3 осевой акселерометр что это
Акселерометр: что это, как работает и зачем нужен в фитнес-браслете, часах и смартфоне
Практически в каждом описании характеристик современного смартфона, фитнес-браслета или умных часов можно встретить упоминание датчика под названием «акселерометр». Еще его могут называть «датчик ускорения» или G-сенсор. Что это такое, как работает и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.
Акселерометр: что это и зачем нужен?
Простым языком, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение (величину изменения скорости). Название прибора происходит от латинского «accelero», что дословно переводится, как «ускоряю» и греческого «metreō», что в переводе означает «измеряю».
Измерение величины динамического ускорения позволяет определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство с акселерометром. По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные (одноосевые, двух осевые и трехосевые). Например, 3-осевой датчик ускорения может определять величину и направление ускорения как векторную величину во всех трех осях.
Часто этот датчик путают с гироскопом, но это совершенно разные датчики, хотя часто они взаимодополняют друг друга для достижения более точных результатов, а иногда даже могут выполнять одни и те же функции. Отличаются же эти датчики принципом работы и эффективностью при выполнении конкретной задачи.
В основном в устройствах акселерометр используется для определения ориентации, ударов, вибрации и ускорения координат. Например, в смартфонах именно акселерометр отвечает за переворот картинки при изменении положения корпуса, а фитнес-браслетах он активирует экран при вращении запястья.
Где применяется акселерометр?
Датчик ускорения применяется в самых различных сферах:
Как работает акселерометр?
Большинство устройств оснащается емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами. Часто акселерометр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), содержащую несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Размер же прибора обычно не превышает габариты спичечной головки.
Механический акселерометр
Объяснить принцип работы акселерометра проще на механическом приборе. Он состоит из пружины, прикрепленной к корпусу, подвижной массы и демпфера. Масса или, проще сказать, грузик, крепится к пружине. С обратной стороны грузик поддерживает демпфер, гасящий вибрации грузика. Во время ускорения корпуса пружина деформируется (растягивается или сжимается) по противоположным осям под воздействием грузика, стремящегося сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. На величине деформации и основываются вычисления прибора.
Для получения информации о положении предмета в трехмерном пространстве используется три таких прибора, объединенных в один комплекс.
Конечно же, никто не будет «запихивать» в компактный фитнес-браслет или смартфон такую громоздкую конструкцию. Поэтому она заменяется миниатюрным чипом. Хотя чип и более сложный, чем прибор с шариком и пружиной, он имеет те же основные элементы.
У такого чипа имеется корпус, который крепится к часам или смартфону, «гребенчатая» секция с отведенными по сторонам пластинами и ряд фиксированных пластин, снимающих показания. Эта секция может перемещаться вперед и назад, изменяя значение напряженности поля вокруг контактов. Полученные данные передаются на обработку электроникой и программным обеспечением, после чего происходит вычисление физического расположения устройства.
Внутренняя работа акселерометра 
Но самое интересное, как изготавливаются такие акселерометры. При толщине примерно 500 микрон ни один инструмент не сможет его создать. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния и силикона с другими веществами. Весь процесс изготовления полностью автоматизирован и выполняется на конвейерных линиях без участия человека.
Также понять как работает акселерометр поможет короткое видео ниже:
Чем отличается акселерометр от гироскопа?
Хотя в некоторых случаях гироскоп и акселерометр и могут выполнять одни и те же функции, это два абсолютно разных датчика, которые часто используются в паре для достижения максимального эффекта. Часто такой дуэт называют 6-осевым датчиком.
Акселерометр не умеет точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а может лишь примерно его оценить. На практике это может выражаться в ложных срабатываниях и задумчивости в повороте экрана. И тут на помощь приходит гироскоп. Не вдаваясь в подробности о принципе работы данного прибора, скажем, что он может определять не только угол поворота устройства, но и скорость поворота, что, например, во время игры на смартфоне позволяет реализовать более быстрое и точное управление.
Поэтому в большинстве устройств эти два прибора устанавливаются совместно для достижения наибольшей эффективности.
Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах
В фитнес-браслетах и умных часах акселерометр отвечает за несколько функций. Обнаруживая поднятие или вращение руки, он отдает сигнал для включения экрана. Также именно акселерометр отвечает за подсчет шагов и мониторинг сна. На акселерометре «завязана» и работа функции «Умный будильник», который будит владельца гаджета в фазе быстрого сна.
