкой подвеске:

На картинке наше устройство лежит горизонтально на боку, поэтому грузик не провисает. Но если развернуть его в вертикальное положение, гибкие стержни сразу же прогнутся под весом грузика:

Из-за этого мы всегда будем знать, в каком положении находится наше устройство. Ведь грузик будет опускаться вниз под действием силы тяжести, которая прижимает все объекты, включая нас с вами, к центру земли. Да, мы не проваливаемся сквозь пол или асфальт, так как есть гораздо более мощная сила, отталкивающая нас от других объектов, но об этом чуть позже.

Обратите внимание на то, что наше примитивное устройство уже может не только показывать, держим ли мы его нормально или вверх ногами, но также и измерять ускорение!

Представьте, что будет, если мы резко поднимем это устройство вверх, когда грузик уже провисает на стержнях под своей тяжестью? Верно, он на короткое время прогнет гибкие стержни еще сильнее, а затем вернется к своему изначальному положению:

Точно также поведут себя стержни, если мы положим устройство на бок и затем резко переместим его влево. В этом случае, из-за ускорения, грузик на мгновение прогнет стержни в обратную сторону.

Это интуитивно понятно, так как каждый из нас на себе ощущал подобный эффект при разгоне автомобиля, когда во время быстрого ускорения нас прижимает к сидению, то есть, мы движемся в противоположную сторону ускорению автомобиля.

Получается, мы уже можем не только говорить о самом факте ускорения, но даже и вычислить его силу. Ведь чем сильнее грузик сместится в противоположную сторону, тем сильнее ускорение. Это как с автомобилем — чем быстрее разгон, тем сильнее нас прижимает к сидению.

Вот мы и разобрали базовый принцип работы акселерометра! Какой-то грузик под действием силы тяжести провисает на тонком гибком стержне. Если мы развернем телефон на 180 градусов, тогда стержни прогнутся в противоположную сторону.

Но, заметьте, что такое устройство сможет определять только верх и низ, а также ускорение вверх или вниз. Стержни не будут прогибаться влево или вправо, а также наше устройство не будет реагировать на ускорение вперед/назад (вглубь экрана):

К сожалению, одним акселерометром нам не обойтись, так как он будет измерять положение и ускорение устройства только по одной оси (в нашем примере — оси Y или вверх/вниз. И такие акселерометры действительно существуют — это одноосевые акселерометры.

Если мы хотим измерять положение и/или ускорение по всем осям (X, Y и Z или влево/вправо, вверх/вниз и от нас/к нам), тогда нам нужны 3 акселерометра или 3 отдельных грузика, которые будут размещаться внутри смартфона или фитнес-трекера соответствующим образом:

Такой акселерометр будет называться уже 3-осевым. В более дорогих фитнес-браслетах и смарт-часах есть 6-осевые датчики. Это значит, что помимо 3-осевого акселерометра, у них также есть 3-осевой гироскоп. Но об этом сенсоре мы поговорим как-нибудь в другой раз.

А как выглядит реальный акселерометр?

Я много времени уделил довольно простой (даже банальной) аналогии с грузиками, но что на самом деле размещается внутри смартфона или браслета? Вы же не думаете, что там внутри есть крохотная коробочка, в которой жестко закреплены гибкие стержни с подвешенными грузиками?

А зря! Ведь именно так и есть, только сами стержни и грузики выглядят немножко по-другому.

Существует целый класс устройств под названием MEMS (микроэлектромеханические системы). Сюда входят не только акселерометры, но и гироскопы, микрофоны, барометры и другие датчики. Отдельные «запчасти» этих крошечных механизмов могут быть в 100 раз тоньше человеческого волоса!

То есть, суть MEMS и заключается в том, чтобы использовать классические механизмы, но очень маленького размера.

Вот как схематически можно представить MEMS-акселерометр смартфона или смарт-часов, который отслеживает движение только влево-вправо:

Зеленым цветом здесь показан грузик, а темно-серым — гибкие стержни, которые прогибаются при ускорении смартфона или наклонах влево-вправо. Не обращайте пока внимание на синие палочки и на странную форму грузика.

Стержни и грузик могут выглядеть по-разному. Вот снимок под микроскопом реального MEMS-акселерометра, который также отслеживает движение/ускорение по одной оси X (влево-вправо):

Здесь мы видим немного другую форму грузика, а вместо стержней используется гибкая подвеска. Обведу их разными цветами, чтобы было понятней, где что находится:

Существуют и другие формы, но принцип один и тот же.

На этом моменте может показаться, что принцип работы акселерометра понятен. В смартфоне или фитнес-трекере на самом деле установлен микроскопический механизм, состоящий из грузика и гибкого подвеса. Но как использовать этот механизм?

Представьте, что вы роняете телефон и он падает на землю. Естественно, минимум один из акселерометров срабатывает, так как его грузик из-за ускорения смартфона отклоняется в обратную сторону. Но что дальше? Как смартфон знает, куда, как сильно и какой конкретно грузик отклонился?

Мы видим это глазами, но у смартфона внутри корпуса нет глаз. Или как фитнес-браслет при взмахе рукой «знает», что какой-то из микроскопических грузиков куда-то отклонился?

Для ответа на эти вопросы нам нужно разобраться еще с одним интересным физическим явлением. Давайте сконструируем что-то вроде примитивного аккумулятора, который можно очень быстро заряжать и разряжать. Сделать его можно буквально за пару минут из подручных средств.

Необходимо взять две металлические пластинки, прикрепить к ним провода и… всё! Если мы разместим эти пластины достаточно близко друг к другу, но только так, чтобы они не соприкасались, тогда у нас получится такая интересная «батарейка»:

Интересна она по той причине, что заряжать ее можно мгновенно (за доли секунд), но и отдает свой заряд она также мгновенно. Использовать такую «батарейку» в качестве аккумулятора невозможно, ведь она не способна отдавать заряд постепенно в течение долгого времени.

Как же это работает?

Когда мы подключаем к двум пластинкам настоящую батарейку, к одной из этих пластинок устремляются триллионы электронов — крошечных «сгустков» энергии.

В то же время батарейка начинает «вытягивать» электроны из другой пластинки. Это происходит по той причине, что разные концы батарейки имеют разный заряд — отрицательный («минус») и положительный («плюс»).

Положительный заряд батареи будет притягивать к себе электроны с синей пластинки (они имеют отрицательный заряд), а отрицательный заряд, на котором у батарейки уже очень много электронов, будет стремиться избавиться от них и выталкивать электроны на красную пластинку:

В общем, весь этот процесс закончится тогда, когда уже будет не хватать «давления» (напряжения) в батарейке, с которым она выталкивает одни электроны и притягивает другие.

Когда мы отключим батарейку от пластинок, то одна из них теперь будет хотеть избавиться от лишних электронов, а другая наоборот — их притянуть. Но сделать это напрямую не получится, ведь между пластинками есть «изоляция» — воздух:

Если бы мы подключили к этим пластинкам, например, лампочку, тогда она бы на мгновение ярко засветилась. Половина электронов от красной пластинки устремятся к синей, чтобы их везде оказалось поровну и пластинки «не испытывали» никакого давления. А движение электронов по проводам — это и есть ток, который «зажжет» лампочку.

Какое отношение всё это имеет к механическому акселерометру?

Чтобы соединить все точки рассказа, нужно знать еще одну маленькую деталь.

Дело в том, что мы легко можем узнать ёмкость нашей самодельной «батарейки» (я называю ее батарейкой для простоты восприятия, на самом деле такое незамысловатое устройство называется конденсатором). Под словом «ёмкость» я имею в виду количество заряда, которое пластинка может накопить, а затем отдать.

Как вы думаете, от чего зависит эта ёмкость? Конечно, сразу интуитивно напрашивается ответ — от размера пластинок. Ведь чем она крупнее, тем больше туда физически может поместиться электронов:

Мы видим, что справа больше электронов, а значит, эти две пластинки могут накопить больший заряд, соответственно, ёмкость правого конденсатора («батарейки») — выше.

Но есть еще один способ изменить ёмкость пластинок, не меняя их размер. Он следует из закона Кулона, суть которого заключается в том, что сила, с которой одни заряженные частички притягиваются к другим, зависит от расстояния между ними.

Дело в том, что между этими двумя пластинками появляется электрическое поле — невидимая сила, притягивающая разноименно заряженные частички (+ и —) и отталкивающая одноименно заряженные частички (— и — или + и +). Для этой силы ни воздух, ни другая изоляция не является помехой или преградой.

Именно поэтому невозможно сделать конденсатор из одной пластинки. Мы просто не «затолкаем» туда электроны, так как они будут моментально отталкиваться обратно. Но когда появились две пластинки с разными зарядами, появилась и сила, удерживающая этот переизбыток зарядов.

Согласно закону Кулона, чем ближе будут пластинки, тем выше будет сила взаимодействия между заряженными частичками, которая удерживает их, и мы сможем затолкать еще больше электронов при том же размере пластинок:

Это должно быть понятно даже интуитивно, так как все мы пробовали соединять два магнитика. Чем ближе они друг ко другу (при условии, что мы соединяем их разные полюса или «плюс» и «минус»), тем сильнее они притягиваются друг ко другу.

