Первый в мире 9-осевой датчик MPU-9255

Компания InvenSense – один из лидеров в области создания инновационных интегральных датчиков. Все двенадцать лет своей истории фирма остается на переднем крае технологического прогресса. Казалось бы, совсем недавно в 2006 году InvenSense представила первый двухосевой МЭМС-гироскоп. Сейчас же самым совершенным продуктом компании является 9-осевой MPU9255, интегрирующий в себе 3-хосевой гироскоп, 3-хосевой акселерометр, 3-хосевой компас и цифровой процессор Digital Motion Processor (DMP™).

Рис. 1. 9-осевой датчик MPU925x

По прогнозам аналитиков рынок МЭМ-датчиков в 2017 году составит 21 миллиард долларов. И это не удивительно – каждый смартфон, планшет, «умные часы» имеют на борту инерционный датчик и, как правило, не один. Естественно, что каждый производитель хочет урвать свой кусок от этого завидного «пирога»! Однако это не так-то просто!

МЭМС-датчики производятся с использованием тех же технологических операций, что и обычные КМОП-микросхемы, но при этом существует несколько принципиальных отличий. Главное из них заключается в том, что МЭМС – это микромеханические трехмерные системы, и для их выращивания требуется трехмерная КМОП-технология. Ее создание – это сложная техническая задача, которая под силу далеко не всем компаниям.

По этой причине сформировался немногочисленный костяк производителей, занявших большую часть рынка. Начиная с конца 2000-х, между ними разворачивается настоящая технологическая война. Анонсы новых продуктов поступают с разных сторон с завидной регулярностью. Стоит отметить, что существует несколько основных направлений качественного развития инерционных датчиков: сокращение габаритов, увеличение количества датчиков в одном корпусе, сокращение потребления, рост числа интеллектуальных функций.

Один из лидеров по созданию новых продуктов в этой области – компания InvenSense. Она была основана лишь в 2003 году, но уже в 2006 выпустила первый в мире 2-х осевой гироскоп! На сегодняшний день наиболее совершенным продуктом компании является первый в мире 9-осевой датчик MPU9255.

MPU9255 – уникальный продукт, включающий в себя 3-хосевой гироскоп, 3-хосевой акселерометр, 3-хосевой компас и цифровой процессор Digital Motion Processor (DMP™). MPU9255 создан на базе платформы MotionApps (рис. 2). Большинство датчиков InvenSense – продукты этой платформы. Они, кроме уникальных технологических процессов производства сенсоров, используют еще и эффективные вычислительные аппаратные алгоритмы и функции Motion Fusion™, а также цифровой процессор DMP. Это позволяет достигать отличных результатов как по габаритам, так и по энергоэффективности, и по удобству использования.

Рис. 2. Платформа для создания различных датчиков InvenSense

Естественно возникает вопрос: каким образом удалось в одном корпусе разместить огромное число таких разных датчиков? К сожалению, сейчас нет возможности выращивать все эти элементы в рамках одних и тех же технологических циклов. По этой причине InvenSense использует гибридную технологию. Это значит, что несколько кристаллов размещаются на одной подложке и соединяются с помощью микросварки (рис. 3). MPU9255 включает два кристалла. На одном из них реализованы 3-хосевой гироскоп и 3-хосевой акселерометр. Второй кристалл – 3-хосевой магнитометр производства компании Asahi Kasei Microdevices Corporation.

Рис. 3. Технология создания MPU9255

Кроме самих датчиков и процессора в состав MPU9255 входят различные аналоговые и цифровые блоки: цепи нормирования и 16-битные АЦП на каждом измерительном тракте, система питания, регистры, коммуникационные интерфейсы и буфер FIFO (рис. 4). Кроме девяти основных сенсоров микросхема содержит датчик температуры. Для взаимодействия с внешним управляющим процессором используются стандартные интерфейсы: I2C и SPI.

Рис. 4. Структурная схема MPU9255

Не правда ли богатая начинка? Особенно если учесть, что MPU9255 выпускается в 24-выводном QFN с габаритами 3x3x1 мм! Уместить 9 датчиков и процессор в таком объеме – достижение поистине замечательное, но и это еще не все! Ведь эту сложную цифро-аналоговую систему нужно заставить работать с заданной точностью!

Не стоит забывать, что MPU9255 – это цифро-аналоговая схема. Для таких схем одной из наиболее острых была и остается проблема обеспечения развязки цепей питания. Цифровые цепи неизбежно создают помехи, которые, передаваясь по цепям питания, приводят к возникновению шумов в чувствительной аналоговой части микросхемы. Однако эта проблема была успешно решена при создании MPU9255.

