工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等計劃正在幫助制造企業(yè)提高生產(chǎn)流程的效率?；谠频姆治鰬贸绦蜇撠熣砗吞峁┻\行生產(chǎn)或制造操作的許多不同方面的上下文。這些應用程序從工廠車間和每個制造設備中部署的傳感器中獲取重要數(shù)據(jù)。傳感器用于測量實時世界，并且在大多數(shù)情況下，將模擬測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。環(huán)境參數(shù)包括溫度，濕度和氣壓，但還有許多其他特性，如氣流，液壓流體壓力和接近度。其他類型的傳感器需要精確測量運動和相對位置。這些可包括用于機器人和自動化的慣性導航，工業(yè)設備的狀態(tài)監(jiān)測以及沖擊檢測和記錄。微機電系統(tǒng)（MEMS）由于其緊湊的尺寸，低功率特性和極其精確的測量能力而越來越多地用于這些任務。本文將解釋基于MEMS的加速度計和陀螺儀設備如何工作，并展示一些專為工業(yè)自動化應用而設計的示例。

MEMS器件采用硅片構(gòu)建，其方式有多種非常小的移動結(jié)構(gòu)。通常，這可能是一個結(jié)構(gòu)或質(zhì)量（檢驗質(zhì)量），根據(jù)測量的內(nèi)容橫向或垂直移動。這種運動或位移可能是加速力的結(jié)果，例如相對位置的變化。通常通過微機械元件之間的電容變化來檢測這些微觀運動的測量。重力本身產(chǎn)生1 g的恒定加速力，這是加速度計可以測量的，其傾斜度與加速度計相對于重力場的角度的正弦成正比。高精度模擬前端測量檢測質(zhì)量和固定結(jié)構(gòu)之間的電容，然后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將信號帶入數(shù)字域。然后使用微控制器處理所接收的數(shù)據(jù)以及許多基于軟件的濾波器，這些濾波器可以拒絕與有效運動無關(guān)的信號。單個基于質(zhì)量的單一MEMS傳感器可以在一個方向上檢測加速力，因此對于實際的3D目的，需要三個單獨的MEMS結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1：檢測3D加速度。

在檢測角速率變化時，陀螺儀MEMS傳感器使用微機械振動元件而不是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。該振動元件保持在固定平面內(nèi)，并且通過電容的變化檢測滾動，俯仰和偏航的角速率的變化（圖2）。作為測量過程的一部分，可以針對檢測到的任何加速度或振動補償角速率。

圖2：偏航，俯仰和滾轉(zhuǎn)的檢測使用MEMS陀螺儀的角速率。

能夠準確連續(xù)地測量方向和角速率的變化是任何工業(yè)自動化機械的重要組成部分，其中最值得注意的是工業(yè)機器人。過去，可能已經(jīng)使用了需要定期校準和校準的旋轉(zhuǎn)傳感器和編碼器的復雜機械布置。隨著MEMS加速度計和陀螺儀技術(shù)的出現(xiàn)，對其潛在用途進行了大量研究。該研究確定了需要將多個加速度計放置在工業(yè)機器人的6軸自由度（DOF）上（圖3a）。圖3b顯示了描述運動和角速率檢測的復雜性質(zhì)的圖表。

圖3：顯示加速度計放置的簡單工業(yè)機器人 - 圖圖3a-和圖表 - 圖3b-說明了為了在整個允許的范圍內(nèi)完全控制機器人而需要測量的不同參數(shù)的數(shù)量。