И вот теперь наших знаний достаточно, чтобы ответить на вопрос, как же на самом деле работает акселерометр в смартфонах и фитнес-браслетах.

Давайте посмотрим на 3D-модель вот такого микромеханического акселерометра:

Здесь мы видим «грузик» синего цвета на гибких подвесках (также синего цвета) по краям. Это акселерометр, который работает только по оси X, то есть, грузик смещается влево-вправо (на картинке он уже смещен вправо).

А теперь обратите внимание на темно-серые палочки. Я нарисую схематически вот этот кусочек, чтобы остальная часть акселерометра нам не мешала:

Так вот, синяя верхняя вертикальная палочка на грузике — это и есть одна из пластинок «батарейки» (конденсатора), которую мы только что подробно рассмотрели. Соответственно, серая палочка вверху — вторая пластинка (см. картинку ниже).

На эти пластинки подается заряд и, когда грузик движется вправо, верхние пластинки прижимаются друг к другу, но не соприкасаются. А внизу происходит обратная ситуация — две пластинки отдаляются друг от друга:

Так как две верхние пластинки приблизились вплотную друг к другу, то и заряд на них максимальный, то есть, мы говорим, что ёмкость верхнего конденсатора максимальна. А на двух нижних пластинках, напротив, заряд минимален, так как расстояние между ними увеличилось, соответственно, сила взаимодействия также снизилась.

Акселерометр непрерывно измеряет емкость такой пары конденсаторов — двух верхних и двух нижних пластинок. И по ним очень легко определяет, насколько грузик отклонился от состояния покоя:

• Если ёмкость верхних пластинок максимальна, а нижних — минимальна, значит, грузик ушел максимально вправо
• Если ёмкость верхних пластинок минимальна, а нижних — максимальна, значит, грузик ушел максимально влево
• Если ёмкость верхних и нижних пластинок одинакова, значит грузик находится в состоянии покоя и акселерометр не зафиксировал никакого движения по оси X (влево-вправо)

Кроме того, мы можем легко определять ускорение устройства по степени (амплитуде) отклонения грузика.

Еще раз посмотрим это на увеличенной 3D-модели:

Акселерометр мобильных устройств работает с ничтожно малыми емкостями и зарядами, так как эти пластинки микроскопического размера. Поэтому в акселерометре не одна пластинка, а множество. И все верхние пластинки соединены между собой в одну, как и все нижние — между собой.

Грузик также является одной общей пластинкой, которая подключается к питанию с одной стороны стержня (на картинке этот контакт я подписал словом «грузик», хотя сам грузик синего цвета находится, естественно, посередине):

То есть, по сути, акселерометр состоит из двух конденсаторов («батареек»): одной большой верхней пластины с ребрами и грузика, а также одной большой нижней пластины с ребрами и того же грузика. Смартфон непрерывно измеряет ёмкости этих двух конденсаторов и сразу же понимает, что произошло какое-то движение, как только емкости меняются.

Вот и весь принцип работы этого крохотного инженерного чуда! Теперь дело остается за малым. Нужно просто связать определенное изменение ускорение акселерометра по всем осям с определенным действием.

К примеру, вот так выглядит изменение ускорения по всем 3 осям акселерометра моего фитнес-браслета, когда я просто иду:

© Deep-Review

Мы видим, что ускорение заметно изменяется только по одной оси X (показано синим цветом). А вот какие показания акселерометра будет регистрировать фитнес-браслет, когда я побегу:

© Deep-Review

Здесь мы видим, что из-за увеличения скорости движения рук увеличилась и сила ускорения. Кроме того, заметно изменяется ускорение не только по оси X, но и по оси Y (показано желтым цветом). Ведь при ходьбе мои руки были опущены вниз, а во время бега — полусогнуты.

Таким образом, браслету не составляет никакой трудности, например, автоматически определить ходьбу или бег. Ведь «рисунок» изменения ускорения по всем осям очень характерен для каждого вида активности.

При желании трекеры могли бы очень легко определять даже такие занятия, как чистка зубов или игра в теннис (при ударе ракеткой происходит характерное движение кистью, которое очень легко отследить по акселерометру).

Алексей, глав. ред. Deep-Review

P.S. Мы открыли Telegram-канал и сейчас готовим для публикации очень интересные материалы! Подписывайтесь в Telegram на первый научно-популярный сайт о смартфонах и технологиях, чтобы ничего не пропустить!

Датчики современных смартфонов — android.mobile-review.com

26 сентября 2019

Владимир Нимин

Facebook

Twitter

Вконтакте

Продолжаем разбираться в устройстве смартфона. В прошлый раз смотрели экраны, а сегодня поговорим про датчики.

Акселерометр, также называют G-сенсор. Официальное определение гласит, что это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения. А если простым языком, то акселерометр помогает смартфону определить положение в пространстве, а также расстояние перемещения. Основные функции акселерометра:

• Автоповорот ориентации экрана;
• Также акселерометр можно настроить так, чтоб он реагировал на жесты и действия. Например, потрясти смартфон или перевернуть экраном вниз, чтоб заглушить вызов;
• Ещё акселерометр помогает считать шаги и помогает ориентироваться на картах (Google Maps и прочих)

Акселерометр – это громоздкое устройство, внутри которого находится инертная масса, реагирующая на все перемещения. Такой вариант для смартфона не подходил, поэтому придумали чип, имеющий кристаллическую структуру, пьезоэлектрический элемент и сенсор ёмкостного сопротивления. Когда смартфон перемещается/вращается, то пьезоэлектрический элемент выдаёт разряды, а сенсор их интерпретирует, таким образом определяя положение и скорость.

Акселерометр – базовый датчик, который есть в любом, даже самом дешевом, смартфоне. Хотя это на удивление технически сложный продукт. В смартфонах акселерометр понимает движения по 3 осям. Третья нужна для 3D позиционирования. К слову, акселерометр есть и во всех современных автомобилях, но там он обычно двухосевой (ибо автомобиль не крутится в воздухе). 

Не все акселерометры одинаковые. Их делают из разных материалов. Соответственно, некоторые более чувствительные, некоторые менее.

Гироскоп – это один самых классных датчиков, о полезности которого для смартфонов долгое время никто не подозревал, пока на сцену не вышел Стив Джобс и не объяснил, как оно должно быть. Посмотрите презентацию этой шикарной функции, и как зал взорвался от восторга. 

Не следует путать гироскоп и акселерометр. Эти датчики частично дублируют и дополняют друг друга. Гироскоп также служит для отслеживания положения устройства в пространстве, но он делает это путем определения собственного угла наклона относительно земной поверхности. Это очень важно, так как это означает, что в условиях нулевой гравитации, вы не сможете поиграть в Asphalt 9, используя в качестве управления наклоны устройства. Будьте внимательны!

Гироскоп (в отличие от акселерометра) не может измерять проделанное расстояние, зато гораздо точнее определяет положение в пространстве. Для понимания посмотрите, пожалуйста, видео со Стивом Джобсом выше. Начиная с времени 1:10 Джобс показывает, как определяет положение объекта в пространстве акселерометр и как гироскоп. 

Обычно в современных смартфонах оба датчика работают в тандеме. Гироскоп важен для игр, дополненной реальности, а также ряда других приложений. Нередко в дешевых смартфонах производитель предпочитает экономить на гироскопе. 

Датчик приближения (proximity sensor). Как видно из названия, это датчик, который помогает определить наличие перед ним объекта. Самый простой пример – это отключение экрана, когда смартфон подносят к уху. Также датчик приближения исключает фантомные включения экрана, когда смартфон находится в сумке или кармане. Такой датчик может сам или в комбинации с фронтальной камерой отслеживать движения рукой над экраном для выполнения каких-либо функций. Например, пролистывание странички в браузере и тому подобное. Существует множество технологий датчика приближения. Он может работать по типу радара, сонара, эффекта Доплера, есть инфракрасный датчик приближения, а иногда ставят и фотоэлемент. 

Базовый датчик приближения, отключающий экран при поднесении к уху, есть, кажется, уже во всех смартфонах. Но продвинутость датчика можно оценить по наличию дополнительных функций.

Датчик освещения – здесь всё просто и понятно. Такой датчик помогает автоматически выставить яркость экрана. Датчик освещения уже считается базовым датчиком, но в дешевых смартфонах на нем могут сэкономить. И тогда придется каждый раз выставлять яркость вручную. 

Современный датчик освещения обычно работает в комбинации с ИИ смартфона. Например, если датчик выставил определенную яркость, а вы его вручную поправили, то смартфон возьмёт на заметку и в следующий раз самостоятельно сделает экран поярче. Соответственно, всегда давайте датчику освещения освоится и подстроиться под ваши привычки прежде, чем осуждать его работу.

Датчик Холла – один из самых таинственных датчиков в смартфоне, ибо мало кто знает, зачем он нужен. Датчик, основанный на, так называемом, эффекте Холла, фиксирует магнитное поле и измеряет его напряженность. Говоря языком физики: электроны в проводнике всегда перпендекулярны (угол 90 градусов) направлению магнитного поля. Плотность электронов на разных сторонах проводника будет отличаться, возникает разность потенциалов, которую и фиксирует датчик Холла. 