Второй важный аспект обеспечения высокой точности измерений заключается в необходимости минимизации взаимного влияния аналоговых каналов. Если учесть, что MPU9255 – это 10 датчиков, 10 АЦП, 10 чувствительных цепей нормирования, то добиться этого очень сложно! Но у InvenSense это получилось!

Одним из достоинств MPU9255 является низкое потребление. Это достигается благодаря нескольким факторам: за счет низких питающих токов функциональных узлов микросхемы, за счет возможности настройки частоты опроса и за счет использования режимов пониженного потребления.

В качестве демонстрации низких токов потребления можно привести следующие характеристики:

• потребление гироскопа в нормальном режиме составляет 3,2 мА, в спящем режиме — 8 мкА;
• акселерометр в нормальном режиме потребляет всего 450 мкА, в режимах со сниженной частотой еще меньше: 8,4 мкА при 0,98 Гц, 19,8 мкА при 31,25 Гц, а в глубоком сне и вовсе 8 мкА;
• магнитометр потребляет всего 280 мкА при частоте опроса 8 Гц.

Говоря о режимах пониженного потребления, стоит отметить, что их целых 9! Они отличаются состоянием основных блоков: гироскопа, акселерометра, магнитометра, процессора. Наиболее экономичным является режим Sleep Mode, при котором все блоки отключены.

Эффект от наличия режимов пониженного потребления усиливается за счет присутствия прерываний и встроенного буфера FIFO. MPU9255 поддерживает пять режимов прерываний: обнаружение движения, переполнение FIFO, окончание преобразования, ошибка шины I2C, от сообщения по I2C. Самым интересным является прерывание при обнаружении движения. MPU9255 позволяет настраивать каждый канал как источник прерывания с программированным уровнем срабатывания. Кроме того, MPU9255 имеет аппаратную поддержку таких функций как: ориентация Android-устройств, касания экрана, педометр, резкие движения.

Наличие прерываний и FIFO дают возможность сократить потребление всего устройства в целом. Основной центральный процессор может находиться в спячке, пока, например, MPU9255 будет накапливать данные или пока не будет обнаружено резкое движение.

Развитая система питания MPU9255 включает в себя основные цепи питания (в частности, LDO), цепи смещения и источники опорного напряжения, а также повышающий преобразователь. Последний необходим для обеспечения работы гироскопов. Так как на борту MPU9255 уже есть все необходимое для питания аналоговых цепей, то разработчику потребуется всего лишь два внешних источника питания: основной 2,4…3,6 В (VDD) и вспомогательный для входов/ выходов 1,7… VDD.

В качестве итога для данного обзора, следует перечислить наиболее перспективные области применения датчика MPU9255:

• портативные устройства (смартфоны, планшеты);
• устройства управления (пульты ДУ, игровые геймпады, 3D-манипуляторы);
• спортивная электроника (педометры, тренажеры).

Характеристики MPU9255:

• 3-хосевой гироскоп: четыре диапазона измерений ±250, ±500, ±1000, и ±2000 °/с, 16-бит АЦП, программируемый ФНЧ, встроенная система калибровки;
• 3-х осевой акселерометр: четыре диапазона измерений ±2g, ±4g, ±8g и ±16g, 16-бит АЦП, встроенная система калибровки, система векторов прерывания;
• 3-хосевой компас на базе датчиков Холла: точность измерений 14-бит (0,6 мкТл/LSB) or 16 bit (15 мкТл/LSB), диапазон измерений is ±4800 мкТл, 16-бит АЦП, встроенная система калибровки;
• датчик температуры;
• цифровой процессор: Digital Motion Processing™ (DMP™) с поддержкой режимов пониженного потребления, системы прерываний и буфера FIFO;
• 512-байт FIFO;
• интерфейсы: 400 кГц I2C, 1 МГц SPI;
• напряжение питания: основное 2,4…3,6 В VDD, входов/ выходов 1,7… VDD;
• диапазон рабочих температур: 0…85 °C;
• герметичный корпус: 3x3x1 мм QFN-24.

О компании

InvenSense Inc. – один из лидеров в области создания интеллектуальных датчиков и систем на кристалле. Основными направлениями деятельности компании является создание датчиков движения и звука (микрофонов) для различных приложений: портативная, промышленная, автомобильная электроника.

Ключевая особенность компании InvenSense Inc. заключается в использовании фирменной технологии, позволяющей интегрирование в одном корпусе нескольких датчиков (гироскопов, акселерометров, компасов, альтиметров, микрофонов, датчиков температуры).