Gruppi di sensori altamente integrati

I gruppi di sensori o Assn (Application Specific Sensor Node) combinano diversi sensori e mettono a disposizione dati notevolmente più accurati e robusti di quanto possano fornire i singoli sensori. Questo è vero soprattutto in presenza di condizioni ambientali severe. Infatti ciascun tipo di sensore è caratterizzato da un comportamento diverso in presenza di deriva e di rumore e la loro combinazione consente di compensare i limiti dei singoli sensori. Ulteriori punti a favore: gli Assn sono chiaramente più piccoli e più efficienti rispetto alle soluzioni realizzate con componenti discreti. Non è necessaria la calibrazione della temperatura da parte dell’utente, e neppure la calibrazione periodica. Inoltre gran parte degli sforzi di integrazione e di sviluppo richiesti per le soluzioni tradizionali non risulta più necessaria, e di conseguenza il time-to-market è ridotto e gli sviluppatori possono concentrarsi completamente sulla propria applicazione e raggiungere il mercato più rapidamente. I componenti BMX055 di Bosch Sensortec e LSM9DS1 di STMicroelectronics sono moduli di sensori digitali con 9 gradi di libertà e rappresentano quindi il grado di integrazione finora più spinto dei singoli sensori Mems. Entrambi includono un sensore di accelerazione a 3 assi, un giroscopio a 3 assi e un magnetometro a 3 assi. Grazie alle loro dimensioni compatte questi prodotti sono idealmente indicati anche per impieghi in spazi limitati, ad esempio in applicazioni mobili.

Il software per la fusione dei sensori
Per ottenere dai dati grezzi dei sensori un valore da visualizzare o da elaborare ulteriormente, entrambi i produttori hanno sviluppato un proprio software. I programmi supportano moduli con 6 e 9 DoF e girano su un microcontrollore integrato nel modulo sensore e anche su un controllore esterno. Essi supportano i sistemi operativi Android e Microsoft 8 e, grazie alla loro scalabilità, possono essere adattati anche per altri sistemi operativi. Questo software per la fusione dei sensori mette a disposizione tra l’altro i seguenti parametri: l’accelerazione lineare, la rotazione, l’orientamento preciso e robusto, il vettore gravitazionale e i quaternioni. Questi ultimi consentono di ottenere in molti casi una descrizione elegante dal punto di vista matematico degli spazi euclidei tridimensionali e di altri spazi, soprattutto in ambito del movimento, e la loro elaborazione è dieci volte più efficiente rispetto a quella dei dati grezzi. Inoltre il software di fusione dei sensori compensa fra loro i diversi sensori. Di seguito vengono illustrati un paio di esempi. Per poter rilevare il campo geomagnetico, relativamente debole, i magnetometri dispongono di un campo di misura molto sensibile. Questo li rende molto vulnerabili ai disturbi provenienti dai campi magnetici esterni, ad esempio da un altoparlante o da una calamita. A causa di disturbi di tale entità, la bussola elettronica può non indicare più il Nord magnetico. In presenza di un modulo di sensori, il software calcola la posizione del dispositivo a partire dall’accelerazione angolare del giroscopio e dall’accelerazione lineare del sensore di accelerazione. In questo modo la bussola funziona anche quando il magnetometro è soggetto a disturbi o produce un segnale troppo debole. La misura dell’accelerazione di un sensore corrispondente contiene sempre anche la gravità. Il vettore di gravità può essere determinato con precisione solo in condizioni di riposo dato che, in caso contrario, le accelerazioni dinamiche vi si sovrapporrebbero. Usando un giroscopio, il software può separare l’accelerazione dinamica da quella statica, di modo tale che il vettore gravitazionale possa essere determinato anche durante il movimento. In questo modo è anche possibile compensare le vulnerabilità di un giroscopio. Tale componente effettua sempre la misura rispetto ad un movimento di riferimento. Si produce di conseguenza una deriva a lungo termine, che aumenta nel tempo. Un sensore di accelerazione riconosce la posizione di riposo di un dispositivo, e con quest’ultimo il software può compensare l’effetto di deriva del giroscopio. Inoltre un sensore di campo magnetico può fungere da riferimento assoluto. Il software di fusione dei sensori di Bosch Sensortec gira ad esempio sul dispositivo BNO055, il più recente Assn del produttore. Esso raggiunge prestazioni elevate con un modesto consumo di energia, essendo l’hardware e il software perfettamente adattati l’uno con l’altro. I clienti possono usare il software anche con microcontrollori di altri fornitori. A questo scopo, essi devono in effetti sottoscrivere NDA e accordi di licenza, ma questo è di gran lunga meno costoso rispetto ad un software realizzato internamente. Un’altra possibilità per ottenere i vantaggi della fusione dei sensori è il componente SSC7102 di Microchip. In questo modo si ottiene un modulo di fusione dei sensori con 10 DoF, sul quale gira il software FusionLib offerto in licenza da Bosch Sensortec. Sono supportati i seguenti sensori, con collegamento esterno: il modulo bussola BMC150 e il giroscopio BMG160 von Bosch Sensortec, oltre al sensore di luce ambientale ISL29029 di Intersil.