Но в смартфонах используется упрощенный датчик Холла, фиксирующий только наличие магнитного поля. 

Обычно датчик Холла нужен для дополнительных аксессуаров. Например, именно он включает экран iPad, когда пользователь снимает магнитный чехол. Кстати, в этой функции датчик приближения вполне может подменить датчик Холла.

Также датчик Холла работает в паре с компасом, делая работу последнего более точной. 

Компас (магнитомер) – это очень важный датчик, даже если вы не занимаетесь спортивным ориентированием. Именно компас отвечает за то, что на Google Maps пользователь видит не просто точку, а стрелочку, указывающую в какую-сторону вы смотрите. 

Когда компас откалиброван, то отображение направления узкое. Чтобы откалибровать компас, откройте карты Google и крутите смартфон «восьмеркой»:

Барометр – обычно наличием подобного датчика могут похвастаться только флагманы. Барометр ассистирует GPS и помогает определить высоту. Наличие такого датчика полезно, так как на Google Maps уже появляются схемы зданий, и барометр определит на каком этаже вы находитесь. Также барометр используется в приложениях, определяющих физическую активность. Суть такая же: определить, сколько этажей вы прошли. 

Датчик влажности – когда-то такой датчик был в Samsung Galaxy Note 4, а потом Samsung от него отказались. Роль очевидная. Датчик определяет уровень влажности. 

Датчик сердцебиения/датчик кислорода в крови – ещё один фирменный датчик от Samsung, но он есть и во многих фитнес-браслетах. Работает совместно с LED-вспышкой. Прикладываете палец, LED светит вам свозь палец, а датчик измеряет, как отражаются световые волны. Волны отражаются по-разному в зависимости от пульса: кровеносные сосуды, то сужаются, то расширяются. По этому же принципу работает и функция определения кислорода в крови. 

GPS – глобальная система позиционирования. По сути, это даже не датчик, а наличие у смартфона возможности коммуницировать со спутниками благодаря или отдельному, или мульти-чипу, поддерживающему сразу несколько систем. Сейчас у каждой развитой страны, есть своя система спутников. ГЛОНАСС в России, Galileo в Европе, BDS (или BeiDou) в Китае, QZSS (или Quasi-Zenith Satellite System) в Японии. Можно скачать программу GPS Test, которая покажет, какие спутники видит ваш смартфон. Например, на скриншоте ниже отображаются флаги GPS, ГЛОНАСС и Galileo.

GPS прекрасная технология, но медленная (пока там все спутники найдешь и опросишь) и потребляющая много энергии и хорошо работающая на открытой местности, поэтому была придумана ещё A-GPS (Assisted GPS). Принцип основан на том, что пока GPS ищет спутники, смартфон успевает опросить сотовые вышки, Wi-Fi сети, Bluetooth устройства на предмет местонахождения. Таким образом существенно увеличивается время «холодного» старта, а также снижается расход энергии.

Двухдиапазонный GPS. Поддержка этой опции появилась в устройствах начbfz с Android 7 и старше. iPhone так не умеет. 

Обычно спутники посылают два сигнала: грубый и точный. Если говорить про GPS, то это каналы L1 и L5, а у Галилео это E1 и Е5. L1 – это грубый канал. В городе любой сигнал достигает до спутника не только напрямую, но и отражаясь от сторонних объектов (например, зданий), то есть к спутнику прилетает сразу несколько сигналов. Соответственно, и возвращается он также не один, и образуется примерная область нахождения, где все вернувшиеся сигналы пересекаются. Ещё есть точный канал L5. Этот канал гораздо меньше подвержен искажением, так как работает по принципу: Первый достигший спутника сигнал и есть верный (ведь он идет по самому короткому пути, а не через отражения), а остальные можно игнорировать. 

Раньше L5 принадлежал только военным и спец объектам, но теперь спутников в небе стало много, и L5-спутников хватит на всех, поэтому было решено поделиться.

Вместо заключения

Счётчик Гейгера – самый неожиданный датчик, правда? Это японская тема. И насколько есть информация в интернете, такой датчик был только в телефоне Sharp Pantone 5, который вышел после аварии на атомной станции Фукусима-1. 

Современный смартфон должен иметь на борту: акселерометр, гироскоп, датчик приближения и освещения. Также обязательно наличие компаса. Если без гироскопа можно обойтись, то точка на карте без направления раздражает. A-GPS уже есть во всех смартфонах. Отлично если GPS будет работать в двух диапазонах. Шикарно, если будет барометр. 

Как использовать акселерометр в качестве концевика

v_gerzha

Загрузка

23.02.2019

697

Вопросы и ответы

Возможно ли использовать акселерометр ADXL345 в качестве концевика.

Ответы на вопросы

Популярные вопросы

virus123rus

Загрузка

07.07.2021

783

Здравствуйте форумчане, хочу штангенциркуль, можете поделиться опытом. Не могу подобрать. Можете подсказать. Рассматриваю SHAHE IP54.Цена до 3тысячь р…

Читать дальше

Andrey6156

Загрузка

08.07.2021

879

Нужно в китае заказать платки, но начертить в программе мне не удается… Кто может помочь ?

Схемка вот такая

Если к…

Читать дальше

mlizart

Загрузка

26.05.2018

34866

Часто участникам портала приходится изготавливать зубчатые колеса и шестерни. Но мало кто задается вопросом, в чем их отличие?

Недавн…

Читать дальше

Тахограф «меркурий та-001» (глонасс/gps, акселерометр)

Тахограф «Меркурий ТА-001» обеспечивает непрерывную, некорректируемую регистрацию информации о скорости и маршруте движения транспортных средств (далее –ТС) и предназначен для установки на колёсные транспортные средства категории М2, М3, N2 и N3 (далее – ТС). Тахограф сертифицирован на соответствие требованиям Технического регламента о безопасности колесных транспортных средств (утв. Постановлением Правительства РФ № 720 от 10 сентября 2009 г.), соответствует требованиям Приказов Минтранса РФ от 31 июля 2012 г. N285 и от 13 февраля 2013 года № 36, сертифицирован для установки на ТС, перевозящие опасные грузы.

Основные преимущества для транспортных предприятий и владельцев ТС:

• тахограф позволяет отслеживать местоположение, параметры движения ТС и передачу информации в режиме реального времени в диспетчерский центр или на транспортное предприятие; 
• высокая скорость печати, удобная заправка чековой ленты, экономия бумаги при печати за счёт оригинальной конструкции принтера;
• безопасность в пути и сохранность грузов. Контроль во многом является средством обеспечения безопасности. Например, если автомобиль отклонился от намеченного маршрута или надолго остановился – это отображается на карте. А, значит, можно узнать у водителя причину. Если это ДТП, поломка или у диспетчера возникло подозрение в попытке хищения груза, можно вызвать на место экстренные службы, сообщив им координаты ТС. Вместе с тем, в тахографе предусмотрена возможность подключения тревожной кнопки, нажатие которой сообщит диспетчеру об экстренной ситуации с указанием местоположения ТС; 
• реализована возможность подключения проводной или беспроводной гарнитуры для обеспечения голосовой или «громкой» связи в кабине автомобиля, приёма SMS-сообщений, телефонных звонков из запрограммированного списка абонентов, а также возможность обратного вызова; 
• высокая скорость передачи данных, позволяющая за короткое время выгружать информацию из памяти тахографа на электронный носитель (USB флеш-диск) за последний год работы; 
• в тахографе применено несколько независимых систем оценки параметров движения автомобиля, работающих одновременно: датчик скорости, навигационная система ГЛОНАСС/GPS, 3D-сенсор движения (акселерометр), что позволяет исключить манипуляции со стороны водителя с данными о скорости движения и величине пробега ТС; 
• возможность подключения дополнительных датчиков уровня топлива, температуры в рефрижераторе и др. через имеющиеся интерфейсы RS-485, RS-232, CAN-шину, аналоговые входы, цифровые входы без применения дополнительных внешних модулей; 
• контроль расхода топлива. Убытки предприятий, располагающих парком из грузовых автомобилей и спецтехники, которые возникают в результате воровства ГСМ, сложно недооценить. Существует множество способов хищения и только одна объективная причина – отсутствие эффективной системы контроля и учета горючего. По оценкам экспертов установка тахографов с аппаратурой спутниковой навигации систем ГЛОНАСС позволяет сократить потребление топлива на 20- 40% в зависимости от сферы деятельности;
• повышение трудовой дисциплины водителей. Не секрет, что для многих водителей использование служебного транспорта для личных нужд является нормой. При этом топливо, потраченное на такие поездки, оплачивает компания, как и отработанное водителем время в полном объеме. После установки тахографа несанкционированные рейсы достаточно легко отследить. В итоге сокращается реальный пробег ТС, расходы на ГСМ, а водитель посвящает рабочие часы выполнению своих непосредственных обязанностей; 
• улучшение качества работы. В течение первых нескольких дней с момента внедрения системы вы получите необходимые данные, анализ которых позволит скорректировать маршруты и расписание. В результате можно улучшить имидж компании и эффективность работы; 
• тахограф позволяет выводить на экран и на печать различные данные, формировать отчёты о скорости движения, пробеге ТС, режимах труда и отдыха водителя, событиях и неисправностях ТС и пр.; 
• некорректируемая регистрация информации в средстве криптографической защиты информации (СКЗИ) о маршрутах движения, параметрах движения транспортного средства, режимах труда и отдыха водителя позволяет иметь объективную, юридически значимую информацию, которую можно предъявить в страховой компании, в суде и пр. для доказывания своей правоты в случае ДТП.

Основные преимущества тахографов Меркурий ТА-001 для водителей ТС:

• большой защищенный от ударов графический дисплей с удобным многострочным меню и интуитивно понятным интерфейсом; 
• настройка яркости, контрастности и угла обзора дисплея, автоматическая регулировка подсветки в зависимости от подсветки приборной панели; 
• правовая защита водителя от недобросовестных контролёров, так как данные с тахографа имеют независимый юридически значимый статус, могут быть использованы при рассмотрении спорных ситуаций на дороге, страховых случаев, при разборе ДТП и пр.; 
• информирование водителя о приближающемся окончании времени непрерывного нахождения за рулём ТС, о нарушениях водителем режимов труда и отдыха, скоростного режима; 
• возможность голосовой связи с диспетчерской, приём текстовых сообщений, подачи сигнала тревоги; 
• защита от недобросовестных работодателей, пытающихся использовать труд водителя вне рамок, определенных законодательством.

Основы акселерометра

— learn.sparkfun.com

Что такое акселерометр?

Акселерометры — это устройства, которые измеряют ускорение, то есть скорость изменения скорости объекта. Они измеряются в метрах в секунду в квадрате (м / с ² ) или в перегрузках (g). Единичная перегрузка для нас здесь, на планете Земля, эквивалентна 9,8 м / с ² , но это немного зависит от высоты (и будет другим значением на разных планетах из-за изменений гравитационного притяжения).Акселерометры полезны для измерения вибрации в системах или для ориентации.

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы с какой-либо из приведенных ниже тем, вы можете прочитать их, прежде чем переходить к акселерометрам.

Логические уровни

Узнайте разницу между устройствами 3,3 В и 5 В и логическими уровнями.

I2C

Введение в I2C, один из основных используемых сегодня протоколов встроенной связи.

Как работает акселерометр

Акселерометры

— это электромеханические устройства, которые определяют статические или динамические силы ускорения. Статические силы включают гравитацию, а динамические силы могут включать колебания и движение.

Оси измерения трехосного акселерометра

Акселерометры

могут измерять ускорение по одной, двум или трем осям. 3-осевые агрегаты становятся все более распространенными, поскольку стоимость их разработки снижается.

Обычно акселерометры содержат внутри емкостные пластины. Некоторые из них зафиксированы, а другие прикреплены к крохотным пружинам, которые перемещаются внутри, когда на датчик действуют силы ускорения. Когда эти пластины перемещаются относительно друг друга, емкость между ними изменяется. По этим изменениям емкости можно определить ускорение.

Другие акселерометры могут быть ориентированы на пьезоэлектрические материалы. Эти крошечные кристаллические структуры выделяют электрический заряд, когда подвергаются механическому воздействию (например.грамм. ускорение).

Пример внутренней части пьезоэлектрического акселерометра

Как подключить к акселерометру

Для большинства акселерометров основными соединениями, необходимыми для работы, являются питание и линии связи. Как всегда, прочтите техническое описание, чтобы убедиться, что все соединения выполнены правильно.

Интерфейс связи

Акселерометры

обмениваются данными через аналоговый, цифровой интерфейс или интерфейс с широтно-импульсной модуляцией.

• Аналоговый — акселерометры с аналоговым интерфейсом показывают ускорение при различных уровнях напряжения. Эти значения обычно колеблются между уровнем заземления и уровнем напряжения питания. Затем для считывания этого значения можно использовать АЦП на микроконтроллере. Как правило, они дешевле цифровых акселерометров.

• Цифровой — Акселерометры с цифровым интерфейсом могут обмениваться данными через протоколы связи SPI или I ² C.Они, как правило, обладают большей функциональностью и менее чувствительны к шуму, чем аналоговые акселерометры.

• Широтно-импульсная модуляция (PWM) — Акселерометры, которые выводят данные с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM), выводят прямоугольные волны с известным периодом, но с рабочим циклом, который изменяется с изменениями ускорения.

Мощность

Акселерометры обычно маломощные. Требуемый ток обычно находится в диапазоне микро (µ) или миллиампер при напряжении питания 5 В или меньше.Потребляемый ток может варьироваться в зависимости от настроек (например, режим энергосбережения по сравнению со стандартным рабочим режимом). Эти различные режимы могут сделать акселерометры подходящими для приложений с батарейным питанием.

Убедитесь, что соответствующие логические уровни согласованы, особенно с цифровыми интерфейсами.

Как выбрать акселерометр

При выборе акселерометра важно учитывать несколько функций, включая требования к питанию и интерфейсы связи, как обсуждалось ранее.Дополнительные возможности для рассмотрения приведены ниже.

Диапазон

Большинство акселерометров имеют выбираемый диапазон измеряемых сил. Эти диапазоны могут варьироваться от ± 1 г до ± 250 г. Как правило, чем меньше диапазон, тем более чувствительными будут показания акселерометра. Например, для измерения небольших вибраций на столе использование акселерометра с малым диапазоном дает более подробные данные, чем использование диапазона 250g (который больше подходит для ракет).

Трехосевой акселерометр ADXL362 может измерять значения ± 2g, ± 4g и ± 8g.

Дополнительные функции

Некоторые акселерометры включают такие функции, как обнаружение постукивания (полезно для приложений с низким энергопотреблением), обнаружение свободного падения (используется для активной защиты жесткого диска), температурная компенсация (для повышения точности в ситуациях точного расчета) и определение диапазона 0 g, которое другие особенности, которые следует учитывать при покупке акселерометра. Потребность в таких функциях акселерометра будет определяться приложением, в которое встроен акселерометр.

Также доступны IMU (инерциальные измерительные блоки), которые могут включать в себя акселерометры, гироскопы и даже, иногда, магнитометры в одном корпусе или плате ИС. Некоторые примеры этого включают MPU6050 и MPU9150. Они обычно используются в приложениях для отслеживания движения и системах наведения БПЛА, где важны местоположение и ориентация объекта.

Покупка акселерометра

Теперь, когда вы выучили азбуку x, y и z, взгляните на рекомендуемые нами акселерометры.

Наши рекомендации:

Чтобы более подробно изучить выбор акселерометра, ознакомьтесь с нашим руководством по покупке , чтобы подобрать подходящий для вашего проекта.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь у вас должны быть все основные инструменты и навыки, необходимые для реализации акселерометра в вашем собственном проекте.

Чтобы узнать больше об акселерометрах, перейдите по следующим ссылкам:

Трехосевой акселерометр

Описание

Примечание: Этого продукта больше нет в наличии.

Измеряя величину ускорения свободного падения, акселерометр может определить угол его наклона по отношению к Земле. Измеряя величину динамического ускорения, акселерометр может определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство. Используя эти два свойства, вы можете создавать всевозможные крутые проекты, от музыкальных инструментов (представьте, что играете и когда наклон, связанный с уровнем искажения или изменением высоты звука), до монитора скорости на вашей машине (или машине ваших детей).Этот 3-осевой акселерометр возрождается с новым приятным чипом и отличной ценой.

Модуль 3-осевого акселерометра оснащен микросхемой MMA7361 от Freescale. MMA7361 работает в двух режимах чувствительности: +/- 1,5g и 6g. На плате датчика по умолчанию установлено значение 1,5 г. Добавьте шунт или используйте вывод GS для программного выбора чувствительности 6g.

Трехосевой датчик акселерометра работает в диапазоне от 2,2 до 6 вольт. Поскольку микросхема MMA7361 работает только с максимумом 3,6 вольт, датчик оснащен регулятором с малым падением напряжения, поэтому датчик будет работать прямо из коробки с Arduino или другим микроконтроллером на 5 вольт.При 5 В датчик потребляет около 50 мкА с отключенным шунтом и 100 мкА с включенным шунтом. Потребляемый ток при 3,3 В составляет 150/200 мкА соответственно.

Модуль 3-осевого акселерометра поставляется в виде комплекта с 5-контактными вилками, двухконтактным разъемом и шунтом для выбора G. По умолчанию датчик настроен на 1,5 Гбит / с, поэтому вам не нужно устанавливать двухконтактный разъем, если вы используете только более чувствительную настройку.

Приложения

• Ноутбук: обнаружение свободного падения
• Сотовый телефон: стабильность изображения, прокрутка текста, набор по движению, электронный компас
• Шагомер: датчик движения
• Портативный портативный компьютер: прокрутка текста
• Навигация и счисление: компенсация наклона электронного компаса
• Игры: датчик наклона и движения, регистратор событий
• Робототехника: обнаружение движения

Технические характеристики

• Встроенная защита от допуска 5 В
• Выбираемая чувствительность (1.5 г / 6 г)
• Низкое потребление тока: 500 мкА
• Спящий режим: 3 мкА
• Работа при низком напряжении: 2,2 В — 3,6 В
• Высокая чувствительность (800 мВ / г при 1,5 г)
• Размеры: 0,950 ″ x 0,550 ″ x 0,105 ″ (толщина) без заголовков

Ресурсы

Полнофункциональный шагомер

, реализованный с помощью 3-осевого цифрового акселерометра

Введение

Шагомер

, популярный в настоящее время в качестве средства контроля и мотивации ежедневных упражнений, может побудить людей соревноваться с самими собой в улучшении физической формы и похудении.В ранних конструкциях для обнаружения шагов использовался механический переключатель с весами, а также простой счетчик. Когда эти устройства встряхиваются, можно услышать, как металлический шар скользит взад и вперед, или маятник останавливается при качании.

