Jste zde

Zvyšte přesnost určování polohy u nositelných zařízení

Oblíbenost nositelných zařízení s monitorováním pohybu stále roste. Klíčový senzor pohybu v těchto zařízeních je akcelerometr. Má, ale problém s přesným měřením vertikálního pohybu, který je nezbytný pro přesné stanovení množství „spálených“ kalorií při lezení po svahu. Přidáním přesného snímače atmosférického tlaku lze výrazně zlepšit přesnost měření vertikálního pohybu, ale i měření z jiných senzorů.

Pomocí senzorů atmosférického tlaku, které jsou dnes k dispozici, jsme schopni rozeznat změnu výšky o 13 cm. Tyto senzory jsou uloženy v robustním pouzdru a jsou optimalizovány pro aplikace s nízkou spotřebou. Tento článek popisuje roli těchto zařízení v zařízeních typu Fitness Tracker. Představíme si a naučíme se používat senzory tlaku od TE Connectivity measurememts specialties, které jsou vhodné pro tento typ zařízení.

Úloha výškoměru ve fitness trackeru

Jádrem fitness trackerů je inerciální snímání pohybu pomocí akcelerometru. Z něj získáme data o zrychlení, z nichž jsou pak vypočítány kroky, ujetá(ušlá) vzdálenost a příslušné „spálené“ kalorie (Obrázek 1). Nicméně měření vertikálního pohybu není pomocí akcelerometru přesné. Chůze do schodů se liší od běžné chůze, a to lze rozeznat i v naměřených datech zrychlení. Ale chůze po nakloněné rovině je obtížné odlišit od chůzi na rovném povrchu jen na základě dat o zrychlení. Je jasné, že při chůzi po nakloněné rovině dochází ke většímu spalování kalorií než při chůzi po rovině.

Některé spotřebitelské studie přesnosti fitness trackerů zjistily, že se jejich výpočet spotřebovaných kalorií se liší až o 30% oproti realitě. Fitness trackery potřebují jednoduchý, spolehlivý, a hlavně přesný senzor vertikálního pohybu pro přesnější stanovení kondičních parametrů.

Obrázek 1: Nositelná zařízení s možností sledování fitness parametrů se těší rostoucí popularitě. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics, ze zdrojového materiálu TE Connectivity)

Senzor atmosférického tlaku nebo barometr nabízí řešení. Atmosférický tlak závisí na výšce a je popsán v rovnici 1. Atmosférická (nebo barometrická) čidla tlaku tak mohou fungovat jako výškoměry.

Rovnice 1:
  • P je aktuální tlak
  • P0 je tlak, při výšce (h = 0)
  • Výška (h) je v metrech (m)

Tento vzorec počítá se standardním složením atmosféry a okolní teplotou 15°C. Takže přesný výpočet absolutní výšky vyžaduje dodatečné informace. Rovnice stále platí i za různých hodnotách tlaku, ale je slabě závislá na teplotě. Rovnice 1 poskytuje přesnou změnu výšky pouhým srovnáním dvou po sobě naměřených hodnot tlaku.

Standardní atmosférický tlak na úrovni hladiny moře je přibližně 1013 mbar, takže tlakový rozdíl jednoho milibaru odpovídá vertikální změně asi 8 m. To znamená, že pomocí rovnice 1 jsme schopni vypočítat změnu výšky v požadovaném měřítku, jen když budeme mít dostatečně přesný a citlivý senzor atmosférického tlaku.

Mezi takové senzory atmosférického tlaku patří MS5840-02BA MEMS od TE Connectivity Measurement Specialties (obrázek 2). Tento senzor poskytuje 24-bitové měření atmosférického tlaku a teploty okolí, čímž dosáhne schopnosti změřit rozdíl výšky 13 cm. Tato přesnost je dostačující, aby byl schopen rozeznat změnu výšky jednoho schodu.

Obrázek 2: Kompaktní MS5840-02BA senzor atmosférického tlaku, který nabízí vysoký výkon a přesnost. Jeho rozměry jsou 3,3 x 3,3 (mm) a výška 1,7 mm. (Zdroj obrázku: TE Conne ctivity)

Senzor MS5840 obsahuje MEMS tlakový senzor s vlastní ASIC jednotkou, která digitalizuje analogový signál a naměřená data jsou k dispozici hostitelskému zařízení přes I2C sběrnici.