Una combinazione di sensori con fusione di sensori
Le combinazioni di sensori, disponibili unitamente al software di fusione dei sensori, forniscono valori precisi e robusti che sono idonei per l’applicazione di riferimento. Risorse hardware e software perfettamente adattate consentono di minimizzare gli oneri di sviluppo e di integrazione e di ottenere le massime prestazioni possibili. Il cliente risparmia il tempo di sviluppo del software e può concentrarsi sullo sviluppo dell’applicazione in sé, con un time-to-market più breve. Il componente BNO055 di Bosch Sensortec è un sensore intelligente di orientamento assoluto, con sensori e fusione di sensori combinati in un unico alloggiamento. Con un sensore di movimento a 3 assi da 14 bit, un giroscopio a 3 assi da 16 bit, con un campo di funzionamento +/- 2000gradi/secondo e con un sensore geomagnetico a 3 assi, esso offre 9 gradi di libertà. In questo modo, per la prima volta, sono disponibili da un unico produttore tutte le tecnologie sotto forma di sensori a 9 assi. È inoltre integrato un microcontrollore a 32 bit, sul quale gira il software BSX3.0 FusionLib. Per questo motivo, il componente può essere utilizzato da solo per l’applicazione. Con dimensioni di 5,2x3,8x1,13 mm, la soluzione System-in-Package è chiaramente più compatta rispetto a soluzioni analoghe di tipo discreto o System-on-Board. Il componente BNO055 si presta idealmente per diversi campi applicativi, fra cui anche le applicazioni industriali. Infatti è caratterizzato da una disponibilità sul mercato per un tempo più lungo rispetto ai sensori che sono pensati esclusivamente per il mercato degli smartphone. La famiglia di prodotti iNemo di STMicroelectronics offre una combinazione di sensori inerziali a 6 assi. In un alloggiamento da 2,5x3x0,8 mm, essa include un sensore di accelerazione digitale a 3 assi e un giroscopio digitale a 3 assi. Con un consumo di corrente di 1,25 mA ( con una velocità massima dei dati in uscita, o ODR, di 1,6 KHz) in modalità di funzionamento ad alte prestazioni, la serie di prodotti iNemo consente di ottenere funzionalità a basso consumo, in modalità sempre attiva. In modalità di funzionamento a basso consumo i componenti necessitano di 0,6 mA (con dispositivo sempre attivo). La loro efficienza deriva tra l’altro dalla memoria Fifo (First-In First-Out) intelligente. Con 8 kbyte essa è almeno il doppio più grande rispetto alle altre memorie disponibili sul mercato, di modo che il componente LSM6DS3 possa memorizzare e raccogliere più dati prima che il processore di sistema esca dallo stato di standby. Inoltre il componente offre ottime caratteristiche di rumore: in modalità di funzionamento ad alte prestazioni con una velocità dei dati in uscita di 104 Hz e tipicamente 0,6 mg-rms, il sensore di accelerazione ottiene 90µ/√Hz, il giroscopio raggiunge 0,007°/s/√Hz in modalità di funzionamento ad alte prestazioni a 10 Hz e 0.07°/s-rms, in modalità di funzionamento ad alte prestazioni con una velocità dei dati in uscita di 208 Hz. L‘LSM6DS3 è uno dei due chip dai quali è costituito il System-in-Package. Grazie ai suoi interrupt guidati da evento con inseguimento del movimento e funzionamento consapevole del contesto, esso consente un orientamento in 6D e un riconoscimento di caduta libera, tocco e doppio tocco, attività e inattività, oltre al risveglio da interrupt guidato da eventi. Elaborando i segnali provenienti da sensori reali, virtuali e in modalità batch, esso consente di raggiungere tempi di reazione del sistema molto brevi. Il componente permette di ottenere la modellazione rigida o flessibile per la correzione dei sensori magnetici esterni. I suoi piedini possono essere collegati a sensori esterni aggiuntivi, allo scopo di supportare ulteriori funzioni come hub di sensori o interfacce Spi aggiuntive. Insieme al microcontrollore STM32, il componente LSM6DS3 consente di ottenere nuove funzionalità in sistemi di sensori alimentati a batterie, in applicazioni mobili e portatili e negli oggetti per l’Internet delle Cose. ST offre la scheda di valutazione X-Nucelo-IKS01A1 per l‘LSM6DS0, oltre che per il magnetometro a 3 assi LIS3MDL, per il sensore di pressione LPS335H e per il sensore di umidità e di temperatura HTS221. Il dispositivo LSM6DS3 si connette al microcontrollore STM32 attraverso il pin I2C, ed è possibile modificare la porta I2C di default. Uno zoccolo Dil 24-Pin è disponibile per ulteriori adattatori e sensori Mems. L’offerta comprende anche una vasta libreria di firmware e di esempi per tutti i sensori che sono compatibili con il firmware STM32Cube.

Fari puntati sulla sensoristica
I prodotti di ST di Bosch Sensortec costituiscono la classe di punta per quanto riguarda la fusione di sensori. Entrambi i produttori, leader di mercato e nella tecnologia nel campo dei sensori Mems, sono compresi nel portafoglio prodotti di Rutronik. Oltre ai sensori messi a disposizione dai produttori di semiconduttori Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, Rohm, ST e Vishay, Rutronik offre nel proprio portafoglio prodotti anche i sensori di fornitori di componenti passivi ed elettromeccanici come Murata e Omron. Inoltre Rutronik può realizzare l’intera catena di elaborazione dei segnali con i prodotti più idonei. Nella scelta di un prodotto, i clienti ricevono il supporto da parte di un team specializzato nei sensori composto da cinque persone, che si occupa da anni esclusivamente di aspetti legati alla sensoristica, e da parte di specialisti nella progettazione analogica.

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