用MEMS传感器感知工业自动化的世界

工业4.0和工业物联网(IIoT)等举措正在帮助制造组织提高生产流程的效率。基于云的分析应用程序负责整理和提供运行生产或制造操作的许多不同方面的环境。这些应用程序从工厂车间和各种制造设备中部署的传感器收集基本数据。传感器用于测量实时世界,在大多数情况下,将模拟测量结果转换为数字信号。环境参数包括温度,湿度和气压,但还有许多其他特性,如气体流量,液压流体压力和接近度。其他类型的传感器需要精确测量运动和相对位置。这些可以包括用于机器人自动化的惯性导航,工业设备的状态监测以及冲击检测和记录。微机电系统(MEMS)越来越多地用于这些任务,这是因为其尺寸紧凑,功耗低,特别精确的测量能力。本文将解释基于MEMS的加速度计和陀螺仪设备的工作原理,并展示一些用于工业自动化应用的示例。微机电系统(MEMS)越来越多地用于这些任务,这是因为其尺寸紧凑,功耗低,特别精确的测量能力。本文将解释基于MEMS的加速度计和陀螺仪设备的工作原理,并展示一些用于工业自动化应用的示例。微机电系统(MEMS)越来越多地用于这些任务,这是因为其尺寸紧凑,功耗低,特别精确的测量能力。本文将解释基于MEMS的加速度计和陀螺仪设备的工作原理,并展示一些用于工业自动化应用的示例。
MEMS器件以硅的方式构造,使得存在许多极小的移动结构。通常情况下,这可能是一个结构,或质量(质量块),横向或垂直移动取决于测量。这种运动或位移可能是加速力的结果,例如相对位置的变化。这些微观运动的测量通常通过微加工元件之间的电容变化来检测。重力本身产生1 g的恒定加速度力,这是加速度计可以测量的,其中倾斜度与加速度计相对于引力场的角度的正弦成比例。高度精确的模拟前端可测量质量块和固定结构之间的电容,然后使用模数转换器(ADC)将信号引入数字域。然后使用微控制器处理接收的数据以及许多基于软件的滤波器,这些滤波器可以拒绝与有效运动无关的信号。单个基于质量的MEMS传感器可以在一个方向上检测加速度力,因此对于实际的3D目的,需要三个单独的MEMS结构(图1)。
检测3D加速的图表
图1:检测3D加速。
当检测角速度的变化时,陀螺仪MEMS传感器使用微机械振动元件而不是旋转机构。这个振动元件保持在一个固定的平面上,并且通过电容的变化来检测滚动,俯仰和偏航的角速度的变化(图2)。作为测量过程的一部分,角速率可以针对检测到的任何加速度或振动进行补偿。
检测偏航,俯仰和滚转角速度的图表
图2:使用MEMS陀螺仪检测偏航,俯仰和滚转角速率。
能够准确连续地测量方向和角速度的变化是任何工业自动化机械的重要组成部分,最显着的是工业机器人。过去,可能已经使用了需要定期对准和校准的旋转传感器和编码器的复杂机械布置。随着MEMS加速度计和陀螺仪技术的问世,对其潜在用途进行了大量研究。这项研究确定了需要将多个加速度计放置在工业机器人的6轴自由度(DOF)上(图3a)。描述移动和角速率检测的复杂性质的图示于图3b中。
显示加速计位置的简单工业机器人示意图
图3:显示加速度计放置位置的简单工业机器人 - 图3a - 图3b - 显示为了在整个允许范围内完全控制机器人而需要测量的不同参数的数量。
满足当今工业自动化设备的需求,各种各样的基于MEMS的3D合成加速度计和陀螺仪的3D模块,如ISM330DLC来自意法半导体。意法半导体最近增加了对MEMS产品的全面阵容,ISM330DLC闭环系统级封装(SIP)专为工业4.0应用设计。该器件的3D加速度计和3D陀螺仪均在同一个硅芯片内进行加工,从而确保最佳的稳定性和可靠的操作。加速度计和陀螺仪都配有几个高度精确和可靠的可配置检测范围。满量程加速度范围选项为+/- 2 g,+/- 4 g,+/- 8 g或+/- 16 g。陀螺仪的满量程角速率检测选项为+/- 125度每秒(dps),+/- 245 dps,+/- 500 dps,+/- 1000 dps或+/- 2000 dps。
采用1.71至3.6 V 直流电源供电时,平面网格阵列LGA-14L封装模块的尺寸仅为2.5 mm x 3 mm x 0.83 mm,并且在高性能组合模式下工作时最大可吸收0.7 mA。有许多不同的省电模式可供开发人员使用,允许独立关闭加速度计和陀螺仪,在此期间功耗可降至最低10μA。两个传感器的中间低功耗模式消耗不超过0.35 mA。在正常条件下运行时,功率通常增加到0.5 mA。与主处理器的通信可以通过模块的SPI或I 2来实现C串行接口。如果需要额外的应用需求,还可以配置辅助SPI输出以提供传感器数据的辅助和独立通道。独立的低通滤波器提供用于光学图像稳定(OIS)应用的传感器数据。陀螺仪还配备了温度传感器
ISM330DLC配备了许多智能功能,进一步扩展了该设备的功能,可用于各种应用。首先,提供传感器集线器功能允许从多达四个附加的外部传感器捕获,存储和处理数据。提供这样的集线器功能对于不仅希望在其设计中增加加速度计和陀螺仪感测,而且希望添加一些额外的传感器以适应应用的开发者来说特别有用。通过这种方式,传感器可以直接连接到ISM3300DLC的I 2C Master,而不需要来自应用处理器的任何资源。一个4 KB的FIFO缓冲器提供了一种便捷的方法来存储这些数据,而不需要主机应用程序处理器的任何中断或资源分配。FIFO缓冲区可根据需要进行分区,不仅可以存储附加的外部传感器数据,还可以存储每个条目的时间戳并记录陀螺仪传感器的温度。