Jeho pouzdro je uzpůsobeno pro povrchovou montáž a jeho rozměry jsou 3,3 x 3,3 mm a výška1,7 mm. Tyto rozměry jsou ideální pro nositelná zařízení, kde je málo prostoru a každý ušetřený milimetr se cenní. Jeho uzemněná konstrukce zvyšuje ochranu vůči ESD.

Moduly nabízí vysokou přesnost tím, že umožňují provedení kompenzace prvního a druhého řádu. Každé zařízení je z výroby kalibrováno při dvou teplotách a dvěma tlaky. Tím se získají kalibrační parametry pro kompenzaci prvního řádu.

  • Referenční teplota - TREF
  • Tlaková citlivost při referenční teplotě - SENST1
  • Teplotní koeficient citlivosti na tlak - TCS
  • Tlakový offset při referenční teplotě - OFFT1
  • Teplotní kompenzační koeficient tlaku - TCO
  • Teplotní koeficient teploty - TEMPSENS

Pro kompenzaci prvního řádu je nutné mít kalibrační parametry senzoru, číst nekompenzované 24-bitové digitální data tlaku senzoru (D1) a teplotní hodnoty (D2). Potom rozdíl mezi skutečnou a referenční teplotou se vypočítá podle vzorce DT = D2 - TREF a použije se pro výpočet teploty TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS. Výsledek je ve stupních celsia °C s přesností 0,01°C (2000 = 20,00 °C).

Pomocí této vypočtené upravené teploty se pak musí opravit měření tlaku. Nejprve se vypočítá offset tlaku (OFF = OFF T1 + TCO x dT) a citlivost na tlak (SENS = SENS T1 + TCS x dT) při aktuální teplotě. Teplotně kompenzovaný tlak v milibarech s přesností 0,01mbar (110002 = 1100,02 mabar) se potom vypočte jako P = ((D1 x SENS / 221 ) - OFF) / 215.

Kompenzace prvního řádu se provádí pro teplý vzduch (Více jak 20°C). Při nižších teplotách snímače je nutné provést kompenzaci druhého řádu, jak je znázorněno na obrázku 3. Pomocí výsledků korekce prvního řádu se musí teplota a tlak vypočítat odlišně, a to pro nízkou teplotu (> 10°C) nebo o velmi nízkou teplotu (≤10 ° C).

Obrázek 3: Zatímco kompenzace prvního řádu je dostačující pro vzduch o teplotě vice jak 20°C, tak jakmile teplota klesne pod 20°C je nutné provést kompenzaci druhého řádu. (Obrázek zdroj: R. Quinnell pomocí TE Connectivity výchozí materiál)

Výsledkem obou kompenzací je vysoká přesnost měření tlaku i teploty v široké škále teplot, jak je znázorněno na obrázku 4.

Obrázek 4: Provedením kompenzace prvního a druhého řádu se dosáhne vysoké přesnosti měření teploty a tlaku v širokém rozsahu teplot. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

MS5840 obsahuje několik dalších vlastností. Je schopen pracovat s napájecím napětím od 1,5 V do 3,6 V. Takže je kompatibilní s logikou 1,8V i 3,3V. Důležitou vlastností je také jeho nízká spotřeba, která dosahuje v pohotovostním režimu méně než 0,1 uA.

Provozní proud je závislý na frekvenci a rozlišení snímaných hodnot. Vestavěný analogově-digitální převodník (ADC) používá sigma-delta převodník s volitelným vzorkovacím poměrem (OSR). To dává možnost volit kompromis mezi rychlostí konverze a spotřebované energii. Odebíraný proud při převodu je typicky 1,25 mA, ale s OSR nastaveným na maximum (8192), konverze trvá pouze 17 ms. To znamená průměrnou spotřebu 20 uA při čtení u jednoho vzorku za sekundu. Nastavení minimální hodnoty OSR čili 256, konverze trvá jen 0,54 ms. To znamená průměrnou spotřebu 0,63 uA.

Rozlišení snímače je také ovlivněno nastavením parametrů OSR. Při plném rozlišení OSR modulu je rozlišení 0,016 kPa. To dopovídá rozdílu výšky necelých 13 cm. Při minimální OSR je rozlišení 0,11 mbar, a to je asi 90 cm.

