Оценочные наборы для разработки портативных устройств с акселерометрами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2012

Digi-Key

Акселерометры являются ключевыми компонентами в любой портативной технике, требующей отслеживания движения или определения положения. Причем это не только игровые контроллеры и мобильные телефоны, но и промышленные роботы, и механизмы управления процессами. При выборе акселерометра для того или иного устройства одной только технической документации недостаточно, его характеристики и эффективность следует оценивать на практике. В статье мы рассмотрим три оценочных платы с 3-осевыми акселерометрами компаний Freescale и Texas Instruments, которые демонстрируют, насколько акселерометры могут быть полезны.

ZSTAR3 – демонстрационный типовой проект компании Freescale с беспроводным интерфейсом

Данный типовой проект предлагается компанией именно в качестве демонстрационного, но с улучшенными параметрами антенны, и предприимчивые OEM производители, заключив платы в термоусадочную пленку, получат достаточно хорошо продаваемый готовый продукт.

Набор состоит из платы приемника с USB интерфейсом и приемопередающей платы датчика с установленным 3-осевым МЭМС акселерометром MMA7660FC (Рисунок 1). Используя беспроводной интерфейс ZigBee диапазона 2.4 ГГц, точка доступа на базе персонального компьютера может общаться с 16 платами датчиков, отслеживая ориентацию и движение по трем осям. В дополнение к акселерометру плата датчика содержит чип MC13213, объединяющий 8-разрядный микроконтроллер и приемопередатчик ZigBee. На плате приемного узла USB установлена микросхема ZigBee приемопередатчика MC13191 и микроконтроллер MC68HC908JW32, поддерживающий полноскоростной интерфейс USB 2.0.

Рисунок 1.	Плата датчика и точка доступа из набора типового проекта компании Freescale ZSTAR3.

MMA7660FC – это трехосевой акселерометр с диапазоном ±1.5g и цифровым интерфейсом I²C. В активном режиме прибор потребляет всего 47 мкА, в режиме ожидания 2 мкА, и в выключенном состоянии 0.4 мкА. Кроме того, акселерометр снабжен полезной для портативных устройств функцией автоматического перехода из активного режима в спящий, и обратно, что позволяет дополнительно экономить электроэнергию. Частота выполнения выборок может варьироваться от 1 до 120 в секунду, поэтому между чувствительностью и потреблением всегда можно достигнуть компромисса в соответствии с требованиями приложения.

Графический интерфейс пользователя, поставляемый с набором, содержит множество приложений, которые позволят оценить возможности типового проекта:

• Приложение Scope Demo представляет интерфейс в виде экрана осциллографа, в котором графически отображаются данные, поступающие от акселерометра. К данным может применяться фильтрация и механизмы преобразования. Пользователю доступен выбор диапазонов измерения и частоты выборок (30/60/120 Гц).
   
• Приложение Acquire Data Demo позволяет организовать сбор информации от датчиков. В приложении можно выбирать датчики, частоту выборок и формат выходных данных. Полученные данные можно сохранить в формате CSV, но возможность сохранения непосредственно в программе Excel (Рисунок 2) позволит получить форматированный вывод для дальнейшего построения графиков и анализа результатов. 

Рисунок 2.	Вид данных, полученных с помощью приложения Acquire Data Demo при работе с набором ZSTAR3.

• Шесть приложений, работающих с углами наклона, включая наклон по трем осям (Рисунок 3), двухосевой наклон, определение наклона с фильтрацией данных, изменение ориентации платы датчика (портретная/альбомная), реализацию функции прокрутки в КПК.

Рисунок 3.	Вид окна демонстрационного приложения XYZ Tilt (определение наклона по трем осям).

• Два приложения для определения движения: включая антикражную функцию и средства экономии ресурса батареи (Battery Saver). Если подключить плату датчика к ноутбуку с установленным демонстрационным приложением, пользователь будет оповещаться, при попытках перемещения ноутбука. Battery Saver позволяет оценить возможность использования акселерометра для продления времени работы батареи в некоторых специфических устройствах.
   