滿足當今工業(yè)自動化設備的需求是各種基于MEMS的組合3D加速度計和3D陀螺儀模塊，如STMicroelectronics的ISM330DLC。作為意法半導體全面的MEMS產(chǎn)品系列的新成員，ISM330DLC閉環(huán)系統(tǒng)級封裝（SIP）專為工業(yè)4.0應用而設計。該器件的3D加速度計和3D陀螺儀均在同一硅片內(nèi)加工，從而確保了最佳的穩(wěn)定性和穩(wěn)健的操作。加速度計和陀螺儀都具有幾個高度準確和可靠的可配置檢測范圍。滿量程加速范圍選項為+/- 2 g，+/- 4 g，+/- 8 g或+/- 16 g。陀螺儀的滿量程角速率檢測選項為+/- 125度/秒（dps），+/- 245 dps，+/- 500 dps，+/- 1000 dps或+/- 2000 dps。

《 p》采用1.71至3.6 VDC供電，接地柵陣列LGA-14L封裝模塊尺寸僅為2.5 mm x 3 mm x 0.83 mm，在高性能組合模式下工作時最大電流為0.7 mA。開發(fā)人員可以使用多種不同的省電模式，允許獨立關(guān)閉加速度計和陀螺儀，在此期間功耗可降至最低10μA。兩個傳感器的中間低功耗模式消耗不超過0.35 mA。在正常條件下運行時，功率通常會增加到0.5 mA?？梢酝ㄟ^模塊的SPI或I 2 C串行接口實現(xiàn)與主機處理器的通信。如果需要額外的應用要求，還可以配置輔助SPI輸出以提供傳感器數(shù)據(jù)的輔助和獨立通道。獨立的低通濾波器提供傳感器數(shù)據(jù)，用于光學圖像穩(wěn)定（OIS）應用。陀螺儀還配備了溫度傳感器。

ISM330DLC配備了許多智能功能，進一步擴展了設備的功能，可用于各種應用。首先，提供傳感器集線器功能允許從多達四個額外的外部傳感器捕獲，存儲和處理數(shù)據(jù)。提供這種集線器功能對于不僅希望在其設計中添加加速度計和陀螺儀傳感器而且希望添加一些額外的傳感器以適應應用的開發(fā)人員特別有用。通過這種方式，傳感器可以直接連接到ISM3300DLC的I 2 C Master，而無需應用處理器的任何資源。 4kbyte FIFO緩沖器提供了一種存儲該數(shù)據(jù)的便捷方法，無需從主機應用處理器進行任何中斷或資源分配。如果需要，可以對FIFO緩沖區(qū)進行分區(qū)，并且不僅可以存儲附加的外部傳感器數(shù)據(jù)，還可以存儲每個條目的時間戳并記錄陀螺儀傳感器的溫度。

圖4：ISM330DLC連接模式。

上面的圖4說明了可能的四種不同連接模式。在模式1中，只有陀螺儀和加速度計有效并連接到主機應用處理器。模式2增加了通過I 2 C接口從多達四個外部傳感器捕獲和存儲數(shù)據(jù)的功能。模式3和4允許陀螺儀數(shù)據(jù)（模式3）以及陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)（模式4）呈現(xiàn)給輔助SPI 3或4線接口。模塊的時鐘可以與外部源同步。

模塊的智能功能還包括幾個閉環(huán)功能，例如提供6D方向信息的能力，自由落體事件，設備喚醒功能省電模式和活動/不活動識別。另一種更適合與手持式工業(yè)控制設備的用戶界面交互的智能功能是能夠檢測單點擊或雙擊或點擊。

也許信號處理電路最重要的功能之一就是過濾。低通（LP）和高通（HP）濾波器的組合用于抑制不需要的外來信號對傳感器讀數(shù)的任何影響。通過輔助SPI接口提供單獨的專用低通濾波器用于穩(wěn)定控制環(huán)路 - 通常是光學圖像穩(wěn)定（OIS）。

圖5：阻塞3D加速度計和3D陀螺儀濾波器的示意圖。

圖5顯示了從MEMS傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，濾波器模塊到主SPI/I 2的信號流 C接口。濾波器模塊的確切配置取決于許多因素，例如所選的輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）和傳感器的滿量程檢測范圍。 ODR可配置為12.5 Hz至6.66 kHz。例如，當在模式1操作中使用時，數(shù)字信號處理僅針對主IO。在模式3和4中，在信號處理鏈中插入了額外的濾波器，以將輸出引導至輔助SPI接口（圖6）。