Сегодня современные шагомеры полагаются на микроэлектромеханических систем (MEMS) инерциальные датчики и сложное программное обеспечение для обнаружения истинных шагов с высокой вероятностью; Инерционные датчики MEMS позволяют более точно определять шаги и уменьшать количество ложных срабатываний. Используя преимущества низкой стоимости и минимальных требований к пространству и мощности инерциальных датчиков MEMS, шагомеры интегрируются во все большее количество портативных бытовых электронных устройств, таких как музыкальные плееры и мобильные телефоны.Небольшие, тонкие, маломощные 3-осевые акселерометры ADXL335, ADXL345 и ADXL346 от Analog Devices очень подходят для таких приложений.

В этой статье, основанной на исследовании характеристик каждого шага человека, описывается эталонный дизайн с использованием 3-осевого акселерометра ADXL345 в полнофункциональном шагомере, который может распознавать и подсчитывать шагов, , а также измерять расстояние , скорость , и — в некоторой степени — калорий сожжено .

Запатентованный (заявка на патент) встроенный 32-уровневый буфер ADXL345 по принципу «первым пришел — первым обслужен» (FIFO) ADXL345 может хранить данные и работать с ними для приложений шагомера, чтобы свести к минимуму вмешательство хост-процессора и, таким образом, сэкономить мощность системы — большая забота о портативных устройствах.Его 13-битное разрешение (4 мг / младший значащий бит) позволяет шагомерам даже измерять медленную ходьбу (где каждый шаг соответствует примерно 55 мг изменения ускорения) с разумной точностью.

Знакомство с моделью

Из характеристик, которые можно использовать для анализа бега или ходьбы, мы выбираем ускорение в качестве соответствующего параметра. Три компонента движения для человека (и связанных с ними осей): вперед (поворот ), , вертикаль ( рыскание, ) и бок ( шаг, ), как показано на рисунке 1.ADXL345 определяет ускорение по трем осям: x, y и z. Шагомер будет находиться в неизвестной ориентации, поэтому точность измерения не должна критически зависеть от соотношения между осями движения и осями измерения акселерометра.

Рисунок 1. Определение каждой оси.

Давайте подумаем о природе ходьбы. На рисунке 2 изображен отдельный шаг, определенный как единичный цикл поведения при ходьбе, и показана взаимосвязь между каждым этапом цикла ходьбы и изменением вертикального и прямого ускорения.

Рис. 2. Этапы ходьбы и схема ускорения.

На рис. 3 показан типичный образец измерений x, y и z, соответствующих вертикальному, прямому и боковому ускорению бегущего человека. По крайней мере, одна ось будет иметь относительно большие периодические изменения ускорения, независимо от того, как надет шагомер, поэтому определение пика и алгоритм динамического определения порогового значения для ускорения по всем трем осям необходимы для обнаружения единичного цикла ходьбы или бега.

Рис. 3. Типичная картина ускорений по осям x, y и z, измеренная у бегущего человека.

Алгоритм

Параметр шагов

Цифровой фильтр: Во-первых, необходим цифровой фильтр для сглаживания сигналов, показанных на рисунке 3. Можно использовать четыре регистра и суммирующий блок, как показано на рисунке 4. Конечно, для ускорения можно использовать больше регистров. данные более плавные, но время отклика будет медленнее.

Рисунок 4. Цифровой фильтр.

На рисунке 5 показаны отфильтрованные данные от наиболее активной оси шагомера, который носит идущий человек. Для бегуна величина размаха будет выше.

Рисунок 5. Отфильтрованные данные наиболее активной оси.

Динамический порог и динамическая точность: Система непрерывно обновляет максимальные и минимальные значения трехосевого ускорения каждые 50 отсчетов. Среднее значение ( Max + Min ) / 2 называется динамическим пороговым уровнем . Для следующих 50 выборок этот пороговый уровень используется для определения того, были ли предприняты шаги. Поскольку он обновляется каждые 50 выборок, порог является динамическим.Этот выбор адаптивный и достаточно быстрый. Помимо динамического порога, для дальнейшей фильтрации также используется динамическая точность, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Динамический порог и динамическая точность.

Регистр линейного сдвига и динамический порог используются для определения того, был ли сделан эффективный шаг. Регистр линейного сдвига содержит два регистра: регистр sample_new и регистр sample_old. Данные в них называются sample_new и sample_old соответственно.Когда приходит новая выборка данных, sample_new безоговорочно сдвигается в регистр sample_old. Однако то, будет ли sample_result сдвигаться в регистр sample_new, зависит от условия: если изменения в ускорении превышают заранее заданную точность, результат самой последней выборки, sample_result , смещается в регистр sample_new; в противном случае регистр sample_new останется без изменений. Таким образом, группа регистров сдвига может удалить высокочастотный шум и сделать решение более точным.

Шаг определяется как происходящий, если имеется отрицательный наклон графика ускорения ( sample_new ), когда кривая ускорения пересекает ниже динамического порога.

Обнаружение пика: Счетчик шагов вычисляет шаги по оси x, оси y или оси z, в зависимости от того, изменение ускорения какой оси является наибольшим. Если изменения ускорения слишком малы, счетчик шагов их отбросит.

Счетчик шагов может хорошо работать при использовании этого алгоритма, но иногда он кажется слишком чувствительным.Когда шагомер очень быстро или очень медленно вибрирует по причине, отличной от ходьбы или бега, счетчик шагов также будет принимать это как шаг. Такие недопустимые колебания необходимо отбросить, чтобы найти истинные ритмические шаги. Временное окно и регулировка счета используются для решения этой проблемы.

Временное окно используется для исключения недопустимых вибраций. Мы предполагаем, что люди могут бегать со скоростью пять шагов в секунду и ходить со скоростью один шаг каждые две секунды.Таким образом, интервал между двумя действительными шагами определяется как находящийся во временном окне [от 0,2 до 2,0 с]; все шаги с интервалами вне временного окна следует отбросить.

Функция ADXL345 — выбираемая пользователем скорость вывода данных полезна при реализации временного окна. В таблице 1 показана настраиваемая скорость передачи данных (и потребление тока) при T _A = 25 ° C, V _S = 2,5 В и V _{DD I / O} = 1,8 В.

Таблица 1. Скорость передачи данных и потребление тока

Этот алгоритм использует скорость передачи данных 50 Гц (20 мс). Регистр с именем interval записывает, сколько раз данные обновлялись в течение двух шагов.Если значение интервала между 10 и 100, это означает, что время между двумя шагами находится в допустимом окне; в противном случае интервал находится вне временного окна и шаг недействителен.

Регулирование счета определяет, являются ли шаги частью ритмического паттерна. Счетчик шагов имеет два рабочих состояния: поисковое регулирование и обнаруженное регулирование. Когда счетчик шагов начинает работать, он работает в режиме поиска регулирования. Предположим, что код в правиле существует после четырех непрерывных действительных шагов.Затем результат обновится и отобразится, а счетчик шагов будет работать в режиме обнаруженного регулирования. При работе в этом режиме счетчик шагов будет обновляться после каждого действительного шага. Но если будет обнаружен хотя бы один недопустимый шаг, счетчик шагов вернется в режим поиска регулирования и будет искать четыре непрерывных действительных шага.

На рисунке 7 показана блок-схема алгоритма для параметра шагов.

Рисунок 7. Блок-схема алгоритма параметров шагов.

Параметр расстояния

После вычисления параметра шагов в соответствии с приведенным выше алгоритмом мы можем использовать уравнение 1 для получения параметра расстояния.

Расстояние = количество шагов × расстояние на шаг (1)

Расстояние на шаг зависит от скорости и роста пользователя. Длина шага будет больше, если пользователь будет выше или бежит с большей скоростью. В эталонном дизайне параметры расстояния, скорости и калорий обновляются каждые две секунды. Итак, мы используем шаги, рассчитываемые каждые две секунды, чтобы оценить текущую длину шага. В таблице 2 показаны экспериментальные данные, использованные для оценки текущего шага.

Таблица 2. Шаг как функция скорости (шагов за 2 с) и высоты

Интервал в 2 секунды можно точно рассчитать по количеству отсчетов. Что касается скорости передачи данных 50 Гц, процессор может отправлять соответствующую команду на ПК каждые 100 выборок. Процессор использует переменную с именем m_nLastPedometer для записи количества шагов в начале каждого 2-секундного интервала и переменную с именем m_nPedometerValue для записи количества шагов в конце каждого 2-секундного интервала.Затем шаги за 2 с вычисляются как m_nPedometerValue минус m_nLastPedometer .