• Приложение Freefall (свободное падение) демонстрирует возможность применения акселерометра в системе управления парковкой магнитных головок жесткого диска, убирающей головки в процессе падения ноутбука на пол.
   
•  Набор приложений для определения ударов, вибраций и детектирования пороговых значений в проектах, связанных с погрузкой и транспортировкой грузов. Программы ведут запись данных об интенсивности и продолжительности ударов по всем трем осям, что позволяет, например, определять, как и когда был поврежден транспортируемый товар.

При работе с набором ZSTAR3 автор столкнулся с недостаточной чувствительностью антенны. В рамках ярмарки научных проектов в четвертом классе школы, где училась дочь автора, набор был использован для подсчета времени сна кошек, которое, как считается, составляет 16-20 часов в день. В интересах науки плата акселерометра была установлена на ошейник кота по кличке Оскар, а идея заключалась в следующем: отсутствие движения в течение 15 минут означает, что кот спит. Все работало прекрасно, пока Оскар не уходил за пределы 15 футов (4.5 м) от точки доступа. При работе с ноутбуком, к которому был подключен приемник, хватало даже довольно слабого сигнала с уровнем –65 дБм, но при развороте приемника на 90 градусов сигнал падал до –80 дБм, и контакт с платой датчика терялся. При самых лучших условиях дальность связи составляла 20 футов (6.1 м).

Один любезный инженер по приложениям компании Freescale отметил, что печатные антенны не очень эффективны, но имеют важное преимущество – они дешевы и прекрасно подходят для демонстрационных целей. Если же Freescale заменит печатные антенны на антенны для поверхностного монтажа, эта демо-система может стать готовым решением для широкого спектра потребительских, промышленных и коммерческих приложений.

Отладочный инструмент eZ430-Chronos компании Texas Instruments (TI)

eZ430-Chronos Development Tool – это полнофункциональная беспроводная отладочная система для удаленного сбора данных, сделанная в виде спортивных часов (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Отладочный комплект Texas Instruments eZ430-Chronos.

Основанная на радиочастотной системе-на-кристалле (SoC) субгигагерцового диапазона CC430F6137, отладочная система eZ430-Chronos имеет 96-сегментный ЖК индикатор, датчики давления, высоты, температуры, датчик напряжения батареи и 3-осевой акселерометр. Так же как и набор компании Freescale, система eZ430-Chronos состоит из беспроводного модуля датчиков, работающего по беспроводному протоколу SimpliciTI, и подключаемого к персональному компьютеру приемника на базе SoC CC1111 со встроенным интерфейсом USB.

В SoC семейства СС430, составляющей основу системы Chronos, интегрированы процессорное ядро MSP430 с рабочей частотой 20 МГц и субгигагерцовый приемопередатчик CC1101, а также набор интеллектуальной периферии: аналоговый компаратор, 8-канальный 12-битный АЦП, контроллер 96-сегментного ЖК индикатора и сопроцессор шифрования/дешифрования по 128-битному алгоритму AES. Для быстрого старта в набор включены бесплатные версии интегрированной среды разработки Code Composer Studio и IAR Embedded Workbench для микроконтроллеров MSP430, стеки беспроводных протоколов (SimpliciTI, BM Innovations’ BlueRobin, W-MBUS и 6LoPAN), а также проекты с открытым исходным кодом, которые могут применяться в пользовательских приложениях.

CC430F613x (Рисунок 5) в активном режиме потребляет ток 160 мкА/МГц при работе в диапазоне 300 – 348 МГц. В режиме ожидания (часы реального времени активны) ток потребления составляет 2.0 мкА в диапазоне 389 – 464 МГц и на частоте 779 МГц. В режиме приема на частоте 915 МГц при скорости 250 Кбит/с ток потребления не превышает 15 мА.

Рисунок 5.

