Sixpack

Gyroskop und Accelerometer in einem Chip

IN1.jpgDurch die Miniaturisierung unhandlicher Sensoren wie Gyroskope und Accelerometer mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik ist eine völlig neue Klasse von Anwendungen entstanden, angefangen von Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur Elektronik gegen Verwackler bei  digitalen Fotoapparaten und Camcordern

Auch Spielkonsolen profitieren von den neuen Bauelementen, können die Teilnehmer doch nun ihre Aktionen mit vollem Körpereinsatz durchführen und damit noch intensiver am virtuellen Geschehen teilhaben. Ausgerüstet mit 6-Degree-of-Freedom (DOF) Inertial-Motion-Units im Uhrmacherformat werden die Eingabe-Devices der Zukunft auf jede Bewegung reagieren und diese in dreidimensionale PC-Welten umsetzen.

Mikro-Elektro-Mechanische Sensorik

IN2.jpgMit der Integration eines 3-Achsen Gyros­kopes und eines 3-Achsen Beschleu­nigungsmessers auf dem gleichen Sili­zium zusammen mit einem Digital Motion Pro­cessor™(DMP) der in der Lage ist, komplexe 9-Achsen Sensor-Fusion Berechnungen durchzufüh­ren, stellt die Bausteinfamilie einen Durchbruch im Bereich der MEMS-Sensortechnologie dar.

Durch die steigende Beliebtheit der Bewegungs­erfassung in alltäglichen Geräten der Consumer-Elektronik, wie erstmalig eingesetzt in der Wii™-Konsole von Nintendo® und später von Apple® im iPhone™, breitet sich das Motion-Processing in Smart-Phones, Tablet-PCs, TV-Fern­steuerungen, Spielekonsolen, Digitalkameras und viele andere Produkte aus.

IN3.jpgDie Antizipa­tion der Bewe­gungs­verar­beitung in diesen mo­bilen Geräten ver­spricht ein ganzes Bündel neuer Anwen­dungen und Funktionalitä­ten zum Nutzen des Kunden: Präzise Erfas­sung und Kompensation des unvermeidbaren Zitterns der Hand zur Verbesserung der Bild­quali­tät und Video­stabilität, Kop­pelnavigation bei GPS für Fahrzeuge und Fußgänger im Innenbereich oder bei Satel­litenab­schat­tung, Bedie­nerführung durch Bewe­gungen, er­weiterte, sog. „augmen­ted“ Realität sowie neue, eindrucksvolle Spiele, um nur ein paar zu nennen.

Bislang waren solche Geräte wegen dem Fehlen geeigneter Standardlösungen die durch OEMs schnell und einfach zu implementieren sind kaum möglich, bedurfte die Entwicklung einer inte­grierten Bewegungs­sensor-Lösung doch unter­schied­licher Kompo­nenten von zahlreichen Herstellern, einer Signal­konditio­nie­rung, eigenen Sensor-Fusion Algo­rithmen, Rechenleistung sowie weiterer Ressourcen und nicht zuletzt einem profunden Ver­ständnis für die komplexen Herausforderungen bzgl. IP in diesem Bereich, alles verbunden mit Kosten und Verzögerungen auf dem Weg zum verkaufs­fähigen Gerät.

Obwohl inte­grierte 3-Achsen Be­schleuni­gungs­sensoren schon etwa seit 10 Jahren in Ge­räten der Un­terhaltungs­elektronik ein­gebaut und von mehreren Her­stellern ange­boten werden, stellen qualita­tiv hochwertige Gyroskope zu konsum­taug­lichen Preisen einige tech­nische Heraus­forderungen dar, die einen breiten Einsatz bislang verhin­derten.

Mit dem weltweit ersten integrierten 3-Achsen-Gyroskop, vorgestellt im Jahr 2009, ist Invensense Pionier und Marktführer bei MEMS-Gyroskopen für Consumer-Geräte.

IN4.jpgEin entscheidender Vorteil der integrierten 6-Achsen-Lösung ist die perfekte Ausrichtung aller Achsen von Gyroskop und Accelerometer, was  kostenträchtige Kalibrierungen erübrigt, wie sie mit diskreten Lösungen notwendig sind. Zudem braucht es kein externes Accelerometer und die neuen MPUs von Invensense werden im gleichen Gehäuse und mit gleichem Pinning angeboten wie die aktuell verfügbaren 3-Achsen Gyroskope, die Fortent­wicklung ist daher auf der Hardwareseite recht schmerzfrei.

Und mit dem Master I2C-Bus zur Übernahme von 3-Achsen Kompasswerten aus einem externen Sensor lässt sich ein vollständiges 9-Achsen Sensor-Fusion System verwirklichen, das die InvenSense-eigenen und zum Patent angemeldeten DMP- und MPL-Funktionen nutzt.

