Eckdaten

Zu den Sensoren der Halbleiter-Hersteller Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, Rohm, ST Microelectronics und Vishay hat Rutronik auch die Sensoren der Passiv- und Elektromechanik-Hersteller wie Murata und Omron im Portfolio. Zusätzlich kann Rutronik die gesamte Kette der Signalaufbereitung mit den entsprechenden Produkten abbilden. Das fünfköpfige Sensor-Team, das sich seit Jahren ausschließlich mit der Sensorik beschäftigt, und die Analog-Fachleute unterstützen die Kunden bei der Auswahl.

Sensor Hubs, oder Application Specific Sensor Nodes (ASSNs), kombinieren verschiedene Sensoren und stellen wesentlich genauere und robustere Daten zur Verfügung als Einzelsensoren das können. Dies gilt vor allem unter schwierigen Einsatzbedingungen, da jede Sensorart über ein individuelles Drift- und Rauschverhalten verfügt. Durch die Kombination kompensieren sie die Unzulänglichkeiten der einzelnen Sensoren. Zudem sind ASSNs deutlich kleiner und effizienter als diskret aufgebaute Lösungen. Ein Kalibrieren der Temperatur als auch eine regelmäßige Kalibrierung durch den Nutzer ist nicht notwendig. Weiterhin entfällt ein Großteil des Integrations- und Entwicklungsaufwandes.

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Rutronik

Der BMX055 von Bosch Sensortec und der LSM9DS1 von ST Microelectronics sind digitale Sensormodule mit neun Freiheitsgraden (Degrees of Freedom, DoF) und stellen damit die derzeit höchste Integrationsstufe einzelner MEMS-Sensoren dar. Beide beinhalten einen 3-achsigen Beschleunigungssensor, ein 3-achsiges Gyroskop und ein 3-achsiges Magnetometer. Dank ihrer kompakten Abmessungen von 3 × 4,5 × 0,9 mm3 (MBMX055) beziehungsweise 3,5 × 3 × 1 mm3 (LSM9DS1) eignen sie sich auch bei limitiertem Platzangebot, zum Beispiel bei mobilen Anwendungen.

Sensor-Fusion-Software

Um aus den Rohdaten der Sensoren einen Wert für die Anzeige oder Weiterverarbeitung zu erhalten, haben beide Hersteller eine eigene Software entwickelt. Die Programme unterstützen 6- und 9-DoF-Module und laufen auf einem im Sensormodul integrierten Mikrocontroller ebenso wie auf einem externen Controller. Aufgrund ihrer Skalierbarkeit können die auf Android und Microsoft 8 ausgelegten Programme auch auf andere Betriebssysteme angepasst werden.

Der BMX055 von Bosch Sensortec ist ein digitales Sensormodul mit neun Freiheitsgraden.

Der BMX055 von Bosch Sensortec ist ein digitales Sensormodul mit neun Freiheitsgraden.Rutronik

Folgende Parameter stellt die Sensor-Fusion-Software zur Verfügung: lineare Beschleunigung, Rotation, exakte und robuste Lagebestimmung, Gravitationsvektor und Quaternionen. Letztere ermöglichen häufig eine rechnerisch elegante Beschreibung des dreidimensionalen euklidischen Raumes und anderer Räume, vor allem im Kontext mit Drehungen, und sie lassen sich um das Zehnfache effizienter verarbeiten als die Rohdaten. Zusätzlich kompensiert die Sensor-Fusion-Software die verschiedenen Sensoren untereinander.

Der intelligente, absolute Orientierungssensor BNO055 von Bosch Sensortec vereint Sensoren und Sensor Fusion in einem Gehäuse.

Der intelligente, absolute Orientierungssensor BNO055 von Bosch Sensortec vereint Sensoren und Sensor Fusion in einem Gehäuse.Rutronik

Um das relativ schwache Erdmagnetfeld erfassen zu können, haben Magnetometer einen sehr empfindlichen Messbereich. Dadurch sind sie sehr störanfällig gegenüber externen Magnetfeldern, wie zum Beispiel einem Lautsprecher oder einem Magneten. In einem solchen Fall kann der elektronische Kompass den magnetischen Norden nicht mehr angeben. Bei einem Sensor Hub errechnet die Software aus den Winkelbeschleunigungen des Gyroskops und den linearen Beschleunigungen des Beschleunigungssensors die Lage des Gerätes. Dadurch funktioniert der Kompass auch bei gestörtem oder gedrehtem Magnetometer.

