Víte, podle čeho se řídí systém jízdní stability současných moderních automobilů? Na začátku celé řídící jednotky musí být samozřejmě senzor, který sleduje pohyb auta. Na základě jeho informací pak řídící jednotka automobilu vyhodnotí, zda zasahovat do provozu a pohybu autu snížením výkonu motoru nebo přibržděním některého kolo a nebo má "zůstat v klidu". Jako senzor se dnes již využívají přesné 2D akcelerometry pracující v osách X a Y (tedy ve vodorovné rovině) s integrovaným DSP a chytrou logikou, která již sama předzpracuje informace o zrychlení automobilu a tím zjednoduší práci procesorům řídící jednotky automobilu. Jedním z výrobců speciálních MEMS akcelerometrů pro systém jízdní stability automobilů je i společnost Freescale. Její dva zástupce MAA622xEG a MAA670xEG, kteří využívají technologii HARMEMS s integrovaným DSP ASIC jádrem, jsem se rozhodl krátce představit v tomto článku. Zatímco obvod MAA622xEG je vhodný pro široké rozpětí nejen automobilových aplikací, senzor MAA670xEG je novinkou Freescalu a svým měřícím rozsahem 3.5 nebo 5.0 g je ideální právě pro systém jízdní stability ESC, který již dnes najdete ve všech nových luxusnějších automobilech již střední třídy. Právě pro tento účel byl vyvinut, ale samozřejmě jej lze použít i kdekoliv jinde, kde se svými vlastnostmi hodí.

Popis funkční struktury obvodů řady EG (MAA622xEG a MAA670xEG)

V cestě pak již následuje v senzoru integrovaný DSP procesor (Digital Signal Processor), který "surový" digitální signál (posloupnost hodnot) upravuje na požadovaný výsledek, tedy posloupnost hodnot dynamického zrychlení vznikajícího při pohybu, zatáčení, smyku, vibracích nebo nárazu auta. Ty pak poslouží například k řízení tuhosti odpružení, aktivaci airbagu nebo v případě ESC pro vyhodnocení a zásahu elektroniky automobilu, která smyku nebo jemu se blížícímu nestandardnímu pohybu auta zamezí. DSP realizuje digitální IIR filtry, pro odstranění složek signálu (zrychlení), které jsou mimo oblast našeho zájmu (příliš vysoké hodnoty zrychlení odpovídající běžným jemným vibracím např. karosérie při přejezdu drobných nerovností nebo naopak stejnosměrnou složku odpovídající gravitaci). Dále se eliminuje offset snímače a převodníku, signál se zesiluje, linearizuje i v závislosti na okolní teplotě dle v senzoru integrovaném teplotním snímači a další úpravy pro eliminaci všech nechtěných vlivů. Dále upravuje výstup pro potřeby výstupních D/A převodníků (DAC), který sice u obvodů MAA622xEG a MAA670xEG neoplývá nějakou vysokou přesností, ale pro automobilové aplikace postačuje.

Funkce DSP je sice automatická, ale lze ji uživatelsky ovlivnit nastavením řídící logiky (CONTROL LOGIC) realizované ASIC logikou, která zároveň vytváří takové jednoduché ovládací rozhraní přes SPI komunikaci. Nastavení se realizuje běžnými opakovaně přepisovatelnými paměťovými registry a až 400bitovým jednou programovatelným OTP polem UNIT DATA ARRAY PROGRAMMABLE. Například jen 2 x 5 bitů je určeno pro nastavení zlomového kmitočtu jednoho filtru každého kanálu / osy, čímž se reguluje citlivost senzoru na rychlost změny zrychlení. Dále lze povolit/zakázat zmíněný analogový výstup, interpolaci naměřených hodnot zrychlení, pevný nebo proměnný zisk v závislosti na hodnotě zrychlení, znaménkový nebo neznaménkový signálový výstup, inicializace vnitřního testu funkce senzoru, což je nutné pro pravidelnou kontrolu zvláště v aplikacích, kde na něm závisí životy lidí (právě jako v automobilu) a mnoho dalších funkcí.