Акселерометр в телефоне
Первый акселерометр появился в телефоне Nokia 5500. Там он использовался для подсчета пройденных шагов. Такое решение многим понравилось и с тех пор компания Apple стала оснащать таким датчиком все модели своих iPhone. А начиная с iPhone, если не ошибаюсь, четвертого поколения, в дополнение к акселерометру компания стала оснащать свои смартфоны гироскопом. После этого наличие этой пары датчиков стало стандартом для большинства производителей мобильных устройств.
Акселерометр в телефоне отвечает не только за поворот экрана при наклоне корпуса. Он так же как и в случае с фитнес-браслетом позволяет вести учет пройденного расстояния. Еще акселерометру нашли применение в системных жестах. Например, отключение звука телефона встряхиванием или переворотом смартфона вниз экраном.
Как откалибровать акселерометр?
В некоторых случаях может потребоваться настройка или калибровка акселерометра. Например, если телефон не реагирует на поворот корпуса или не точно считаются шаги. Для смартфонов под управлением операционной системы ANDROID для этих целей есть несколько сторонних приложений, например GPS Status & Toolbox. Для iPhone таких приложений нет, поэтому в случае сбоев придется ограничиться перезагрузкой устройства. Обычно это помогает.
Некоторые производители фитнес-браслетов и смарт-часов также позволяют откалибровать акселерометр. Точнее, не откалибровать, а «обучить» с помощью «Меток поведения», то есть помогая датчику более точно понимать, какое именно действие владелец гаджета выполняет в тот или иной момент. Такая возможность есть у владельцев популярной линейки Xiaomi Mi Band и ряда других моделей.
Сергей Васильев
Интересуюсь всем, что касается умных часов, фитнес-браслетов и другой носимой электроники. С удовольствием поделюсь последними событиями в мире гаджетов, постараюсь помочь подобрать оптимальную модель и разобраться с основными настройками.
Акселерометр: что это такое, зачем нужен и где применяется
Когда-то это слово вызывало ассоциацию с лабораториями, испытательными стендами, скоростной техникой – и уж точно не с предметами, которые мы носим в карманах. Сейчас в порядке вещей, если вы носите с собой сразу три устройства, в состав которых входит акселерометр. Итак, мы расскажем что такое акселерометр и зачем он нужен в телефоне, в фитнес-браслете и часах и разберемся чем он отличается от гироскопа. А также произведем калибровку в смартфоне на Android и iPhone.
Что такое акселерометр
Если говорить простым языком, то акселерометр – это прибор для измерения ускорения. Он применяется как датчик изменения положения устройства в пространстве и таким образом определяет направление, степень, скорость отклонения. Именно акселерометр отвечает за разворот картинки на экране вашего смартфона при повороте корпуса или как еще пример, включает экран фитнес-браслета или смарт-часов, когда вы наклоняете запястье.
Сегодня акселерометр в телефоне – это обязательный элемент. Однако ещё десять-двенадцать лет назад первые смартфоны, в которых был G-сенсор, воспринимались как чудо. Давайте разбираться, зачем нужен этот датчик, если столько лет обходились без него.
Принцип работы
Образно говоря, акселерометр в смартфоне – это необходимый элемент для качественного отображения картинки. Впрочем, есть для него и другие применения. Современные телефоны вполне способны работать как шагомеры или отслеживать качество сна по тому, как вы ворочаетесь под одеялом.
Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах
Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах помогает считать количество пройденных шагов. Собственно, это акселерометр в браслете и в smart-часах отслеживает ваши движения даже во сне. А программная обработка его показаний помогает распознать, идёте вы или бежите, с какой скоростью, как много шагов подряд сделали.
Когда вы поднимаете руку к лицу и дисплей автоматически включается – это тоже благодаря распознаванию жестов с помощью того же маленького, но полезного модуля.
Как выглядит акселерометр в телефоне
Акселерометр в телефоне выглядит как обычный чип. В зависимости от модели смартфона может на вид незначительно отличаться.