Funktionsfähig auch bei gestörtem oder gedrehtem Magnetometer

Bei der Beschleunigungsmessung eines entsprechenden Sensors ist immer auch die Gravitation enthalten. Nur im Ruhezustand lässt sich der Gravitationsvektor exakt bestimmen, da sich dynamische Beschleunigungen andernfalls überlagern. Mit einem Gyroskop kann die Software die dynamische von der statischen Beschleunigung trennen. Dadurch ist es möglich, den Gravitationsvektor auch während einer Bewegung zu bestimmen.

Auch die Schwachstellen eines Gyroskops lassen sich auf diese Weise ausgleichen. Dieses misst immer gegen eine Referenzbewegung. Es entsteht ein Langzeitdrift, der mit der Zeit zunimmt. Ein Beschleunigungssensor erkennt die Ruheposition eines Gerätes, mit der die Software den Langzeitdrift des Gyroskops kompensieren kann. Zusätzlich ist ein Magnetfeldsensor in der Lage, als absolute Referenz zu fungieren.

Die iNEMO Ultraproduktfamilie von ST Microelectronics bietet eine 6-Achsen-Intertialsensor-Kombination.

Die iNEMO Ultraproduktfamilie von ST Microelectronics bietet eine 6-Achsen-Intertialsensor-Kombination.Rutronik

Die Sensor-Fusion-Software von Bosch Sensortec läuft beispielsweise auf dem BNO055, dem neuesten ASSN des Herstellers. Er erzielt eine hohe Leistung bei sehr geringem Energieverbrauch, da Soft- und Hardware optimal aufeinander abgestimmt sind. Kunden haben zudem die Möglichkeit, die Software mit Mikrocontrollern anderer Anbieter zu nutzen. Hierfür müssen sie zwar NDAs und Lizenzabkommen unterzeichnen, im Vergleich zu selbst programmierter Software ist dieser Aufwand jedoch äußerst gering. Eine weitere Möglichkeit, um in den Genuss der Sensor Fusion zu gelangen, ist der SSC7102 von Microchip. Hierbei handelt es sich um ein 10-DoF-Sensor-Fusion-Hub, auf dem die Fusion-Lib-Software, lizenziert von Bosch Sensortec, läuft. Folgende, extern anzuschließende Sensoren werden unterstützt: das Kompassmodul BMC150 und das Gyroskop BMG160 von Bosch Sensortec, sowie der Umgebungslichtsensor ISL29029 von Intersil.

Der LSM6DS3 ist ein aus zwei Chips bestehendes System-in-Package.

Der LSM6DS3 ist ein aus zwei Chips bestehendes System-in-Package.Rutronik

Sensorkombination plus Sensor Fusion

Sensorkombinationen, die bereits mit einer Sensor-Fusion-Software kombiniert sind, liefern genauere, robustere Werte, die auf die jeweilige Applikation ausgerichtet sind. Abgestimmte Hard- und Software sorgen für einen geringen Entwicklungs- und Integrationsaufwand und größtmögliche Performance. Dadurch spart sich der Kunde die eigene Software-Entwicklung und kann sich auf die eigentliche Applikation mit kürzerer Time-to-Market konzentrieren.

Der BNO055 von Bosch Sensortec ist ein intelligenter absoluter Orientierungssensor, der Sensoren und Sensor Fusion in einem Gehäuse vereint. Mit einem 3-Achsen 14-Bit Beschleunigungssensor, 3-Achsen 16-Bit Gyroskop mit einem Bereich von ±2000 °/s und 3-Achsen geomagnetischem Sensor bietet er neun Freiheitsgrade. Erstmals stammen bei 9-Achsen-Sensoren alle Technologien von demselben Hersteller. Ebenfalls integriert ist ein 32-Bit-Mikrocontroller, auf diesem läuft die BSX3.0-Fusion-Lib-Software. Dadurch lässt sich dieser nicht für die Applikation selbst nutzen. Mit Abmessungen von 5,2 × 3,8 × 1,13 mm3 ist die System-in-Package-Lösung deutlich kleiner als vergleichbare diskrete oder System-on-Board-Lösungen. Der BNO055 eignet sich für viele Einsatzgebiete, auch für Industrieanwendungen, da er länger verfügbar sein wird als Sensoren, die ausschließlich auf den Smartphone-Markt abzielen.