Výsledné hodnoty zrychlení obou kanálů (X a Y) jsou nakonec 10 nebo 11bitové hodnoty bufferované v paměti (registru) senzoru, které lze přečíst prostřednictvím sériové komunikace SPI a jejích vývodů DIN (vstupní linka), DOUT (výstupní linka) a SCLK (taktování). To pak zároveň tvoří základní způsob připojení senzorů MAA622xEG a MAA670xEG k dalším elektronickým obvodům (hlavně nadřazenému řídícímu MCU). Přesto analogové výstupy XOUT a YOUT nejsou jen doplňkem a vyznačují velmi velkou přesností díky digitální úpravě signálů obou kanálů v DSP před jejich "odesláním" na D/A převodník. To platí v případě, že je obvod nastaven na tzv. analogový provoz, kdy SPI komunikace je dokonce vypnutá (deaktivována). Senzor se pak navenek tváří jako čistě analogový, i když prakticky skoro čistě digitální. V tomto režimu pak je funkčně ekvivalentní s jinými Freescale akcelerometry s radiometrickým napěťovým výstupem, ale lze je s nimi snadno zaměnit.

Pro SPI komunikaci se využívá standardní SPI protokol, kdy se akcelerometr chová jako slave zařízení s vysíláním data od MSB (MSB jde jako první). Jinak jsou podporovány dva komunikační protokoly podle nastavení řídícího registru.

První z nich označený jako komunikační protokol 0 podporuje dva typy přenosu:

• přenos hodnot zrychlení
• přístup do vnitřních registrů

Všechny přenosy v tomto protokolu jsou vždy 16 bitové. V případě přenosu zrychlení se samozřejmě zvlášť přenášejí hodnoty osy X a Y, což indikuje jeden bit ve slově, kde 10 bitů patří reprezentaci aktuální naměřené hodnoty. O tom, která osa se bude přednášet a o který typ přenosu se jedná určují první 3 bity řídícího slova od SPI Masteru.

Druhý komunikační protokol pak realizuje kompletní přenos prostřednictvím sekvence dvou po sobě jdoucích operací (fází). Během první fáze jsou nadřazeným procesorem (SPI Master) do senzoru zaslány řídící informace a následně jsou ve druhé fázi ze senzoru vyslána data. V první fázi Master vyšle jeden ze tří příkazů: žádost o data zrychlení, operaci s registrem nebo testování senzoru. Následně je senzor dekóduje a v druhé fázi podle požadavku adekvátně odpoví.

Senzor zrychlení MAA622xEG a MAA622xAEG

Integrovaný obvod MAA622xEG a MAA622xAEG je dvouosý MEMS akcelerometr s plně digitálním zpracováním signálu ze dvou snímacích buněk (G-cell), jak již bylo popsáno výše. Digitální je filtrace, úpravy signálů i formátování dat. Pro měření jsou k dispozici obvody ve třech základních měřících rozsazích ±20/20g, ±50/50g nebo ±100/100g, které jsou však pevné a nejdou přepínat. V případě potřeby lze na přání a při odběru většího počtů kusů se s výrobcem domluvit i na obvodech s jiným rozsahem do 100 g (například 35 g).

U senzoru MAA622xEG lze u každého kanálu elektronicky digitálně přes SPI rozhraní řídit zesílení, citlivost, resp. šířku propustného pásma digitálních filtrů. Analogové radiometrické výstupy jsou pak vytvářeny z digitálních signálů D/A převodníkem, přičemž u každého lze nastavit rozdílný rozsah výstupního napětí. Vstup CAP/HOLD (Capture/hold input) umožňuje momenty měření synchronizovat se zpracováním nadřazeného systému a tím optimalizovat celý systém (např. jízdní stability) s ostatními elektronickými komponentami automobilu (např. ABS). Senzor lze napájet jedním stejnosměrným napětím 3.3 nebo 5 VDC. Ostatní napájecí napětí jednotlivých částí senzoru si obvod sám vytváří vnitřním napěťovým regulátorem. Protože je většina komponent integrována uvnitř 20pinového SOIC pouzdra, je nutné senzor doplnit jen o malý počet externích součástek. Zajímavé je schválení pro automobilový průmysl AE -Q100.

Rozdíl senzoru MAA622xAEG proti verzi základní EG je absence SPI a naopak vylepšený analogový výstup. Ten má 2x menší chybu a větší přesnost. Místo SPI je pak k dispozici informační výstup STATUS, který informuje o přehřátí, chybě vnitřních hodin, resetu nebo inicializaci obvodu a vstup ST pro inicializaci automatického testu.