Вот так выглядит акселерометр в телефоне
Принцип работы представить себе проще на примере механического варианта: в нём есть массивный элемент, закреплённый упругими подвесами, давление на которые можно измерить. В зависимости от задачи, подвесов может быть от одного до трёх.
Электронный акселерометр вместо массивного тела использует набор проводников, которые могут двигаться под воздействием ускорения и изменять напряжённость поля вокруг себя. По показаниям напряжённости можно определить, в какую сторону сдвинулись проводники и какое движение корпуса вызвало этот сдвиг. Комплексный датчик, включающий гироскоп, может иметь больше осей – до шести.
Трёхосный акселерометр довольно точно определяет как положение тела в пространстве в каждый момент, так и его изменение. При этом он постоянно собирает и отправляет информацию о давлении на подвесы.
Что это даёт? Так, например, датчик акселерометра в телефоне помогает не только определить положение корпуса устройства в пространстве, но и скорость, с которой вы перемещаетесь, и сотрясения, производимые вашими шагами, и намеренные встряхивания смартфона.
Именно поэтому, повернув корпус телефона, вы наблюдаете, как картинка на экране тоже поворачивается. Именно поэтому вы можете в гоночной игре рулить, используя смартфон или геймпад как рулевое колесо. Именно поэтому фитнес-трекер умеет подсчитывать ваши шаги или отслеживать качество сна.
Как узнать, есть ли акселерометр в телефоне
Практически во всех смартфонах и планшетах, выпущенных в эпоху Android и iOS, этот датчик есть. Даже в самом первом айфоне, выпущенном в 2007 году, и в первом Samsung Galaxy S, вышедшем в 2010-м.
Если вы сомневаетесь, есть ли он в вашем устройстве, то просто почитайте официальное описание. В ранних Андроид-смартфонах поворот экрана не обязательно включался по умолчанию, поэтому, если вы повернули свой телефон и дисплей не отреагировал, это ещё ни говорит об отсутствии акселерометра. Вероятнее всего, что он отключен в настройках телефона. Найдите похожую иконку, как на рисунке ниже и активируйте.
Настройка/калибровка акселерометра на смартфоне
Калибровка Android
Калибровка акселерометра на Android нужна, например, в случае, если смартфон начал неправильно считать шаги или неверно определять положение корпуса. Штатных программ для этого нет, но, чтобы откалибровать акселерометр, существуют специальные приложения, однако лучшим вариантом признаётся приложение GPS Status & Toolbox (Скачать Google Play). В его разделе Toolbox есть специальный инструмент, который так и называется – «Калибровка акселерометра». Положите телефон на ровную поверхность и следуйте инструкциям.
Калибровка G Sensor для игр
Посмотрите видео: калибровка G Sensor для игр на Android.
Калибровка iPhone
Инструментов для калибровки iPhone нет, но в случае чисто программного сбоя обычно спасает простая перезагрузка. Если проблема осталась, пишите в комментариях, постараемся помочь.
Чем отличается акселерометр от гироскопа
Как правило, акселерометр в смартфоне работает в паре с гироскопом. Эту практику ввела Apple в модели iPhone 4, и не прогадала. Комбинация двух датчиков сейчас стала настолько обыденной, что не все пользователи понимают разницу между этими двумя приборами.
Если вкратце, то в гироскопе ключевой массивный элемент закреплён и сопротивляется попытке поворота, порождая силу Кориолиса, которую можно измерить. Современный гироскоп способен в общем случае на более точное измерение угла наклона и более быструю реакцию. А сочетание этих двух датчиков даёт гораздо лучший результат, чем использование только одного.
Поэтому в современных смартфонах обычно устанавливается комплексный измеритель, в который входят оба датчика. Первую такую модель выпустила компания InvenSense в 2010 году, и в ней два 3-осных датчика формировали шестиосный комплекс. Разумеется, первыми инновацию оценили пользователи Apple, но вскоре она стала стандартом для всей индустрии.
Конечно, если вы спутаете акселерометр и гироскоп в «бытовом» смысле, это не страшно. Но вообще это совершенно разные измерительные приборы, и измеряют они разные значения, хотя и служат примерно для одной цели.
Вывод
Подведем итог. Акселерометр, это один из ключевых элементов современной носимой электроники, который расширяет функциональность и возможности управления. Сейчас он есть во всех смартфонах и смарт-часах, а в фитнес-трекерах является главным датчиком всей системы. Если остались вопросы, задавайте в комментариях, мы с радостью на них ответим.