Хотя скорость передачи данных составляет 50 Гц, встроенный FIFO ADXL345 избавляет процессор от необходимости считывать данные каждые 20 мс, сводя к минимуму нагрузку на главный процессор. Буфер имеет четыре режима: обход , FIFO , поток и триггер . В режиме FIFO данные измерений по осям x- , y- и z- сохраняются в FIFO.Когда количество выборок в FIFO равно уровню, указанному в битах выборок регистра FIFO_CTL, устанавливается прерывание водяного знака . Как обсуждалось ранее, люди могут бегать со скоростью до пяти шагов в секунду, поэтому результат должен обновляться каждые 0,2 с, чтобы отображать результат в реальном времени. Процессору нужно только получать данные от ADXL345 каждые 0,2 с; он может быть разбужен прерыванием водяного знака . Другие функции FIFO также очень полезны. Используя режим триггера, FIFO может сообщить нам, что происходит до прерывания.Поскольку предлагаемое решение не использует другие функции FIFO, они не будут обсуждаться дальше.

Параметр скорости

Скорость = расстояние / время , поэтому уравнение 2 можно использовать для получения параметра скорости, поскольку шаги за 2 с и шаг были рассчитаны в соответствии с приведенным выше алгоритмом.

Скорость = шагов на 2 с × шагов / 2 с (2)

Параметр калорий

Нет точных средств для расчета скорости расходования калорий.Некоторые факторы, которые определяют его, включают массу тела, интенсивность тренировки, уровень физической подготовки и метаболизм. Однако мы можем оценить это, используя обычное приближение. В таблице 3 показана типичная зависимость между расходом калорий и скоростью бега.

Таблица 3. Израсходованные калории в зависимости от скорости бега

Из таблицы 3 получаем (3).

калорий (Кл / кг / ч) = 1,25 × скорость бега (км / ч) (3)

Используемая выше единица измерения скорости — м / с; преобразование км / ч в м / с дает Уравнение 4.

калорий (Кл / кг / ч) = 1,25 × скорость (м / с) × 3600/1000 = 4,5 × скорость (м / с) (4)

Параметр калорий будет обновляться каждые 2 с параметрами расстояния и скорости. Итак, чтобы учесть вес спортсмена, мы можем преобразовать уравнение 4 в уравнение 5, как показано.Вес (кг) вводится пользователем, и один час равен 1800 2-секундным интервалам.

калорий (C / 2 с) 4,5 × скорость × вес /1800 = скорость × вес /400 (5)

Если пользователь делает перерыв после ходьбы или бега, не будет никаких изменений в шагах и расстоянии, скорость должна быть равна нулю, тогда для потраченных калорий можно использовать уравнение 6, поскольку расход калорий составляет около 1 Кл / кг / час во время отдыха. .

Калорий (Кл / 2 с) = 1 × вес /1800 (6)

Наконец, мы можем сложить калории для всех 2-секундных интервалов вместе, чтобы получить общее количество израсходованных калорий.

Подключение оборудования

ADXL345 легко подключить к любому процессору с использованием протоколов цифровой связи I ² C или SPI. На рисунке 8 представлена ​​упрощенная схема демонстрационного оборудования, которое питается от 3-вольтовых батарей. Вывод / CS ADXL345 связан с V _S на плате, чтобы выбрать режим I ² C. Недорогой прецизионный аналоговый микроконтроллер ADuC7024 используется для чтения данных из ADXL345, реализации алгоритма и отправки результата на ПК через UART.SDA и SCL, данные и часы для шины I ² C, подключаются от ADXL345 к соответствующим контактам ADuC7024. Два контакта прерывания ADXL345 подключены к входам IRQ ADuC7024 для генерации различных сигналов прерывания и пробуждения процессора.

Рисунок 8. Упрощенная схема аппаратной системы.

Пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс отображает тестовые данные и реагирует на команды оператора. Последовательный порт должен быть открыт, а каналы связи должны быть запущены после запуска пользовательского интерфейса (UI).После этого демонстрация может работать непрерывно. На рисунке 9 показана тестовая демонстрация, когда пользователь идет или бежит с шагомером. Пользователи могут вводить свои собственные данные о росте и весе. На основе этих данных будут рассчитаны параметры расстояния, скорости и калорий.

Рисунок 9. Тестовая демонстрация, когда пользователь идет или бежит с шагомером.

Заключение

ADXL345 — отличный акселерометр для шагомеров. Благодаря компактному и тонкому пластиковому корпусу размером 3 мм × 5 мм × 0,95 мм, шагомеры, использующие его, можно найти в медицинских инструментах, а также в модных бытовых электронных устройствах.Низкое энергопотребление 40 мкА в режиме измерения и 0,1 мкА в режиме ожидания делают его идеальным выбором для продуктов с батарейным питанием. Существенная экономия энергии достигается за счет встроенного FIFO, который сводит к минимуму нагрузку на главный процессор. Кроме того, выбираемую скорость вывода данных можно использовать для сохранения таймера в процессоре. 13-битное разрешение позволяет обнаруживать небольшие изменения размаха, что позволяет создавать высокоточные шагомеры. Наконец, объединив функцию вывода по 3 осям и алгоритм, описанный выше, пользователи могут носить шагомер практически в любом месте и положении.

Еще пара идей: если приложение чрезвычайно затратно или если предпочтительнее использовать акселерометр с аналоговым выходом, ADXL335 — небольшой, тонкий, маломощный, полный 3-осевой акселерометр с выходным напряжением, регулируемым сигналом, — это то, что вам нужно. рекомендуемые. Если размер печатной платы имеет решающее значение, рекомендуется ADXL346. Это маломощное устройство с даже большим количеством встроенных функций, чем ADXL345, поставляется в небольшом тонком пластиковом корпусе размером 3 мм × 3 мм × 0,95 мм. Диапазон его питающего напряжения — 1.От 7 В до 2,75 В.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить Чарльза Ли и Харви Вайнберга за их технический опыт.

Рекомендации

1. Листы технических данных и дополнительную информацию обо всех продуктах Analog Devices можно найти на сайте www.analog.com.

2. www.analog.com/en/products/mems/accelerometers.html.

3D акселерометр

3D акселерометр

Инженерное творчество для нейробиологии

3D
Акселерометр

Наиболее важные биологические применения ACC-2x
Акселерометр бывают:

• Исследования нейродегенеративных заболеваний

• Диагностика
измерения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и
Болезнь Хантингтона

• Количественная оценка когнитивных функций

Типичные области применения
ACC-2x Акселерометр:

• Измеряемый диапазон ускорения достаточно широк, чтобы
охватить все биологические исследования и диагностические приложения

• Это идеальный инструмент
для измерения вибрации в целом

• Уникальной областью применения является
высококлассная микроскопия и оценка попыток виброизоляции и
решения

ACC-2x — это полноценный 3-осевой акселерометр.Это
измеряет ускорение в номинальном полном диапазоне +/- 2 g. Он может измерить
статическое ускорение свободного падения в приложениях для измерения наклона, а также
динамическое ускорение в результате движения, удара или вибрации. Он может измерить
ускорение в трех измерениях (3 оси) независимо друг от друга. это
совместим с любыми системами сбора данных (DAQ) на базе ПК благодаря своему аналогу
выходы напряжения.

В этом описании в связи с 3D
Акселерометр, единица измерения г означает стандартный гравитационный
ускорение (9.80665 м / с ² )

Датчик акселерометра ACC-2x чрезвычайно
небольшой. Эта полезная функция позволяет подключать его к любой цели, чтобы быть
измеряется без нарушения исходной вибрационной ситуации. Несмотря на высокий
чувствительность сенсора (разрешение 0,001 г), выдерживает 10000 г
шоковая перегрузка.

Нажмите на картинку, чтобы получить ее в полном размере

Вы можете увидеть оси, относящиеся к внешней форме датчика на этом чертеже:

Нажмите на картинку, чтобы получить ее в полном размере

Акселерометр ACC-2x имеет:

• Чрезвычайно высокий
чувствительность

• Отличная линейность

• Превосходная температурная стабильность

• широкий
пропускная способность (быстрая скорость записи)

• Очень хорошая долгосрочная стабильность

Нажмите на картинку, чтобы получить ее в полном размере

Спецификации / Технические характеристики

3D
измерение, три оси с тремя независимыми аналоговыми выходами напряжения

Полный диапазон измерения: +/- 2 г

Разрешение: 0.001 г

Наихудшая ошибка значения полной шкалы: <5%

Максимальная погрешность линейности: <5%

Выбор масштабного коэффициента:

420 мВ / г

840 мВ / г

2,0 В / г

Выбор пропускной способности:

10 Гц

50 Гц

100 Гц

200 Гц

500 Гц

Сопротивление аналогового выхода: 300 Ом

Размеры сенсорной платы: 8 x 8 x 3 мм

Размеры оборудования: 160 х 200 х 65
(Ширина x Глубина x Высота)

Вес: 1 кг

Напряжение питания: от 15 до 24 В постоянного тока любой полярности

Постоянный ток питания: 500 мА

В
полный
Пользователь
Инструкция г.
Акселерометр ACC-2x доступен для загрузки.

Цены

Ты можешь
найти общую гарантию и
условия доставки в
начало

Услуги стр.

