NEW LABORATORY TASK MEMS ACCELEROMETER SENSOR. František HRUŠKA

Transkript

1 /009 Volume Issue ISSN 80-57X OTHER RTICLES NEW LBORTORY TSK MEMS CCELEROMETER SENSOR rantišek HRUŠK Resumé: MEMS technolog in the field of sensors is subject with great progress. evelopment of new laborator task MEMS accelerometer sensor is motivated to make real contact possible to the students with the kind of sensor. The students learn the tpical sensor the microcontroller unit and the radio elements for wireless communication. uring the analsis of measured results the students can consider function and qualit of measured date field b the help of method of spherical geometr. Kewords: sensor MEMS accelerometer education informatics automation. NOVÁ LBORTORNÍ ÚLOH MEMS - KCELEROMETRICKÝ SENZOR Resumé: MEMS technologie v oboru senorik je předmětem prudkého rovoje. Vbudování nové laboratorní úloh MEMS akcelerometrický senor má a cíl posktnout studentům reálný kontakt s příkladným sstémem. Student se senámí s vlastním senorem s jeho vhodnocovací jednotkou a bedrátovou komunikací na centrální počítač. Současně student může posoudit funkci a naměřené výsledk podle výpočtů provedených pomocí ákonů prostorové geometrie. Klíčová slova: sensor MEMS akcelerometr výuka informatika automatiace. Úvod Pro imní semestr studijní roku je připravena nová laboratorní úloha do předmětu Senor v sstémech informatik a automatiace s návem MEMS - akcelerometrický senor. Motivem bla nabídka moderního řešení technologií MEMS (Micro-Electro-Mechanical Sstems) pro vícefunkční kapacitní senor a potřeba avádění novinek do výuk působem: Každý rok inovace nebo avedení jedné nové laboratorní úloh. V této nové avedené úloe se student senámení s moderním MEMS senorem pro snímání akcelerace a poloh ve třech osách a s jeho propojením s vhodnocovacím počítačem pomocí bedrátové komunikace. Sestava úloh Sestava úloh MEMS akcelerometrický senor se skládá senorové části umístěné na krchli a USB části umístěné v konektoru USB na personálním počítači (dálen jen PC) (vi schéma na obr.). Sestava používá produkt firm reescale Semiconductor naývaný Vývojový a demonstrační sstém ZSTR (). C Senorová část na krchli USB R část na PC Obr. : Schéma sestav úloh Senorová část obsahuje vlastní akcelerometrický senor mikrokontroler (dále jen MC) a přijímací a vsílací obvod na frekvenci.4 GH. Umístění senorové části na

2 /009 Volume Issue ISSN 80-57X krchli ajišťuje určitou definovanou poloha senoru a umožňuje i měnit měnou poloh krchle. Část USB má na plošném spoji konektor USB přijímací a vsílací obvod na frekvenci.4 GH a obvod MC. Popis sstému ZSTR Sstém ZSTR je určen pro demonstraci akcelerometrického senoru MEMS a také pro vývoj jeho aplikací. Skládá se e senorové části (Sensor Board) a USB části (USB Board). Pohled na oba díl je na obr.. vibrací apod. Polovodičová technologie umožňuje vtvořit i senor pro současné snímání více veličin. Taková aplikace je použita v prai pro měření tlaku vduchu v pneumatikách v automobilu a jíd a obraování těchto veličin pro každé kolo na palubním počítači. U všech těchto řešení je použit pro snímání veličin akcelerace tlaku a teplot fikální princip měn elektrické kapacit podle měn poloh elektrod kondenátoru. Kondenátor je vtvořen technologií MEMS na polovodičovém substrátu má tři elektrod s tím že střední je ovlivněna měřenou veličinou (akcelerací tlakem nebo rotažností materiálu od teplot). Schéma kondenátoru je na obr. společně s náhradním schématem apojení dvou kondenátorů. Obr. : Jednotk sestav sstému STR () U sestav ZSTR je použit senor MM760L (). Má menší roměr poudra větší citlivost 800mV/g a rosah.5 a 6 g. Má menší spotřebu cca 400 v normálním režimu a ve sleep režimu. Výstup X Y Z mají filtr 50 H vtvořený vnitřním odporem k eterním odporem 0 k a kapacitou 0 n. Senor má jeden řídicí pin (0) pro rosah g a ten je apojen na vývod PTB na MC. Hodnotu 0 g udává výstup senoru (pin 9) který je apojen na MC jako PTB0. Pin senoru je pro self test a je apojen na tlačítko obvodu. Vedle použitého tpu senoru MM760L jsou vráběn analogové tp MM740L (rosah / g) MM70L (rosah 4/6 g). Tp senoru M7455L má shodnou senorovou část ale část vhodnocování má digitální výstup pro datovou sériovou komunikaci. Tato řada senorů má velké praktické užití např. ochrana aříení před volným pádem u laptopů a MP přehrávačů detekce naklonění u elektronických kompasů a mobilů detekce pohbu u her senor poloh detekce pádů C C Obr. : Schéma MEMS kondenátoru a jeho náhradní apojení Vsoká citlivost kapacitního senoru je v oblasti velmi malých měn poloh střední elektrod od pevné elektrod. Průběh měn kapacit kondenátoru C ukauje obr. 4. Na ose je měna vdálenosti mei pevnou a pohblivou elektrodou v (nm) a na ose je výsledek kapacitu v (n). -X +Y -Y +X +Z -Z Obr. 5: Souřadný sstém MEMS senoru Senor použitý u sestav ZSTR obsahuje několik sad kapacitních senorů a to ve třech osách. Obr. 5 ukauje směr působení akcelerace vnějšího prostředí na senor podle 4