Konstrukce tlakového senzoru

Snímač tlaku MEMS je v podstatě tenká deska křemíku připojena ke komoře obsahující plyn o referenčním tlaku nebo vakuu. Horní povrch je vystaven atmosférickému tlaku. Rozdíl mezi tlakovou komorou a okolním tlakem vzduchu se projeví v ohnutí desky a vytvoří se mechanické napětí, které generuje adekvátní elektrický signál. ASIC zabudovaný do MS5840 tento signál převádí na digitální formu.

V konstrukci nositelného zařízení je nutné vystavit senzor okolnímu tlaku vzduchu. To znamená, že konstrukce zařízení nesmí bránit okolnímu vzduchu k senzoru. Taková volná cesta vzduchu, ale dává možnost vniknutí vody či nečistotám. Proto je nutné být opatrný ve volbě umístění daného senzoru, aby se minimalizovala možnost vniknutí vody či jiných nečistot a nedocházelo by ke zkreslení naměřených hodnot.

MS5840 je navržen tak, aby se zabránilo těmto problémům. Modul používá vrstvenou strukturu pro ochranu snímače (obrázek 5). Nejspodnější vrstva je substrát oxidu hlinitého s SMT pájecími plošky, která zajišťuje mechanickou stabilitu. Substrát nese MEMS senzor a ASIC jednotku, která zajišťuje převod signálů, digitální konverzi, a I2C rozhraní. Neprůhledný gel vyplňuje prostor mezi elektronikou a víčkem z nerezové oceli.

Obrázek 5: Modul čidla tlaku MS5840 obsahuje neprůhlednou gelovou vrstvu (černý materiál zobrazený mezi víkem (nahoře) a senzorem (dole). To chrání elektroniku před světlem, nečistotou a vlhkostí. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics, ze zdrojového materiálu TE)

Hlavní funkcí gelu je přenášet sílu atmosférického tlaku na povrch senzoru. Tento gel mechanicky spojuje senzor se vzduchem a zároveň brání nečistotám a vlhkosti, aby se dostali k elektronice. Vzhledem k tomu, že gel je neprůhledný poskytuje také ochranu vůči světelnému záření. Zabraňuje fotonům indukovat elektronický šumu. Kovové víko je uzemněno a tím zlepšuje ESD imunitu.

Konstrukci nositelného zařízení lze vyřešit tak, že kovový O kroužek bude těsně dosedat na pouzdro nositelného zařízení. Pokud bude zařízení složené, tak O kroužek přitisknuty ke krytu chrání elektroniku před nečistotami a vniknutím vody, zatímco gel ochrání samotný senzor.

Dalším aspektem, který je potřeba vzít potaz, je umístění senzoru ve fitness aplikacích, aby odolával větru. Poryv větru může způsobit dočasný pokles tlaku vzduchu na senzoru. Tento „šum“ ve změnách tlaku mohou vypadat jako náhlé změny výšky. Tohle lze jednoduše kompenzovat v kódu. Použijí se data z akcelerometru. Pokud není k dispozici odpovídající zrychlení, skokovou změnu nadmořské výšky lze ignorovat.

Takovou kompenzaci lze provést i opačně. Cyklista, který jede přes hrbolatý povrch by mohl generovat takový profil zrychlení, který odpovídá pohybu po schodech. Ale pokud nedostáváme nějakou informaci o změně výšky, systém může tyto odchylky vyhodnotit jako šum a ignorovat je.

Závěr

Nositelná zařízení jako jsou fitness trackery se těší větší oblibě. Přidání barometrického výškoměru lze zlepšit vyhodnocení pohybu a tím se zvýší přesnost výpočtů „spálených“ kalorií. Tyto senzory mohou také pomoci při ověřování informací z jiných senzorů. Senzor tlaku musí být nejen vysoce přesný, ale musí být také schopen pracovat s malým množství energie a musí mít velmi malé rozměry. Příkladem takového senzoru je MS5840-02BA od TE Connectivity.

Článek vyšel v originále „Boost Fitness Tracker Accuracy Using High-Accuracy Pressure Sensors na webu DigiKey.com, autorem je Richard A. Quinnell

Hodnocení článku: