Im Format eines weitgehend gewöhnlichen Schlüssels hat Rohm sieben Sensoren untergebracht.

Im Format eines weitgehend gewöhnlichen Schlüssels hat Rohm sieben Sensoren untergebracht.Rohm Semiconductor

Trends wie das Internet der Dinge und Wearable Devices treiben mehr und mehr die Entwicklung neuer Technologien für intelligente integrierte Geräte voran. Es gilt, Funktionen wie hocheffizientes Powermanagement, fortschrittliche Sensoren und Embedded-Technologie miteinander zu kombinieren. Die elektronischen Komponenten müssen dabei in ein leichtes und kompaktes Format passen und mit äußerst geringem Stromverbrauch auskommen, um eine lange Lebensdauer ohne Batteriewechsel zu ermöglichen. Für die Kommunikation mit anderen Geräten eignen sich energiesparende drahtlose Kommunikationsstandards wie Bluetooth Low Energy (BLE).

Zeigen was geht

Rohm Semiconductor zeigt anhand einer Demoanwendung, welche Möglichkeiten Entwickler hier haben. Es handelt sich dabei um eine drahtlose Schlüsselvorrichtung, die auf engstem Raum eine Sensor-Hub-MCU von Rohm/Lapis und einen Bluetooth-LE-Transceiver mit sieben fortschrittlichen Sensoren vereint. Der Schlüssel kommuniziert mit einem Tablet oder Smartphone über die BLE-Schnittstelle. Der Sensor-Hub-Mikrocontroller steuert die Kommunikation und wertet die Sensordaten aus.

Wearable Device in Form eines Schlüssels: Rohm hat hier sieben Sensoren zusammen mit Datenverarbeitung und Kommunikation integriert.

Wearable Device in Form eines Schlüssels: Rohm hat hier sieben Sensoren zusammen mit Datenverarbeitung und Kommunikation integriert.Rohm Semiconductor

Die Sensoren kommunizieren über ein I2C-Bus-Protokoll mit der MCU, die wiederum per SPI mit dem Bluetooth-LE-IC verbunden ist. All diese Komponenten passen auf eine Leiterplatte im Format 18 × 42 × 92 mm3 und führen die komplexe Funktionalität in einem leistungsoptimierten Modus aus. Deshalb müssen sich alle Elemente in ultrakompakten Gehäusen befinden und über modernes Powermanagement verfügen – jedes Bauteil nutzt seine eingebauten Funktionen für größtmögliche Energieeffizienz aus.

Mikrocontroller

Der zentrale Teil der tragbaren Anwendung ist eine optimierte Low-Power-MCU. Dieser dedizierte Sensor-Hub-Mikrocontroller aus dem Portfolio von Rohm/Lapis hat sich längst als Mehrfachsensorsteuerung von Smartphones bewährt; Rohm liefert den Baustein auf Wunsch mit Treibern und Firmware für verschiedene Sensoren. Da die MCU vom Hauptchipsatz getrennt ist, lässt sich ihr Stromverbrauch deutlich senken, ohne der Leistungsstärke zu schaden. Im Halt-Modus liegt die Stromaufnahme bei 0,6 µA. Der integrierte 64-KByte-Flash-Speicher unterstützt die Onboard-Programmierung, was die Entwicklung erleichtert.

Eckdaten

  • Bluetooth-LE-IC: ML7105
  • Sensor-Hub-MCU ML630Q790
  • Drei-Achsen-Beschleunigungssensor und Gyroskop
  • Magnetometer
  • Luftdrucksensor
  • RGB- und UV-Lichtsensoren
  • Annäherungssensor

Ebenfalls aus dem Rohm-Portfolio kommt das Bluetooth-LE-IC ML7105. Der Baustein ist konform zur Bluetooth-SIG-Core-Spec v4.0 und als integrierter Baseband-Controller mit Bluetooth-LE Single Mode (Bluetooth Smart) aufgebaut. Der integrierte HF-Block sorgt für niedrigen Stromverbrauch und Energieeffizienz und unterstützt die Schnittstellen SPI (Slave), UART und I2C (Master/Slave). Mit einem aktiven Stromverbrauch von weniger als 9 mA (TX und RX) gehört der ML7105 zu den effizientesten Bluetooth-LE-Controllern auf dem Markt. Rohm arbeitet gerade an Produkten, die die Bluetooth-SIG-Core-Spec v4.1 unterstützen und den Stromverbrauch noch weiter senken.

Beschleunigungssensor

Rund um das Kernsystem mit MCU und drahtloser Kommunikation ist die Demoanwendung mit sieben Sensoren ausgestattet. Verbaut ist beispielsweise ein rauscharmer Low-Power-Drei-Achsen-Beschleunigungssensor von Kionix (Teil der Rohm-Gruppe) im ultradünnen LGA-Gehäuse; den Sensor KX112 gibt es inzwischen als 12-Pin-LGA im Format 2 × 2 × 0,6 mm3 und das Modell KXCJB als 10-Pin-LGA der Größe 3 × 3 × 0,45 mm3. Die Bausteine bieten eine Auflösung von bis zu 14 Bit und eine optimierte Energieverwaltung – nur 0,9 µA im Standby, 10 µA bei niedriger Auflösung und 145 µA bei hoher Auflösung.

Intern arbeiten die Sensoren mit einer Auflösung von 16 Bit und bieten hervorragende Stabilität sowie digitale Algorithmen, die Bewegungen erfassen, einen freien Fall erkennen sowie die Ausrichtung als Hoch- oder Querformat und Tap/Doubletap-Ereignisse für Bedienerschnittstellen erkennen. Der Baustein unterstützt auch die Flexset-Technologie von Kionix, die Energie und Leistung feingranular regelt. Der KX112 besitzt einen sehr großen FIFO/FILO-Puffer: Mit 2048 Bytes kann er – während das übrige System schläft – mehr Daten aufnehmen als andere Beschleunigungssensoren im Markt. Damit spart das System Energie und behält dennoch den exakten Ereigniskontext.

Viele Funktionen

Trotz der geringen Größe ist der KX112 einer der am besten ausgestatteten Sensoren. Er hat eine integrierte Weckfunktion und ist für die Aktivitätsüberwachung, Gestensteuerung oder Abstandsmessung einsetzbar. Eine mögliche Anwendung ist etwa die Schrittzahlmessung, aus der sich Informationen wie Kalorienverbrauch, Art und Weise der Bewegung oder Reisezeit ableiten lassen.

Kontakt zur Außenwelt lässt sich bequem per Bluetooth Low Energy herstellen. Das Funk-IC kommuniziert per SPI mit der Host-MCU, die per I²C mit dem Sensor-Hub verbunden ist.

Kontakt zur Außenwelt lässt sich bequem per Bluetooth Low Energy herstellen. Das Funk-IC kommuniziert per SPI mit der Host-MCU, die per I²C mit dem Sensor-Hub verbunden ist.Rohm Semiconductor

Darüber hinaus liefert ein Gyroskop Informationen über die genaue Ausrichtung des Gerätes. Diese Informationen können beispielsweise verwendet werden, um zu überprüfen, ob eine Tür oder ein Fenster geschlossen ist, was zu mehr Sicherheit führt. Das Gyro arbeitet mit einem Betriebsstrom von 3,75 mA bei einem einstellbaren Messbereich von ±256, ±512, ±1024 oder ±2048 °/s. Darüber hinaus bietet er einen Temperatursensor und erhebliche Flexibilität aufgrund der benutzerdefinierbaren Bandbreite und der I2C- oder SPI-Bus-Kommunikation.

Magnetfeld messen

Eine weitere Datenquelle stellt das Magnetometer dar: Rohm implementiert MI-Sensoren, welche das Magnetfeld mithilfe einer Spule aus nur 20 µm dickem amorphen Draht erkennen. Solche MI-Sensoren detektieren magnetische Felder im Pikotesla-Bereich und sind damit 10.000-mal empfindlicher als herkömmliche Magnetsensoren. Beispielsweise identifiziert der hochpräzise MI-Sensor Metallgegenstände in Lebensmitteln und an anderen Orten.

Der Luftdrucksensor basiert auf MEMS-Technologie: das piezoresistive Sensorelement gibt ein Signal aus, das proportional zum atmosphärischen Druck ist. Eine integrierte Logik verarbeitet dieses Signal mithilfe proprietärer Algorithmen. Das Resultat ist eine hochgenaue Druckinformation, die über den gesamten Temperaturbereich stabil bleibt. Zusätzlich ist der Sensor für geringen Stromverbrauch insbesondere bei hochgenauen Messungen optimiert. Die I2C-Schnittstelle sorgt für einfachen Zugriff auf die Messergebnisse. So lassen sich Höhenunterschiede anhand der Druckveränderungen und der Bewegungsdaten erkennen – ideal für Aktivitäts- oder Höhenmesser. In einem robusten Gehäuse (2,5 × 2,5 × 0,95 mm3) untergebracht, deckt der Sensor einen breiten Druckbereich von 300 bis 1100 hPa ab und liefert exakte Werte des absoluten sowie des relativen Drucks. Er benötigt eine Versorgungsspannung von 1,71 bis 3,6 V, einen mittleren Strom von 5 µA und arbeitet im Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C.

Lichtempfindlich

Zwei lichtempfindliche Sensoren runden das Featureset ab. Der Annährungssensor beinhaltet IR- und lichtempfindliche Fotodioden sowie einen LED-Treiber für eine externe Infrarot-LED. Ziele in der Nähe reflektieren das IR-Licht zurück zu den Fotodioden. Der eingebaute Umgebungslichtsensor hingegen dient zum Optimieren der LCD-Helligkeit. Damit können Mobilgeräte die Sichtbarkeit des Displays erhöhen, ohne unnötig hell zu strahlen. Rohm bietet Umgebungslichtsensoren in zwei Serien: Einen Typ mit analogem Stromausgang und einen digitalen Ausgangstyp (16 Bit), der über den I2C-Bus kommuniziert.

Verschiedene Beispielanwendungen auf einem Tablet oder Smartphone nutzen die Sensoren im Schlüssel.

Verschiedene Beispielanwendungen auf einem Tablet oder Smartphone nutzen die Sensoren im Schlüssel.Rohm Semiconductor

Komplettiert wird die Sensorausstattung durch einen Ultraviolett-Sensor im kompakten, flachen QFN-Gehäuse, der über eine ADC-Schnittstelle mit dem Sensor-Hub verbunden ist. Damit lässt sich die Menge an UV-Strahlung messen, um beispielsweise einen Sonnenbrand zu verhindern. Im Betrieb begnügt sich das Bauteil mit typischerweise 300 µA, im Standby sind es sogar nur 0,1 µA. Noch kleinere CSP-Versionen sollen bald folgen.

Viele Funktionen

In Summe ergibt sich eine multifunktionale, benutzerfreundliche und handliche Anwendung. Entwickler können damit Aktivitäten und Bewegungen erkennen, externe Daten wie UV-Strahlung, Lichtstärke oder Magnetfelder messen, aber auch nahe Objekte oder sogar Materialien wie Metalle erkennen. Leichte Bedienbarkeit, komfortabler Service, zusätzliche Sicherheit und erhöhte Lebensqualität in einem Paket auf sehr kleinem Raum zu erreichen und zu demonstrieren war das Ziel der Demo.