3 /009 Volume Issue ISSN 80-57X Zpracovaná měřená data 0 předává mikrokontroler na transceiver () tp 00 MC9C který je vsílá přes vsílací anténu 80 (4) do okolí. Transceiver také data může přijímat 60 druhou anténou (4) a předává je do 40 mikrokontroleru pro další vhodnocení. 0 Celá senorová část má vlastní napájení baterie. 0 Její životnost je cca 0 dní nepřetržitého provou při komunikace 0/s. Obr. 4: Charakteristika MEMS kondenátoru pro měn Na USB části jehož vdálenosti elektrod a kapacit blokové schéma je na obr. jeho poudra a podle os. Je uvedeno 7 je použit mikrokontroler také naménko směru. Vhodnocení měn tp MCHC908JW. Slouží pro kapacit u senoru MEMS je realiována vhodnocování dat a pro vtvoření komunikace v elektronické části senoru v obvodech SIC. USB.0. Bedrátová komunikace je Jako metoda převodu měn kapacit na provedena obvodem transceiveru tp. napěťový signál vhodný pro další číslicové MC9C. Propojení je v pásmu.4 GH pracování je de volena metoda měření (pásmo ISM- Industrial Scientific and časové konstant při nabíjení kondenátoru. Medical). Komunikace je kompatibilní Blokové schéma senorové části sstému ZSTR je na obr. 6. Výstup analogového senoru () pro tři os jdou na obvod s normou IEEE pro fsickou vrstvu u daného obvodu. Pro kompatibilitu všech vrstev modelu OSI je nutný jiný transceiver tp mikrokontroleru () tp MC9S08QG8. MC9 a MC program (). S S S 4 Obr. 6: Blokové schéma senorové části ZSTR (-senor MM760L -mikrokontroler MC9S08SQG8 -transceiver MC9C 4-antén) 5

4 /009 Volume Issue ISSN 80-57X S 4 Obr. 7: Blokové schéma USB části ZSTR (- antén -transceiver MC9C - mikrokontroler MCHC908JW 4-konektor USB) Programová část sstému ZSTR Viualiační software pro sstém ZSTR () je dodán pod načkou TRIX. Vužívá prostředk MS studio C## a toolbo Kation Instruments. V úvodu programu se otevírá úvodní obraovka (obr. 8) s funkcí kalibrace referenční poloh senoru (Calibrate) obraení přímých výstupů senoru v jednotkách elektrického napětí (Raw ate) obraení dat v časovém diagramu (quire ate) a ánam dat do souboru (Scope). V úvodní obraovce se dále volí obraovka TILT pro obraení naklonění senoru obraovka MOTION obraující posunutí obraovka POSITION pro obraení poloh a obraovka SHOCK indukující pád a jeho rchlení. Obr. 8: Úvodní obraovka programu TRIX 6

5 /009 Volume Issue ISSN 80-57X Obraovka TILT slouží pro obraení vhodnocování měn sklonu poloh senoru. Ukáka je na obr. 9. Student de má možnost sledovat skutečnou polohu senoru vjádřenou ve stupních pro jednotlivé os jako odchlk od poloh referenční podle poslední kalibrace. Obr. 9: Obraovka TILT programu TRiX pro obraení naklonění senoru Postup měření Pro laboratorní úlohu bl sestaven sstém ZSTR v provedení podle obr.. Senorová část je umístěna na krchli a na její kosené části mei hranami -C-E. Student práci s úlohou provádí podle následujících kroků:. Spuštění programu TRIX pro viualiaci a vhodnocování funkcí senoru při předem asunuté USB části ZSTR.. Pro část senoru se apne napájení.. V sekci programu GENERL se provede rchlá kalibrace senoru v poli CLIBRTE při ákladní vodorovné poloe desk senoru. 4. Měření poloh se provede v sekci TILT pro os X-Y-Z pro poloh krchle ve čtřech poicích : I II III IV. (vi obráek0.) 5. Vpne se napájení části senoru. 6. Ukončí se program TRIX. 7. Provede se vhodnocení úloh. E C B Poice I Poice I Poice III Poice IV Obr. 0: Poice naklonění senoru 7