3-осевые микромеханические акселерометры ADXL345 и ADXL346 с микропотреблением и детектором событий
Введение
Современный рынок промышленных и бытовых устройств предъявляет все большие требования к их функциональности и безопасности использования. Особенно это проявляется там, где у потребителя есть выбор, и при прочих равных выбор, естественно, упадет на устройства с большей функциональностью или с уникальными возможностями.
Компания ADI — лидер в производстве компонентов на основе микромеханических систем — объявила о серийном производстве нового компонента — 3-осевого микромеханического акселерометра ADXL345 с микропотреблением и детектором событий.
К выходу в серийное производство готовится также его функциональный аналог ADXL346, отличающийся меньшими габаритами и более низкой потребляемой мощностью.
Стандартными областями применения для акселерометров являются: навигация, робототехника, системы безопасности в автотранспорте. В последнее время, благодаря снижению стоимости и появлению дополнительных функций, этот список значительно расширился:
– Мониторинг состояния персонала, находящегося в зоне риска: охранников объекта, персонала на транспорте и т.д.
– Датчики контроля вибрации и аварийных состояний в промышленном и бытовом оборудовании.
– Защита персонала на производстве при потере контроля над оборудованием или случайном падении.
– Охранные датчики: открывание дверей, окон, технологических люков.
– Закладные охранные датчики, например, объектов выставки, оборудования, банкоматов.
– Защита электронно-механических устройств и оборудования при свободном падении.
– Управление энергопотреблением и активностью экономичной портативной техники.
– Расширение функциональности диагностической локационной техники — построение пространственной картины измерений.
– Системы ввода информации «человек — компьютер».
– Контроль сохранности грузов при транспортировке.
– Измерение интенсивности нагрузки при занятиях спортом.
В этой статье рассматриваются некоторые возможности применения микромеханических датчиков в целом и ADXL345, ADXL346, в частности.
Описание компонента ADXL345
Что собой представляет этот компонент?
ADXL345 — это 3-осевой датчик ускорения с возможностью программирования диапазона ускорений из ряда: ±2; ±4; ±8; ±16g.
Кроме того, у ADXL345:
— диапазон рабочих напряжений питания: 2,0…3,6 В;
— ток потребления в рабочем режиме 40…150 мкА, в зависимости от частоты опроса;
— разрешающая способность 10—13 разрядов (при измерении ускорения ±16g);
— рабочий диапазон температур: –40…85°С;
— интерфейс SPI или I2C;
— корпус LGA размером 3×5×1 мм.
Более подробные характеристики ADXL345 см. в техническом описании [1].
Структурная схема и расположение выводов приведены на рисунке 1, а их назначение — в таблице 1.
Также датчик имеет несколько следующих функциональных особенностей.
— Детектирование и индикация событий:
— наличие активности (ускорения), с выбором осей;
– Два программируемых выхода событий.
– Буфер FIFO глубиной 32 уровня.
— Интерфейс может сигнализировать о событиях: наличие данных, заполнение буфера и переполнение буфера.
В отличие от ADXL345, у акселерометра ADXL346 корпус LGA размером 3×3×0,95 мм; диапазон рабочих напряжений питания составляет 1,7…2,75 В; имеется функция определения ориентации с возможностью сигнализации о ее изменении.
Рис. 1. Структурная схема ADXL345 и расположение выводов
Таблица. 1. Назначение выводов ADXL345
Питание интерфейса ввода-вывода
Должен быть подключен к общему проводу
Зарезервирован, должен быть подключен к VS
или оставаться свободным
Должен быть подключен к общему проводу
Должен быть подключен к общему проводу
Вход выбора МС, активный низкий
Выход прерывания 1
Выход прерывания 2
Зарезервирован, должен быть подсоединен к общему проводу или оставаться свободным
Выход данных для SPI или выбор адреса для I2C
Данные для I2C или вход данных для 4-проводного SPI, или вход и выход данных для 3-проводного SPI
Синхронизация для данных
Распознавание легких ударов
Это событие происходит, в случае если измеренная величина ускорения превысит пороговое значение (хранящееся в регистре THRESH_TAP) на время не более того значения, которое хранится в регистре DUR. При этом будет установлен бит SINGLE_TAP.