Mit bis zu Freiheitsgeraden ermöglichen aktuellen Sensoren Hubs neue Features in vielen Applikationen und Mehrwerte in Industrie-, Medizin- oder Spiele-Anwendungen.

Mit bis zu Freiheitsgeraden ermöglichen aktuellen Sensoren Hubs neue Features in vielen Applikationen und Mehrwerte in Industrie-, Medizin- oder Spiele-Anwendungen.Rutronik

Die iNEMO-Ultraproduktfamilie von ST Microelectronics bietet eine 6-Achsen-Intertialsensor-Kombination. Im 2,5 × 3 × 0,8 mm3 großen Gehäuse beinhaltet sie einen digitalen 3-Achsen-Beschleunigungssensor und ein digitales 3-Achsen-Gyroskop. Mit einer Stromaufnahme von 1,25 mA (bis zu 1,6 kHz Ausgangsdatenrate (ODR)) im High-Performance-Modus ermöglicht sie always-on low-power Features. Im Low-Power-Modus benötigt sie 0,6 mA (always-on). Ihre Effizienz resultiert unter anderem aus dem smarten FIFO-Speicher (First-In First-Out). Mit 8 kByte ist er mindestens doppelt so groß wie alle anderen verfügbaren Speicher, sodass der LSM6DS3 mehr Daten abspeichern und sammeln kann bevor der Systemprozessor geweckt werden muss. Zudem verfügt er über sehr gute Rauscheigenschaften: Im High-Performance-Modus mit einer Ausgangsdatenrate (ODR) von 104 Hz und typischerweise 0,6 mg-rms erzielt der Beschleunigungsaufnehmer 90 µ/√Hz, das Gyroskop erreicht 0,007 °/s/√Hz im High-Performance-Modus bei 10 Hz und 0.07 °/s-rms im High-Performance-Modus mit einer Ausgangsdatenrate (ODR) von 208 Hz.

Kurze Systemreaktionszeiten

Der LSM6DS3 ist ein aus zwei Chips bestehendes System-in-Package. Aufgrund seiner Event-Detection-Interrupts mit effizienter und zuverlässiger Bewegungsverfolgung und Kontextwahrnehmung ermöglicht er eine 6-D-Orientierung sowie die Erkennung von Freifall, Tap und Doppel-Tap, Aktivität und Inaktivität sowie Aufweck-Ereignisse. Da er die Signale von realen, virtuellen und Batch-Mode-Sensoren verarbeitet, lassen sich kurze Systemreaktionszeiten erzielen. Er ermöglicht hartes und weiches Tiefziehen für die Korrektur externer Magnetsensoren. Seine Pins können mit weiteren, externen Sensoren verbunden werden, um zusätzliche Aufgaben als Sensor-Hub oder ergänzende SPI-Schnittstelle zu übernehmen. Zusammen mit dem STM32-Mikrocontroller ermöglicht der LSM6DS3 neue Merkmale für batteriebetriebene Sensorsysteme in mobilen und tragbaren Anwendungen sowie Objekten für das Internet of Things.

Für den LSM6DS0 sowie das 3-Achsen-Magnetometer LIS3MDL, den LPS335H Drucksensor sowie den HTS221 Feuchtigkeits- und Temperatursensor bietet ST Microelectronics das X-Nucleo-IKS01A1 Evaluierungsboard. Über den I2C-Pin verbindet es sich mit dem STM32-Mikrocontroller, der Default-I2C-Port lässt sich ändern. Für weitere MEMS-Adapter und Sensoren ist ein DIL-24-Pin-Sockel verfügbar. Es enthält eine umfangreiche Firmware Library und Beispiele für alle Sensoren, die mit der STM32Cube Firmware kompatibel sind.

Martin Grimmer

ist Senior Marketing Manager Analog & Sensors bei Rutronik Elektronische Bauelemente.

(ah)

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