3D
Акселерометр ACC-2x, версия с питанием от постоянного тока: 430

евро

Плагин DC
Блок питания ACC-DCPS-1, он же
необходимо заказать для 3D
Акселерометр ACC-2x: 35

евро

2 метра
длинный плоский сенсорный кабель CACC-1, в сборе
с разъемами Berg и Precidip:
32 EUR

Плата 3D сенсоров ACCSEN-1, в сборе и калибровке,
8 x 8 мм, с датчиком ускорения
IC, плоский кабель 3 см и Precidip
разъем: 65 EUR

Датчик ускорения IC
(распаян, разобран) ACCIC-1, для
Самостоятельная заявка: 18

евро

Пустой
(распаян, в разобранном виде) 3D-сенсор 8 x 8 мм
плата ACCPCB-1, для самостоятельного применения: 14

евро

Авторское право @ Supertech Instruments — с 1991 г.

LSM6DS33 Трехмерный акселерометр и гироскоп с регулятором напряжения

Обзор

Это компактная плата (0.Коммутационная плата размером 4 ″ × 0,9 ″) для инерционного модуля LSM6DS33 от ST, который оснащен 3-осевым цифровым линейным акселерометром и 3-осевым цифровым гироскопом скорости; Поэтому мы рекомендуем внимательно прочитать техническое описание LSM6DS33 (1 МБ pdf) перед использованием этого продукта. LSM6DS33 — отличная ИС, но ее небольшой корпус затрудняет ее использование обычным студентом или любителем. Он также работает при напряжениях ниже 3,6 В, что может затруднить взаимодействие микроконтроллеров, работающих от 5 В. Эта несущая плата решает эти проблемы за счет включения дополнительной электроники, в том числе 3.Стабилизатор напряжения 3 В и схемы переключения уровня, сохраняя при этом габаритные размеры как можно более компактными. Плата поставляется полностью укомплектованной SMD-компонентами, включая LSM6DS33, как показано на изображении продукта.

Инерциальный измерительный блок (IMU) LSM6DS33 имеет множество настраиваемых опций, включая динамически выбираемую чувствительность для акселерометра и гироскопа, выбор скорости передачи данных на выходе и два независимо программируемых контакта внешнего инерционного прерывания. Акселерометр и гироскоп можно включать и выключать по отдельности для экономии энергии.Датчик можно настроить, а к его показаниям можно получить доступ через цифровой интерфейс, который можно настроить для работы в режиме I²C (TWI) или SPI.

Шесть независимых показаний ускорения и угловой скорости (иногда называемые 6DOF) предоставляют данные, которые микроконтроллер или компьютер могут использовать для расчета ориентации LSM6DS33 по двум осям (крен и тангаж; для точного вычисления рыскания обычно требуется магнитометр). При соответствующем алгоритме гироскоп можно использовать для очень точного отслеживания вращения в коротком временном масштабе, в то время как акселерометр может помочь компенсировать дрейф гироскопа с течением времени, предоставляя абсолютную систему отсчета.

Несущая плата включает линейный стабилизатор напряжения с малым падением напряжения, который обеспечивает 3,3 В, необходимые для LSM6DS33, что позволяет питать датчик от источника 2,5-5,5 В. Выход регулятора доступен на выводе VDD и может подавать почти 150 мА на внешние устройства. Коммутационная плата также включает в себя схему, которая переводит тактовые импульсы I²C и линии данных на тот же уровень логического напряжения, что и входящий в комплект VIN, что упрощает взаимодействие платы с системами 5 В и 0 на плате.Расстояние между выводами 1 дюйм упрощает использование стандартных беспаечных макетов и 0,1-дюймовых перфорированных плат.

Этот держатель LSM6DS33 по контактам совместим со многими из наших предыдущих держателей датчиков ST I²C / SPI, включая держатель компаса и акселерометра LSM303D и держатель гироскопа L3GD20H, а ориентация осей датчика такая же. Однако, поскольку микросхемы содержат разные датчики с разными адресами I²C и регистрами конфигурации, код, написанный для интерфейса с другой микросхемой, необходимо будет изменить для работы с LSM6DS33.

Для приложений слияния датчиков наши инерциальные измерительные блоки MinIMU-9 v5 и AltIMU-10 v5 объединяют этот LIS3MDL с 3-осевым акселерометром LSM6DS33 и 3-осевым гироскопом на одной плате, обеспечивая девять независимых показаний, которые можно использовать для расчета абсолютная ориентация. AltIMU-10 v5 также включает датчик давления LPS25H, который можно использовать для расчета высоты.

Технические характеристики

• Размеры: 0,4 ″ × 0,9 ″ × 0,1 ″ (10 × 23 × 3 мм)
• Вес без штифтов жатки: 0.6 г (0,02 унции)
• Рабочее напряжение: от 2,5 В до 5,5 В
• Ток питания: 2 мА
• Формат вывода (I²C / SPI):
  • Акселерометр: одно 16-битное показание на ось
  • Гироскоп: одно 16-битное показание на ось
• Диапазон чувствительности (настраиваемый):
  • Акселерометр: ± 2, ± 4, ± 8 или ± 16 г
  • Гироскоп: ± 125, ± 245, ± 500, ± 1000 или ± 2000 ° / с

Компоненты в комплекте

Полоса размером 1 × 9 0.В комплект входят штыри жатки размером 1 дюйм и полоса 1 × 9 с прямоугольными штырями 0,1 дюйма, как показано на рисунке ниже. Вы можете припаять полосу заголовка по вашему выбору к плате для использования с нестандартными кабелями или макетными платами без пайки, или вы можете припаять провода непосредственно к самой плате для более компактной установки.

На плате есть одно монтажное отверстие, которое подходит для винтов №2 и M2 (не входят в комплект).

Использование LSM6DS33

Подключения

Независимо от интерфейса, используемого для связи с LSM6DS33, его вывод VIN должен быть подключен к 2.Источник от 5 В до 5,5 В, а GND должен быть подключен к 0 вольт. (В качестве альтернативы, если вы используете плату с системой 3,3 В, вы можете оставить VIN отключенным и обойти встроенный регулятор, подключив 3,3 В напрямую к VDD.)

Для использования LSM6DS33 в режиме I²C (это режим по умолчанию) необходимо минимум два логических соединения: SCL и SDA. Эти контакты подключены к встроенным регуляторам уровня, что делает их безопасными для использования при напряжении более 3,3 В; они должны быть подключены к шине I²C, работающей на том же логическом уровне, что и VIN.Остальные контакты не подключены к переключателям уровня на плате и не допускают 5 В, но наш 4-канальный двунаправленный логический переключатель уровня может использоваться с этими контактами извне для достижения того же эффекта.

Для использования LSM6DS33 в режиме SPI обычно используются четыре логических соединения: SPC, SDI, SDO и CS. Они должны быть подключены к шине SPI, работающей на том же логическом уровне, что и VIN. Интерфейс SPI по умолчанию работает в 4-проводном режиме, с SDI и SDO на разных выводах, но его можно настроить для использования 3-проводного режима, чтобы SDO делил вывод с SDI.

Распиновка

Принципиальная схема

На схеме выше показаны дополнительные компоненты, которые несущая плата включает в себя, чтобы упростить использование LSM6DS33, включая регулятор напряжения, который позволяет питать плату от одного 2.Источник питания 5–5,5 В и схема сдвига уровня, обеспечивающая обмен данными I²C и SPI на том же уровне логического напряжения, что и VIN. Эта схема также доступна в виде загружаемого PDF-файла (89 КБ pdf).

Связь I²C

Когда вывод CS находится в состоянии по умолчанию (подтянут к VDD), LSM6DS33 может быть настроен, а его показания могут быть запрошены через шину I²C. Переключатели уровня на тактовом сигнале I²C (SCL) и линиях передачи данных (SDA) обеспечивают связь I²C с микроконтроллерами, работающими при том же напряжении, что и VIN (2.5-5,5 В). Подробное объяснение протокола можно найти в таблице данных LSM6DS33 (1 МБ pdf), а более подробную информацию о I²C в целом можно найти в спецификации шины I²C NXP (1 МБ pdf).

В режиме I²C 7-битный адрес ведомого датчика имеет младший значащий бит (LSb), определяемый напряжением на выводе SA0. Плата-носитель подтягивает SA0 к VDD через резистор 10 кОм, делая LSb равным 1 и устанавливая адрес подчиненного устройства равным 1101011b по умолчанию. Если выбранный адрес подчиненного устройства конфликтует с каким-либо другим устройством на вашей шине I²C, или если вы хотите использовать два датчика LSM6DS33 на одной шине, вы можете установить низкий уровень SA0, чтобы установить LSb в 0 (что устанавливает адрес подчиненного устройства равным 1101010b. ).

Интерфейс I²C на LSM6DS33 соответствует стандарту быстрого режима I²C (400 кГц). В наших тестах платы мы смогли обмениваться данными с чипом на тактовых частотах до 400 кГц; более высокие частоты могут работать, но не тестировались.

Связь SPI

Для связи с LSM6DS33 в режиме SPI на выводе CS (который плата подтягивает к VDD через резистор 10 кОм) должен быть установлен низкий уровень до начала команды SPI и разрешен возврат в высокий уровень после завершения команды.Переключатели уровня на линиях тактовых импульсов SPI (SPC) и данных в (SDI) обеспечивают связь SPI с микроконтроллерами, работающими при том же напряжении, что и VIN (от 2,5 В до 5,5 В).