Если за первым превышением порога, по истечении времени LATENCY TIME и в течение времени TIME WINDOW FOR SECOND TAP (см. рис. 2), которое определяется регистром WINDOW, последует второе событие, определяемое по описанным выше правилам, установится бит DOUBLE_TAP.
Рис. 2. Распознавание легких ударов
Распознавание активности (ускорения)
Наличие активности определяется, когда величина измеренного ускорения превышает значение, хранящееся в регистре THRESH_ACT.
Отсутствие активности обнаруживается, когда величина ускорения в течение времени TIME_INACT меньше значения, хранящегося в регистре THRESH_INACT.
Описанный алгоритм работы соответствует режиму dc-coupled. Прибор также поддерживает режим работы ac-coupled, в котором, в соответствующих случаях, со значениями регистров THRESH_ACT и THRESH_INACT сравнивается модуль разницы между текущим значением ускорения и опорным — значением ускорения в начале события.
Для каждой оси возможен выбор, будет ли ускорение вдоль нее влиять на обнаружение событий активности (см. описание регистра ACT_INACT_CTL в [1]).
Диагностика состояния свободного падения
Состояние свободного падения детектируется, если величина ускорения меньше значения THRESH_FF в течение времени TIME_FF. Причем, всегда учитываются значения по всем осям, и алгоритм обработки соответствует режиму dc-coupled.
Используя сигнал с датчика, можно определить высоту падения. В простейшем случае достаточно измерить время, в течение которого генерируется событие FREE_FALL. Так например, если событие длится около 300 мс, то
Подробнее пример реализации алгоритма на Си см. в [4].
Режимы работы FIFO
Буфер FIFO позволяет снизить вычислительную нагрузку на управляющий МК и предназначен для временного хранения результатов измерения. В ADXL345 буфер имеет глубину в 32 измерения по каждой из осей и может функционировать в одном из следующих четырех режимов.
Bypass Mode — буфер отключен.
FIFO Mode — в случае переполнения буфера новые результаты измерения не сохраняются.
Stream Mode — в случае переполнения буфера самые старые значения заменяются новыми.
Trigger Mode — в этом режиме буфер функционирует аналогично Stream Mode до наступления события, определяемого полем trigger bit в регистре FIFO_CTL. После этого в буфере сохраняется число последних значений, определяемое в регистре FIFO_CTL, и дальнейшее функционирование продолжается аналогично режиму FIFO Mode.
Рекомендации по использованию FIFO см. в [5].
Примеры применения
Мониторинг состояния персонала или пациентов
Если акселерометр разместить на теле человека, можно реализовать датчик падения, происшедшего, например, в результате потери сознания человеком, нападения, если это охранник, или другого несчастного случая.
Пример кривых, отражающих величину ускорения при падении, показан на рисунке 3. В данном случае падение является не совсем свободным: тело «валится», поэтому характер изменения ускорения по осям отличается от случая свободного падения.
Рис. 3. Характер изменения ускорений при не совсем свободном падении
В процессе падения можно выделить несколько стадий.
1. Начало падения. При свободном падении эта стадия характеризуется состоянием невесомости. Величина векторной суммы ускорений по всем трем осям близка к нулю. При падении отличном от свободного величина векторной суммы ускорений по трем осям не близка к нулю, но меньше 1g. Это первый признак падения (зона 1 на рис. 3).
2. Столкновение с поверхностью. По окончании падения происходит столкновение с поверхностью, что наблюдается на графике как резкое увеличение ускорения, вплоть до перегрузки датчика. Это второй признак падения (зона 2 на рис. 3).
3. Неподвижность. Человек не может подняться после падения немедленно — какое-то время он неподвижен. Это третий признак падения (зона 3 на рис. 3).
4. Изменение положения тела после падения. В результате того, что тело человека изменяет положение после падения, вектор ускорения свободного падения меняет направление по отношению к датчику. Это четвертый признак падения (сравните величины проекций ускорений на оси в зонах 3 и 4 на рисунке 3).