ISM330DLC连接模式的图像
图4:ISM330DLC连接模式。
上面的图4说明了可能的四种不同的连接模式。在模式1中,只有陀螺仪和加速度计处于活动状态并连接到主机应用程序处理器。模式2增加了通过I 2 C接口从最多四个外部传感器捕获和存储数据的功能。模式3和模式4允许陀螺仪数据(模式3)以及陀螺仪和加速度计数据(模式4)提供给辅助SPI 3或4线接口。模块的时钟可以同步到外部源。
该模块的智能功能还包括几个闭环功能,如提供6D方向信息的能力,自由落体事件,从省电模式唤醒设备以及活动/不活动识别。另一种更适合与手持工业控制设备的用户界面进行交互的智能功能是能够检测单击或双击或点击。
也许信号处理电路最重要的功能之一就是滤波。低通(LP)和高通(HP)滤波器的组合用于抑制不必要的外来信号对传感器读数有任何影响。独立的专用低通滤波器通过辅助SPI接口提供稳定控制回路 - 通常为光学图像稳定(OIS)。
3D加速计和3D陀螺仪滤波器的框图
图5:3D加速计和3D陀螺仪滤波器的框图。
图5显示了MEMS传感器通过模数转换器,滤波器模块以及输出到主SPI / I 2 C接口的信号流。滤波器模块的确切配置取决于许多因素,如所选的输出数据速率(ODR)和传感器的满量程检测范围。ODR可从12.5 Hz至6.66 kHz进行配置。例如,在模式1操作中使用时,数字信号处理仅针对主IO。在模式3和模式4中,将另外的滤波器插入到信号处理链中,以将输出引导至辅助SPI接口(图6)。
陀螺仪数字信号处理链在模式3中使用时的示意图
图6:在模式3下使用陀螺仪数字信号处理链。
与任何新设备或技术一样,一系列硬件和软件工具的可用性极大地帮助了第一个设计的原型设计。在这方面,ISM330DLC得到了很好的支持。意法半导体已经为此提供了全面的评估板,其中大部分都基于STEVAL-MKI109V3 MEMS主板。这提供了一个完整的,即时可用的开发和原型平台,从中可以评估基于MEMS的设计(图7)。
意法半导体的MEMS主板平台 -  STEVAL-MKI109V3的图片
图7:意法半导体的MEMS主板平台 - STEVAL-MKI109V3。
一系列不同的适配器板可用于插入主板上的DIL24插槽。对于ISM330DLC,适配器板是STEVAL-MKI182V1(图8)。ISM330DLC可以在被一些无源元件包围的PCB的中心看到。
STMicroelectronics ISM330DLC适配器板的图片 -  STEVAL-MKI182V1
图8:ISM330DLC适配器板 - STEVAL-MKI182V1。
主板托管一个STM32F401高性能105 DMIPSArm®Cortex®-M4微控制器(MCU),作为传感器适配器板和开发PC之间的桥梁。该MCU包含一个浮点单元(FPU),它是需要执行快速浮点计算的应用程序的基本要求。它还配备了一个零等待状态自适应实时加速器,一组16位,32位和PWM定时器,以及多达12个接口,包括3个I 2C,3个USART,4个SPI和一个全速USB 2.0兼容控制器。图9显示了该主板的框图.USB接口连接到一台PC,并提供了一种为主板和适配器供电的方法,以及简化设备固件升级(DFU)过程,而无需任何其他开发工具。
MEMS评估主板结构图的图像
图9:MEMS评估主板框图。
对于PC而言,意法半导体提供免费的基于GUI的Unico Lite软件应用程序,显示如何配置所选MEMS传感器并管理数据流。该软件提供了一个可靠的平台,可以尝试不同的输出数据速率,检测灵敏度和集成附加传感器。初始设置屏幕如图10所示,可在Microsoft Visual Studio中进行配置,以适应每个传感器模块的要求。
Unico Lite软件图形用户界面的图像
图10:Unico Lite软件的图形用户界面,显示了在Microsoft Visual Studio中配置布局的能力。
一旦设置并运行,Unico Lite软件就可以实时显示多个传感器参数,以说明它们如何对位置变化和角运动做出反应。
通过这种方式,工业自动化机械的开发人员可以快速建立原型,测试和调试初始设计。由于所有的原理图,Gerber和布局文件都是以开放源代码的形式提供给主板和适配器板,所以这是一个非常简单的过程,可以采用更完整的设计。
任何工业自动化应用(如图3所示的工业机器人)内所需的传感器数量可能很大。通过提供每个肢体空间位置的可靠和实时反馈,机器人的控制器和执行器可以确信它正在将效应器工具移动到所需的空间位置。但MEMS陀螺仪和加速度计不仅用于确保位置控制。它们也可用于检测旋转或铰接式机械接头中增加的振动,这些机械接头开始出现过度磨损或即将发生故障的迹象。实施足够的预防性维护制度是任何工业自动化安装的重要方面,MEMS传感器的使用是传感和监控工厂运行的关键组成部分。

结论

MEMS加速度计和陀螺仪非常适合广泛的工业自动化应用。凭借其微小的尺寸,高可靠性和低功耗证书,MEMS传感器几乎可以在任何工业自动化机械中发挥重要作用。

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