圖6：在模式3中使用時的陀螺儀數(shù)字信號處理鏈。

與任何新設備或技術(shù)一樣，范圍的可用性硬件和軟件工具極大地幫助了第一個設計的原型設計。在這方面，ISM330DLC得到了很好的支持。意法半導體已經(jīng)為此提供了全面的評估板，其中大部分基于STEVAL-MKI109V3 MEMS主板。這提供了一個完整的，隨時可用的開發(fā)和原型設計平臺，可用于評估基于MEMS的設計（圖7）。

圖7 ：STMicroelectronics的MEMS主板平臺 - STEVAL-MKI109V3。

可以使用一系列不同的適配器板插入主板上的DIL24插座。對于ISM330DLC，適配器板是STEVAL-MKI182V1（圖8）。可以在PCB的中心看到ISM330DLC被一些無源元件包圍。

圖8：ISM330DLC適配器板 - STEVAL-MKI182V1。

主板托管STM32F401高性能105DMIPSArm?Cortex?-M4微控制器（MCU），充當傳感器適配器之間的橋梁板和開發(fā)PC。該MCU包括一個浮點單元（FPU），這是需要執(zhí)行快速浮點計算的應用程序的基本要求。它還配備了零等待狀態(tài)自適應實時加速器，一組16位，32位和PWM定時器，以及多達12個接口，包括3 x I 2 C，3個USART ，4 x SPI和符合USB 2.0標準的全速控制器。主板的框圖如圖9所示.USB接口連接到PC，提供為主板和適配器供電的方法，同時促進設備固件升級（DFU）過程，無需任何其他開發(fā)工具。

圖9：MEMS評估主板框圖。

對于PC，STMicroelectronics提供免費的Unico Lite基于GUI的軟件應用程序，顯示如何配置選定的MEMS傳感器并管理來自它的數(shù)據(jù)流。該軟件提供了一個可靠的平臺，可以從中嘗試不同的輸出數(shù)據(jù)速率，檢測靈敏度和集成其他傳感器。初始設置屏幕如圖10所示，可在Microsoft Visual Studio中配置以滿足每個傳感器模塊的要求。

圖10 ：Unico Lite軟件的圖形用戶界面，顯示在Microsoft Visual Studio中配置布局的功能。

一旦設置并運行，Unico Lite軟件就可以實時顯示多個傳感器參數(shù)，以說明它們對變化位置和角度移動的反應。

這樣，開發(fā)人員工業(yè)自動化機械可以快速原型設計，測試和調(diào)試初始設計。由于所有原理圖，Gerber和布局文件都是在開源的基礎上為主板和適配器板提供的，因此采用更完整的設計是一個非常簡單的過程。

傳感器的數(shù)量任何工業(yè)自動化應用中所需的，例如圖3中所示的工業(yè)機器人都是重要的。通過提供每個肢體空間位置的可靠和實時反饋，機器人的控制器和執(zhí)行器可以確保它將效應器工具移動到空間中的期望位置。但MEMS陀螺儀和加速度計不僅僅是為了確保位置控制。它們還可用于檢測旋轉(zhuǎn)或鉸接機械接頭中增加的振動，這些機械接頭開始出現(xiàn)過度磨損或即將發(fā)生故障的跡象。實施適當?shù)念A防性維護制度是任何工業(yè)自動化裝置的一個重要方面，MEMS傳感器的使用是傳感和監(jiān)測工廠運行的關(guān)鍵組成部分。

結(jié)論

MEMS加速度計和陀螺儀非常適合用于各種工業(yè)自動化應用。憑借其微小的尺寸，高可靠性和低功耗認證，MEMS傳感器幾乎可以在任何工業(yè)自動化機械中發(fā)揮重要作用。