Измерение величины перемещения и вибродиагностика
В случае линейных синусоидальных колебаний их амплитуду достаточно просто вычислить. Как известно из курса физики [8], в случае гармонических синусоидальных колебаний амплитуда ускорения, частота и амплитуда колебаний связаны формулой:
где X0– амплитуда колебаний, a0– амплитуда ускорения,
ω – круговая частота колебаний.
Если необходимо определить текущее положение прибора с акселерометром, а движение не является равноускоренным, следует дважды провести интегрирование по времени с учетом начальных значений ускорения свободного падения, положения и скорости, как показано на рисунке 4 [9].
Простейший пример использования акселерометра при вибродиагностике износа механических деталей машин заключается в измерении интенсивности колебаний с некой характерной для данного изделия частотой. Полоса частот ADXL345 ограничена 1600 Гц, что может оказаться недостаточным. В этом случае целесообразнее использовать ADXL001 с полосой частот до 22 кГц и аналоговым выходом.
Рис. 4. Определение местоположения с использованием акселерометра
Встроенный в механический узел датчик в этом случае должен содержать полосовой фильтр и амплитудный детектор с механизмом сигнализации. Для цифровой спектральной фильтрации сигнала с акселерометра вовсе не обязательно заниматься программированием на языках высокого уровня, можно применить МК семейства SigmaDSP® производства ADI. Подробнее об этом семействе см. [17].
Для создания фильтров с использованием SigmaDSP® достаточно приобрести отладочный набор, в состав которого входит полнофункциональная среда визуального программирования с интерфейсом ввода структуры, аналогичным LabView. С ее помощью можно быстро реализовать цифровые фильтры, в т.ч. с управляемыми извне характеристиками. Сигнал с датчика можно непосредственно оцифровать АЦП, входящим в состав SigmaDSP®, а обработанный цифровой поток вывести по последовательному интерфейсу или вновь преобразовать в аналоговый сигнал.
Построение пространственной картины измерений
Идея этого применения заключается в совместной обработке сигнала системы навигации и системы измерения, датчики которых конструктивно объединены, что позволяет построить пространственную картину измеряемой величины.
Пример 1. Металлоискатель, или функционально аналогичный прибор, в котором имеется датчик интенсивности некой физической величины. При перемещении измерительной части, на индикаторе прибора отображается не только текущее значение измеряемой величины, но и положение датчика относительно зарегистрированных минимумов и максимумов сигнала, или его градиентов. Это избавляет оператора от необходимости сравнивать текущие показания интенсивности с максимальными их значениями, анализируя направление перемещения измерительной части в поиске точек минимума и максимума.
Пример 2. Аудиометрия помещений может быть проведена гораздо быстрее, если измерительный микрофон совместить с датчиком перемещения. При этом измерения можно проводить не в точках, а по траекториям, автоматически фиксируя результаты соответствующим программным обеспечением.
Интерфейсы пользователя
Удобство применения бытовой техники имеет решающее значение в условиях конкуренции. Какой бы совершенной ни была та или иная технология, она едва ли станет успешной, если разработчикам не удалось сделать ее использование максимально интуитивным и привлекательным. Помочь завоевать будущего пользователя может применение акселерометров. Уже сейчас на рынке появилось немало устройств с недорогими акселерометрами, как специально ориентированными на использование этой технологии, так и содержащими этот компонент как опцию, благо софт в большинстве устройств можно обновить. Частными случаями такого применения является: изменение ориентации изображения на экране мобильного устройства или ноутбука; учет ориентации изображения в фотоаппарате или фоторамке; управление прокруткой изображения при встряхивании или наклоне мобильного телефона [14, 15]. Некоторые практические рекомендации по обработке данных с акселерометра при реализации интерфейсов можно найти в [16].
Детектирование свободного падения портативной аппаратуры
Использование акселерометров для защиты носителей данных получило распространение в жестких дисках портативных компьютеров. Алгоритм, реализующий обнаружение свободного падения, подробно рассмотрен в [10].
Отметим, что поскольку в этом случае требуется выдать информацию до завершения свободного падения, автор статьи рекомендует использовать для детектирования свободного падения суммы квадратов производных ускорения по осям.