6 /009 Volume Issue ISSN 80-57X Pro jednotlivé koeficient rovnice rovin rovojem determinantu le odvodit: = B = C = = ( ( ) ( ) + ( )) () ( ( ) ( ) + ( )) () ( ( ) ( ) + ( )) (4) ( ( ) ( ) + ( )) (5) Obr. Sestava úloh se sstémem ZSTR Student sleduje postup a provádění úloh v programu TRIX a vužívá funkce archivace pro práci s měřenými dat na připojeném PC. Hlavní výukové cíle této úloh spočívají v tom že student se senámí s moderním senorem MEMS senámí se s jeho funkcí provede vhodnocení svých pokusů a porovná svoje výsledk s údaji danými pro polohu senoru podle výpočtů prostorové geometrie a může sledovat funkce bedrátové komunikace mei senorem a vdáleným PC. Teoretické aspekt Poloha senoru na krchli je popsatelná podle pravidel prostorové geometrie (4). Výsledk tohoto řešení dávají pro souřadný sstém os -- matematické popis rovin pro umístění senoru poloh senoru umístěné na této rovině a průmět poloh senoru do rovin charakteriující vektor emské přitažlivosti. Nástroje prostorové geometrie umožňují také popsat měn poloh senoru při měně poloh krchle tj. např. natočení do jiné poloh. Zkosená rovina pro prostorové umístění senoru je mei hranami -C-E krchle. Pro výpočet analtické rovnice této rovin je použito řešení pro rovinu danou třemi bod P k = [ k ; k ; k ] pro k= které neleží na jedné přímce v prostoru. Toto řešení je dána determinantem: E = + B + C + = () Pro ískaný popis rovin le si stanovit další pomocné parametr rovin jako je např. vtnuté úsek na osách vdálenost rovin od počátku výpočet úhlů kolmice počátku na rovinu s osami apod. Výnamné údaje ískáme pomocí výpočtů kosinových úhlů rovin. Kolmice počátku k rovině svírá s kladnými poloosami souřadného sstému úhl α (pro uhel mei kolmicí s osou ) β (pro úhel mei kolmicí s osou ) a χ (pro úhel kolmice s osou ) podle vtahů: cosα = ± + B + C (6) cos β = ± cos χ = ± B + B C + B + C + C (7) (8) Pro popis poloh senoru podle obr. je dále připraven matematický aparát. Senor ve své poloe rolišuje vnitřní souřadný sstém ( s s s ). Pro popsání směrů vektorů sil v těchto osách jsou vtvořen rovin: - E ákladní šikmá rovina pro umístění senoru - E s rovina souřadného sstému senoru v osách s s - E pomocná rovina kolmá na rovinu E a procháející osou s - E pomocná rovina kolmá na rovinu E a procháející osou s - E4 pomocná rovina rovnoběžná s vektorem emské tíže g a procháející středem souřadného sstém senoru a osou s 8

7 /009 Volume Issue ISSN 80-57X - E5 pomocná rovina rovnoběžná s vektorem emské tíže g a procháející středem souřadného sstém senoru a osou s. Kde koeficient ai bi ci pro i = jsou cosin úhlů měn poloh původní os a nové os podle tabulek: E s n= s a=cosα /X b=cosβ /X a=cosα /Y b=cosβ /Y a=cosα /Z b=cosβ /Z s c=cosχ /X c=cosχ /Y c=cosχ /Z E E s E g s E4 Obr. Zobraení pomocných rovin E5 Výpočt rovnic a ostatních parametrů všech těchto rovin se provádí pomocí rovnic () až (8). Sstém výpočtů je proveden v prostředí EXCEL. alší analtické řešení se týká výpočtů úhlů mei rovinami a měn poloh při otočení nebo posunutí krchle se senorem do jiného souřadného sstému. Pro řešení výpočtů úhlů mei rovinami je připraven vtah: cos + B B + C C ϕ = ( + B + C )( + B + C ) (9) Pro měn souřadného sstému (pootočení posun apod.) jsou uveden vtah pro výpočt nových souřadnic (X Y Z) původních souřadnic ( ) a naopak: X = a + b + c = a + b c Z + = a X + ay + az = c X + c Y c Z + Y = a + b + c (0) = b X + by + bz () Závěr Nová laboratorní úloha MEMS akcelerometrický senor je příkladem laboratorní výuk předmětů informatik a automatiace. ává možnost studentům pracovat s moderním tpem senorů senámit se s použitím mikrokontrolerů při vhodnocování signálů e senorů a návod pro řešení bedrátového přenosu dat e senorů. ále v příspěvku se ukauje aplikace matematického aparátu prostorové geometrie pro analýu měřených údajů s výstupů sstému ZSTR o poloe senoru v prostoru. Literatura () Using the MM760L ZSTR emo Board: pplication Note. URL: [cit ] () Three is Low-g Micromashined ccelerometer MM 760L: Technical ata. URL: [cit ] () MM760L ZSTR: ccelerometr emo Tool [program na C-ROM]. Ver. 0/008. reescale semiconductor US 008 (4) Bartsch H. J. Matematické vorce. 4. vd. Praha: cademia 006 s. 8 s. ISBN: oc. Ing. rantišek Hruška Univerita Tomáše Bati ve Zlíně akulta aplikované informatik Nad Stráněmi Zlín Tel hruska@fai.utb.c 9