Motion-Processor MPU-60x0

InvenSense nutzt seine patentierte und felderprobte Nasiri-Herstellplattform, um die weltweit erste 6-Achsen Lösung auf den Markt zu bringen. Der Nasiri-Herstell­prozess ist die Schlüsseltech­nologie für Motion-Proces­sing, da es die Integration von mikro­mechanischen MEMS-Struk­turen und CMOS-Elek­tronik auf Wafer-Ebene ermöglicht und damit die Scaling-Pro­bleme aus der Fertigung eli­mi­niert, die sonst mit MEMS verbun­den sind.

In4a.jpgDie MPU Pro­duktfamilie stützt sich auf bewährte 8” Wafer-Fabrikations­linien von Herstellern mit Weltruf sowie auf eigene, serientaugliche Test- und Kali­brierein­richtungen in Taiwan, um die hohen Anfor­derungen an Stückzahlen im Consumer-Markt zu erfüllen. Die MPU-60x0 Bausteine beinhalten daneben die proprietäre DMP-Engine zur 9-Achsen Sensor-Fusion und sind daher heute die einzig vollständige Lösung am Markt.

Die Messbe­reiche der MPU-60x0 las­sen sich vom Anwender pro­grammieren und betragen  ±250 dps, ±500 dps, ±1000 dps und ±2,000 dps für Dreh­raten­mes­sung sowie ±2g, ±4g, ±8g und ±16g bei der linearen Beschleunigungsmessung.

Das ermöglicht den Einsatz einer einzigen Motion-Processing-Lösung und jede denkbare Bewe­gungs­anwendung von der langsamen Menüauswahl bis hin zur Erkennung schneller Gesten, alles erfasst mit 16-Bit Auflösung. Bezüglich der Rausch­eigenschaften setzt der Baustein mit seinen 0.005 degrees/sec/√Hz einen neuen Industriestandard und bietet damit höchste Qualität und Anwendungs­freundlichkeit bei der Bildstabili­sierung oder bei Zeige- und Spielan­wen­dungen. Eine genaue Kali­brierung im Werk mit ±1% Abweichung der initialen Empfindlichkeit reduziert die Notwendigkeit zur anwender­seitigen Nach­jus­tierung.

Das Gyroskop arbeitet bei einer Resonanzfre­quenz von über 27 kHz und daher ist der MPU-60x0 weitgehend immun gegen Interferenzen mit hör­baren Frequenzen (20 .. 20.000Hz) wie etwa Musik, Telefonklingel oder Rauschen, was für geräusch­empfindliche Anwendungen wie beispiels­weise Bild­stabilisierung sehr wichtig ist.

Weitere, industrieweit führende Eigenschaften sind ein 4 x 4 x 0.9mm 24-pin QFN Kunststoffgehäuse, On-Chip 16-bit ADCs, programmierbare digitale Filter, Präzisionstaktgeber mit 2% Abweichung im Bereich von -40°C bis 85°C, ein eingebetteter Temperatur­sensor, program­mierbare Interrupts und ein Stromverbrauch von lediglich 5.5 mA. Die Bausteine sind verfügbar mit I2C und SPI-Schnittstelle, einem Betriebsspannungsbereich von 2.5 bis 3.6 V und einer VLogic-Schnittstellenspannung von 1.71 bis 3.6 V.

Die Motion-Processing-Library MPL

Mit der Integration der Digital Motion Processing Engine (DMP) in die MPU-6000‘er-ICs hat Invensense er­hebliche Rechen­power in das IC verla­gert, die an­sonsten von einer Host-CPU zu leisten wäre. Gerade im Hin­blick auf Appli­ka­tionen wie TV-Remotes er­weist sich diese Strategie als zielführend, sind doch dort verwendete CPUs i.d.R. eher schwachbrüstig.

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Allerdings wird es nun etwas aufwändiger, den Baustein zu initialisieren, parametrisieren und Messwerte abzuholen, ein einfaches Registermodell  reicht für die komplexen Funktionen nicht mehr aus.

Aus diesem Grund hat Invensense eine API ent­wickelt, die sog. Motion-Processing- Library (MPL), die kostenlos zur Verfügung steht und im Source-Code vorliegt. Die MPL ist ein Software-Layer, der die Integration und Anbindung eines Anwendungs­prozessors stark vereinfacht.

IN6.jpgSie ermöglicht u.a. den direkten Zugriff auf die Bewegungsdaten in Form von Quaternionen, Rotationsmatrizen (Eulerwinkel), sowie auf Größen wie lineare Beschleunigung und Schwerkraft und erübrigt damit komplexe Berechnungen.

Der DMP reduziert in Verbindung mit der MPL die Auslastung des Anwendungsprozessors um bis zu Faktor 10 und beseitigt jegliche Echtzeitbedingung für das Holen und Verarbeiten der Daten womit es möglich wird, 9-Achsen Bewegungsverarbeitung auf Smart-Phone Plattformen mit Sub-1GHz Prozes­soren zu implementieren. Die Motion-Processing-Library ist auch für verschiedene populäre mobile Betriebssysteme wie Android verfügbar, sowohl für das aktuelle Gingerbread als auch für ältere Versionen wie Éclair (2.1) und Froyo (2.2).

st

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