Контроль сохранности грузов
Не секрет, что большая часть электронной и высокоточной механической аппаратуры резко отрицательно относится к ударам и требует бережного отношения при перевозке и эксплуатации. Как при сервисном обслуживании или перед вводом техники в эксплуатацию определить, были ли нарушены условия транспортировки и хранения? Установив акселерометр в прибор или укомплектовав упаковку электронным самописцем на базе акселерометра, всегда можно будет однозначно дать ответ на этот вопрос, причем в процессе эксплуатации прибора датчик может с успехом выполнять другие описанные выше функции. Акселерометры ADXL345 и ADXL346 прекрасно подойдут на эту роль, т.к. они обладают крайне низким потреблением и способны не только пробудить микроконтроллер при выходе величины ускорения за установленное пороговое значение, но и благодаря режиму работы FIFO Trigger Mode способны сохранить данные, отражающие картину происходящего до того, как хост-контроллер будет готов их принять для последующей обработки. Микропрограмме контроллера останется вычислить модуль вектора ускорения и сравнить его с заданным значением для принятия решения о нарушении допустимых условий транспортировки или эксплуатации.
Возможный алгоритм работы микропрограммы хост-контроллера следующий.
1. Зафиксировать текущие значения ускорения по осям.
2. В зависимости от предъявляемых условий, настроить пороги как сверху, так и снизу.
3. Перевести МК в спящий, а акселерометр – в экономичный режим.
4. Ожидание прерывания от акселерометра.
5. При поступлении сигнала прерывания начать непрерывное считывание данных с акселерометра.
6. Считать данные и вычислить модуль вектора ускорения.
7. Проверить на превышение допустимой величины; при необходимости сохранить результат проверки.
8. Проверить на установившееся значение. Если состояние не меняется, перейти к п. 1, иначе см. п. 6.
Для полноты информации необходимо указать, что для данного применения имеется специализированный компонент ADIS16240, способный отслеживать пиковые значения суммы квадратов измерений, полученных по всем трем осям. В сравнении с ADXL345, ADXL346, это готовый модуль с диапазоном измерений ±19g, однако его стоимость приблизительно на порядок выше.
Средства разработчика
Для разработки устройств с использованием акселерометров и оценки их возможностей Analog Devices выпускает специальные наборы. Для ADXL345 доступны наборы двух видов — на базе универсальной оценочной платы для инерциальных систем, внешний вид которого представлен на рисунке 5, и мини-набора разработчика (см. рис. 6).
Рис. 5. Внешней вид отладочного набора на базе универсальной отладочной платы для инерционных систем
Рис. 6. Схема и внешний вид мини-набора разработчика
Отладочный набор на базе универсальной оценочной платы для инерциальных систем включает в себя:
– микропотребляющий акселерометр ADXL345;
– универсальную материнскую плату для инерциальных систем;
– специфическую для каждого акселерометра дочернюю плату;
– стандартный USB-кабель для питания набора и передачи данных;
– графическую пользовательскую среду для ПВМ.
Плата большего размера обеспечивает интерфейс ввода полученных от акселерометра данных и функционирует также с другими акселерометрами производства ADI. При переходе на другой тип акселерометра достаточно приобрести дочернюю плату под интересующий тип этого датчика.
Поставляемое в комплекте программное обеспечение позволяет изменять содержимое внутренних регистров ADXL345 при помощи графического интерфейса, задавая, таким образом, режим работы акселерометра, и производить захват информации о движении с отображением ее в виде графиков на экране ПВМ. Вид графического интерфейса ПО показан на рисунке 7.
Рис. 6. Схема и внешний вид мини-набора разработчика
Мини-набор предназначен для подключения акселерометра к системе сбора данных разработчика и упрощения задачи монтажа в процессе оценки возможностей датчика.
Оценочные средства и образцы МК можно заказать в ООО «ЭЛТЕХ».
Выводы
Применение акселерометров в современной технике позволит значительно расширить функциональные возможности существующей аппаратуры и создать приборы с уникальными характеристиками. В ряде случаев применение акселерометров позволит сэкономить рабочее время операторов, использующих оборудование с датчиками движения, и ресурс самого оборудования. Применение акселерометров в промышленности и на производстве позволит повысить безопасность персонала и сэкономить денежные средства на периодическом обслуживании.
Акселерометры производства ADI просты в применении, доступны для заказа, обеспечены необходимой для разработчика технической документацией и оценочными средствами, что, несомненно, сократит время проектирования изделия с использованием этих акселерометров.