Mems, verso l’intelligenza embedded

EMBEDDED –

Dopo anni di continuo sviluppo, i dispositivi microelettromeccanici, dopo aver conseguito risultati funzionali di considerevole interesse come dispositivi sensoriali, diventano ora “intelligenti” integrando on-board il livello computazionale.

Gli smart Mems rappresentano oggi una realtà tecnologica che consente di innovare in maniera eccezionale la funzionalità dei dispositivi e dei sistemi che interagiscono con l'uomo e con l'ambiente, sia naturale che artificiale. Fino a qualche anno fa la tecnologia Mems era focalizzata quasi esclusivamente a livello sensoriale, in particolare quella di natura accelerometrica. Inoltre, le informazioni misurate erano allo stato grezzo e necessitavano di elaborazioni più o meno fini, di cui doveva farsi carico il sistema applicativo che integrava al suo interno il Mems stesso. I Mems intelligenti rappresentano dunque un ulteriore passo avanti che la tecnologia Mems sta rendendo disponibile agli sviluppatori per la realizzazione di applicazioni intelligenti di nuova generazione.

Integrazione tra Mems e software di elaborazione
iNemo di STMicroelectronics è un esempio di integrazione tra tecnologia Mems avanzata e tecnologia software, per la realizzazione di un sistema sensoriale del movimento altamente sofisticato. iNemo integra infatti un engine molto avanzato di elaborazione per il filtraggio e la predizione con la tecnologia Mems di sensing a 9 assi (accelerometro a 3 assi, giroscopio a 3 assi e magnetometro a 3 assi). Il sensor fusion software è una suite di algoritmi per la fusione dei dati provenienti dai sensori per implementare in maniera molto efficace applicazioni embedded come la rilevazione di caduta dei dispositivi, servizi basati sulla localizzazione, giochi basati sul movimento, tracciamento del movimento del corpo umano, ecc.
Lo scopo del software combinato con i Mems è quello di ottenere un livello di prestazione del sistema superiore in termini di accuratezza, risoluzione, stabilità e risposta. Gli algoritmi sono di natura adattiva ed eseguono elaborazioni predittive e di filtraggio. Il software è finalizzato anche ad eseguire la fusione delle informazioni che giungono dai vari sensori. Le distorsioni magnetiche vengono in tal modo corrette a livello di magnetometro, a livello di accelerometro vengono corrette le distorsioni legate alla dinamica, mentre a livello di giroscopio il drift nel tempo. Le principali caratteristiche di iNemo sono:
•    interfaccia seriale digitale SPI
•    fondo scala selezionabile (2g, 4g, 8g)
•    consumo di corrente < 0.3 mA (normal mode)
•    consumo di corrente < 19 uA (low power mode)
•    consumo di corrente < 1 uA (power down mode)
•    risoluzione superiore a 1 mg
•    stabilità in temperatura: 0.2 mg/°C
•    resistenza a sollecitazioni elevate: 10000g per 0,1 ms
•    due interrupt indipendenti e programmabili
•    funzioni free-fall e wake-up
•    riconoscimento singolo e doppio click
•    rilevazione della direzione
•    funzione sleep-to-wake
•    filtro passa-alto

Le caratteristiche del dispositivo sono dunque arricchite di funzionalità intelligenti on-board che consentono di avere disponibili, da parte del sistema applicativo, una serie di informazioni di alto livello e di poter interagire con esso in maniera asincrona. Il modulo di valutazione Steval-MKIO62V2 combina su un'unica scheda accelerometro, giroscopio e magnetometro, oltre ai sensori di temperatura e di pressione. In tal modo, in modo compatto, vengono resi disponibili funzionalità di sensing lineare, angolare e magnetico a tre assi, complementati da informazioni di temperatura e di pressione (barometrica e di altitudine). In totale è un sistema a 9 assi integrato dalle informazioni di pressione e di temperatura.

iNemo Suite
Steval-MKI062V2 demonstration kit include un pacchetto software che consiste di una Gui (Graphical User Interface) per la visualizzazione grafica delle uscite dei sensori e di una libreria di firmware che consente di utilizzare a livello più mirato la funzionalità embedded della scheda. La finestra principale si articola in numerose sezioni:
1.    la sezione di selezione del sensore che consente di finalizzare la visualizzazione dei dati relative ad uno specifico sensore
2.    una barra strumenti per stabilire la frequenza e le modalità di acquisizione
3.    una barra di strumenti per la gestione della grafica e la visualizzazione
4.    una barra di informazioni di stato
5.    una finestra di log
6.    una barra di default menu
7.    un pannello per la presentazione grafica dei dati.

Verso iNemo su singolo chip
iNemo N1 è un SoB (System-on-Board) che integra, in una dimensione di un chip (13 x 13 x 2 mm) tutta la funzionalità della scheda di valutazione Steval-MKI062V2, incluso il potente microcomputer Arm a 32 bit STM32F103REY. Questo microcomputer esegue una serie di sofisticati algoritmi che consentono di ottenere la fusione dei dati provenienti da numerosi sensori integrati sul modulo. Grazie alle numerose interfacce (Can, Usart, Spi, I2C e Usb 2.0) e a una serie di canali Adc di uso generale, è possibile integrare facilmente questo dispositivo all'interno di sistemi embedded anche molto complessi per realizzare applicazioni come i sistemi di emulazione della realtà virtuale, di stabilizzazione dell'immagine, di interfaccia uomo-macchina e di tracciamento inerziale del corpo umano. Grazie alle piccole dimensioni e ai bassi consumi, questo dispositivo ad elevata integrazione sensoriale e di natura smart può essere integrato anche in sistemi alimentati a batteria in numerose applicazioni di natura consumer.

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