Отслеживание движения осуществляется с помощью 3-осевого акселерометра CMA3000-D01 с ультранизким энергопотреблением и цифровыми интерфейсами SPI и I²C. Устройство имеет настраиваемые диапазоны измерений (±2 g или ±8 g), скорость передачи и частоту выборок. Потребление тока при частоте выборок 100/400 Гц не превышает 70 мкА, а при частоте 40/10 Гц – 11 мкА.

Использование компанией SimpliciTI вместо какого-либо протокола с открытым исходным кодом, на первый взгляд, может показаться странным, но для его использования есть веские основания. Стек занимает очень мало памяти, ему достаточно 8 Кбайт флэш-памяти и менее 1 Кбайт ОЗУ, он был разработан для приложений именно такого рода, и сам стек бесплатный. Протокол работает в простых сетях с топологией «звезда» и, в то же время, позволяет организовать одноуровневый обмен вида «точка-точка». Сеть легко расширяется с помощью репитера, который может быть создан перепрограммированием входящего в состав отладочного набора USB приемопередатчика с помощью прошивки, предоставляемой компанией TI. Как только на новые узлы подается питание, им быстро присваиваются номера, и они появляются в сети. Протокол использует базовое ядро API, все функции и структуры которого описываются в сопроводительной документации и в комментариях к коду. SimpliciTI поддерживает работу с устройствами, находящимися в спящем режиме, что позволяет существенно продлить срок службы батарей в беспроводных датчиках.

Отладочный набор поставляется с двумя приложениями: Центр Управления, который позволяет экспериментировать с функциями наручных часов и программа сбора данных. С помощью Центра Управления (Рисунок 6) можно в реальном времени отображать данные, поступающие от акселерометра, изменять по беспроводному интерфейсу параметры и настройки часов, симулировать подключение к датчику сердечного ритма. Если у пользователя имеется такой датчиком (он приобретается отдельно), программа может получать данные о частоте сердечных сокращений, используя протокол BlueRobin, несмотря на то, что СС430 не может поддерживать два протокола одновременно.

Рисунок 6.	Вид окна программы Центр Управления из отладочного набора eZ430-Chronos.

Программа сбора данных позволяет по беспроводному интерфейсу получать от беспроводного модуля информацию о температуре, высоте и напряжении батареи питания. Для использования этого режима необходимо изменить прошивку системы Chronos. Программа с графическим пользовательским интерфейсом регистрирует данные от всех датчиков, за исключением акселерометра. Исходный код динамической библиотеки графического интерфейса DLL входит в набор, поэтому пользователи имеют возможность перепрограммирования, как графического интерфейса, так и приложения сбора данных.

Наручные часы Chronos также поддерживает беспроводное конфигурирование. Обновление прошивки и большинство изменений могут быть выполнены по беспроводному интерфейсу с помощью управляющей программы на ПК, имеющей простой и понятный интерфейс. Однако для существенных изменений, например, для реконфигурирования часов при необходимости работы с программой сбора данных, модуль придется извлечь из корпуса часов и подключить его к плате программатора, входящей в состав набора.

Поставляемый с набором графический интерфейс пользователя не столь богат демонстрационными приложениями, как типовой проект компании Freescale, но в нем содержатся исходные коды и примеры, которые можно компилировать и использовать в своих проектах. Для этого можно использовать интегрированную среду разработки Code Composer Studio или IAR Embedded Workbench KickStart версии 5.10 (или выше). Оба программных комплекса имеют бесплатные версии, которые позволят создавать небольшие программы. Для более серьезных проектов потребуется приобрести лицензию. Также в пакете ПО имеется несколько программ, поддерживаемых отладочными инструментами IAR, которые входят в состав набора eZ430-Chronos.

Заключение

Отладочные наборы обеих компаний наглядно демонстрируют, насколько полезным может быть акселерометр в беспроводных устройствах. Благодаря наличию готовых шаблонов, примеров и демонстрационных приложений, они позволяют быстро приступить к разработке собственного программного кода и сэкономить много рабочего времени конструктора.