В стандартном 4-проводном режиме датчик передает данные мастеру SPI по выделенной линии вывода данных (SDO) без сдвига уровня. Если интерфейс SPI настроен на использование 3-проводного режима, линия SDI дублируется как SDO и управляется LSM6DS33 при передаче данных ведущему устройству. Подробное описание интерфейса SPI на LSM6DS33 можно найти в его техническом описании (1 МБ pdf).

Образец кода

Мы написали базовую библиотеку Arduino для LSM6, которая упрощает взаимодействие этого датчика с платой, совместимой с Arduino или Arduino, например A-Star. Библиотека упрощает настройку LSM6DS33 и считывание необработанных данных акселерометра и гироскопа через I²C.

Подсказки протокола

В техническом описании представлена ​​вся информация, необходимая для использования этого датчика, но выбор важных деталей может занять некоторое время. Вот несколько указателей по взаимодействию и настройке LSM6DS33, которые, как мы надеемся, помогут вам начать работу немного быстрее:

• По умолчанию акселерометр и гироскоп находятся в режиме пониженного энергопотребления.Вы должны включить их, записав соответствующие значения в регистры CTRL1_XL и CTRL2_G.
• Адрес регистра автоматически увеличивается при многобайтовом доступе, что позволяет читать или записывать несколько регистров за одну команду I²C или SPI. В отличие от некоторых других датчиков ST, автоинкремент включен по умолчанию; вы можете отключить его с помощью поля IF_INC в регистре CTRL3_C.
• В дополнение к техническому описанию, ST предоставляет примечания по применению (1 МБ pdf), содержащие дополнительную информацию и советы по использованию LSM6DS33.

Люди часто покупают этот товар вместе с:

«Разработка системы тестирования трехмерного акселерометра» Мохаммед Аббас Судай Алсаеди

Название степени

Магистр наук в области машиностроения

Отдел

Машиностроение и материаловедение

Физическое описание

1 Интернет-ресурс (x, 80 стр.)

Абстрактные

Акселерометры

используются во многих отраслях промышленности, включая авиационные и ракетные системы навигации, роторные машины и электронные устройства, такие как планшеты, сотовые телефоны и фотоаппараты.Акселерометры различного назначения и технических характеристик выпускаются большими партиями. Большой спрос на акселерометры вызывает необходимость в более удобной и точной методологии тестирования акселерометров. Инерциальные микро-электромеханические системы акселерометра (MEMS) требуют серии тестов, которые включают физические стимулы. Одна из ключевых проблем — это стоимость тестирования. Следовательно, точное прогнозирование функций датчика не только сокращает время тестирования, но и, что более важно, способствует снижению затрат на тестирование.

Калибраторы акселерометров

Shaker широко используются для тестирования акселерометров. В шейкерах используется вход синусоидального ускорения, и их диапазон ускорения при испытаниях может составлять от 0,1 g1 до 20 g. Эти устройства проверяют акселерометры по одной оси за раз. В этом исследовании метод и система тестирования трехмерного МЭМС-акселерометра были разработаны для значительного сокращения цикла тестирования путем одновременного тестирования трехмерных осей. Теоретическое исследование показывает, что датчик ускорения, вращающийся вокруг фиксированной оси, испытывает тангенциальное и нормальное ускорение.

Целью этого проекта является разработка методологии тестирования и оборудования для тестирования акселерометров по всем трем осям одновременно в диапазоне ± 50 g при сокращении времени тестирования. Эти ускорения связаны с расстоянием от центра вращения и угловой скоростью. Угловая скорость может контролироваться величиной напряжения, которое подается на двигатель постоянного тока от источника питания, которое регулируется контроллером скорости. Изменяя угловую скорость с помощью регулятора скорости или изменяя расстояние от оси вращения, можно выставить акселерометр на желаемое значение ускорения.

В оборудовании используется вращающийся поворотный стол, где центр стола отмечает ось вращения. Исследуемый акселерометр был установлен на известном расстоянии от центра стола. Полученные нормальные и тангенциальные ускорения рассчитывались по угловой скорости поворотной платформы и положению акселерометра относительно оси вращения. Для определения угловой скорости поворотного стола использовался высокоточный энкодер. Диапазон угловой скорости, которая может быть точно измерена энкодером, влияет на диапазон амплитуды ускорения, который система может использовать для проверки.Используемый энкодер может определять угловую скорость до 0,0144 ° / с. Это соответствует нормальному значению ускорения 2,32 x 10 ^-9 g.

Акселерометр, установленный на поворотной платформе таким образом, что все три его оси подвергаются входному ускорению для проверки акселерометра по всем трем осям одновременно. Программа, написанная на LabVIEW, управляла системой и собирала тестовые данные. Эта программа могла собирать показания ускорения по всем трем осям акселерометра с информацией о положении и скорости входного движения.Собранный набор данных был обработан MATLAB. Эта методология тестирования позволяет использовать несколько входных ускорений в отличие от традиционного метода тестирования акселерометра. Методология испытаний, разработанная в этом исследовании, позволяет использовать входное постоянное ускорение в широком диапазоне (± 50 g). Его наименьший диапазон ускорения составляет 2,32 x 10 ^-9 g. Это сокращает время, необходимое для выравнивания акселерометра по разным осям, и устраняет ошибки, которые могут возникнуть во время ручного изменения положения акселерометра для выравнивания его по другой оси.В моделях ошибок для датчиков акселерометра MEMS используются фильтры Калмана для выполнения полного теста датчика акселерометра.

Модель ошибки акселерометра должна быть построена, и коэффициенты в уравнениях ошибки должны быть определены. Таким образом, фильтр Калмана при анализе визуального движения часто используется в документах. Фильтр построен как минимизатор среднеквадратичной ошибки. Цель фильтрации — извлечь необходимую информацию из сигнала, игнорируя все остальное.

Калибровка трехосевого акселерометра на основе внутренних свойств

Мы разработали метод калибровки трехосных акселерометров, основанный на вращении тестируемого устройства в гравитационном поле Земли с использованием двухосевой таблицы вращения и скорости. Мы уменьшаем погрешности наших измерений, определяя акселерометр по его внутренним свойствам, которые имеют математическое отношение к традиционно используемой матрице чувствительности по поперечным осям в системе отсчета испытательного оборудования.

Чувствительность поперечной оси определяется отношением выходного сигнала акселерометра к возбуждению, перпендикулярному его предполагаемой оси чувствительности. Например, чувствительность s акселерометра оси x к возбуждению вдоль оси y будет представлена ​​как s _xy . Используя это определение, матрицу чувствительности по поперечной оси можно записать как:

$$ S = \ \ left [\ begin {matrix} s_ {xx} & s_ {xy} & s_ {xz} \\ s_ {yx} & s_ {yy} & s_ {yz} \\ s_ {zx} & s_ {zy} & s_ {zz} \\\ end {matrix} \ right] $$

, где s _xx , s _yy и s _zz — чувствительность акселерометров x, y и z для возбуждений в направлениях x, y и z соответственно, а другие члены представляют собой крест чувствительность оси.Обратите внимание, что определение этой матрицы для отклика акселерометра зависит от выравнивания акселерометра с испытательным прибором, поскольку x, y и z представляют собой систему отсчета для испытательного прибора.

Что нового?

Чувствительность хорошо спроектированного акселерометра к поперечным осям первого порядка может быть отнесена к небольшому смещению акселерометра относительно его предполагаемой оси. Для трехосного акселерометра это несовпадение может происходить по ряду причин, но конечным результатом является то, что три оси не идеально ортогональны друг другу.Этот факт лежит в основе нашего описания внутренних свойств устройства, определяемых величиной чувствительности каждого акселерометра и углами между ними. Мы обозначаем единичные векторы \ (\ hat {u} \), \ (\ hat {v} \) и \ (\ hat {w} \), чтобы они указывали в направлениях максимальной чувствительности x, y и z. акселерометры соответственно. Мы обозначаем термины: U, V и W как скалярные чувствительности акселерометров x, y и z в направлении максимальной чувствительности, а φ _uv , φ _vw и φ _wu как углы между ними.Более подробную информацию о методе можно найти в ссылке ниже [1].

Зачем нужен этот метод?

За последнее десятилетие произошел колоссальный рост производства и коммерческого применения трехосных акселерометров, гироскопов и инерциальных измерительных устройств, большинство из которых передает свои измерения в цифровом виде. Тем не менее, национальные измерительные институты мира, которые работают вместе в рамках Соглашения о взаимном признании метрологической конвенции, чтобы установить степень эквивалентности измерений, напрямую поддерживают только одноосные аналоговые эталонные преобразователи.Степень эквивалентности измерений между странами важна, поскольку только с этим уровнем неопределенности измерение, проведенное Национальным институтом измерений в одной стране, эквивалентно измерению в другой. По этой причине мы стремимся постоянно улучшать наши возможности измерения и периодически участвовать в международных ключевых сличениях, чтобы мы могли предоставлять заинтересованным сторонам минимально возможные неопределенности.