Základní parametry:

• Měřící osa: X a Y (kompletně nezávislé měření)
• Měřící rozsah: ±20/20g, ±50/50g nebo ±100/100g (dle konkrétního typu obvodu)
• Výstup:
  • digitální: 10bitový (znaménkový nebo neznaménkový)
  • analogový: napěťový radiometrický lineární
• Rozsah výstupu:
  • digitální výstup: 3 až 1020 digitů nebo -509 až +508 digitů
  • analogový výstup: 0 až Vcc (napájení) s offsetem 1/2 Vcc při 0 g
• Citlivost:
  • digitální výstup: 4.097 až 204.8 mg/digit
  • analogový výstup: 23.4 až 4.68 mV/V/g
• Chyba výstupu:
  • digitální výstup: +/- 4 %
  • analogový výstup: +/- 16 % (+/- 8 % u verze AEG)
• Nelinearita: max. 1 %
• Křížová citlivost: +/- 4 %.
• Šířka pásma: 10 až 1000 Hz (dle nastavení registrů obvodu)
• Napájecí napětí: 3.3 nebo 5 VDC
• Pracovní teplota: -40°C až 105 °C
• Pouzdro: 20pin. SOIC

Vhodná použití:

• Detekci havárie (Airbag)
• Monitorování nárazů a vibrací
• Detekce pádu
• Monitorování pohybu

Senzor zrychlení MAA670xEG

Obvod MAA670xEG je pak úplně nejnovější senzor zrychlení v nabídce společnosti Freescale a jde o velmi přesný 2D MEMS akcelerometr s integrovaným DSP a ASIC stavovým automatem. Měřící rozsahy 3.5 g (typ MMA6700EG) a 5.0 g (typ MMA6701EG) jsou ideální právě pro aplikaci automobilových systémů jízdní stability ESC.

Zajímavé je také kombinované nastavení prostřednictvím dvou jednou programovatelných registrů pro určení základních pracovních vlastností před prvním použitím obvodu a pak třech běžně přes SPI nastavitelných registrů pro aktuální volbu funkce. Samozřejmostí je integrovaný teplotní senzor pro kompenzaci vlivu teploty (linearity a offsetu) a napěťový regulátor pro napájení všech vnitřních částí, podobně jako u MAA622xEG. Zajímavý je i nezvykle vysoký pracovní teplotní rozsah -40°C až 125 °C. Pro základní funkci senzoru stačí přidat jen 4 externí kondenzátory.

Základní parametry:

• Měřící osa: X a Y (kompletně nezávislé měření)
• Měřící rozsah: 3.5 nebo 5.0 g (dle konkrétního typu obvodu)
• Výstup:
  • digitální: 11bitový neznaménkový či 10bitový znaménkový
  • analogový: napěťový radiometrický lineární
• Rozsah výstupu:
  • digitální výstup: 3 až 2048 digitů s offsetem 1024 digitů při 0 g
  • analogový výstup: 0 až Vcc (napájení) s offsetem 1/2 Vcc při 0 g
• Citlivost:
  • digitální výstup: 3.43 nebo 4.91 mg/digit (11bitů)
  • analogový výstup: 115 mV/V/g
• Chyba výstupu:
  • digitální výstup: +/- 3 %
  • analogový výstup: +/- 16 %
• Nelinearita: max. 1 %
• Křížová citlivost: +/- 4 %.
• Šířka pásma: 8.8 až 141 Hz (dle nastavení registrů obvodu)
• Napájecí napětí: 3.3 nebo 5 VDC
• Pracovní teplota: -40°C až 125 °C
• Pouzdro: 20pin. SOIC

Vhodné použití:

• Elektronické systémy jízdní stability ESC
• Měření náklonu

Závěr

Nabídka Freescalu je z pohledu nabídky 1D, 2D i 3D akcelerometrů velmi rozsáhlá. O tom se můžete přesvědčit přímo na stránkách výrobce www.freescale.com. Senzory MAA622xEG a MAA670xEG pak představují špičkové zástupce 2D senzorů určené pro náročné aplikace nejen automobilového průmyslu.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Podrobný datasheet obvodu MAA622xEG (senzor MAA622xEG s SPI i s analogovým výstupem) - MMA6222EG_Final.pdf
• Podrobný datasheet obvodu MAA622xAEG (senzor MAA622xEG bez SPI s jen analogovým výstupem) - MMA6222AEG_Final.pdf
• Podrobný datasheet obvodu MAA6700EG - MMA6700EG.pdf
• Dříve vydaný článek na stránkách HW serveru - "Jak pracují nové 3D MEMS akcelerometry Freescale ?"
• Dříve vydaný článek na stránkách automatizace.HW.cz - "TEST - 3D akcelerometr MMA7260"
• Dříve vydaný článek na stránkách HW serveru - "Absolutní novinka - miniaturní 3D akcelerometr s SPI rozhraním "