6-DoF-Sensor Beschleunigungssensor mit schneller Positionierung

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Der kombinierte, leistungsstarke 3-Achsen-Gyro- und 3-Achsen-Beschleunigungssensor SCH16T wurde für höchste Anforderungen entwickelt und verfügt unter anderem über eine verbesserte Nullpunkt-Stabilität und über mehrere Selbstdiagnosefunktionen. Auch das Gehäuse bzgl. sich bewegender Massen wurde reduziert.

Murata hat mit dem 6-DoF-Sensor unter der Bezeichnung SCH16T einen kombinierten, leistungsstarken 3-Achsen-Gyro- und 3-Achsen-Beschleunigungssensor entwickelt. Der SCH16T wurde für höchste Stabilitäts-, Zuverlässigkeits- und Qualitätsanforderungen entwickelt und verfügt über eine ausserordentlich stabile Performance über Temperatur, Feuchtigkeit und Vibrationen. Im Vergleich zum Vorgänger verfügt dieser Sensor nun über mehrere Selbstdiagnosefunktionen.

Im Zuge der Änderungen, wurde auch das Gehäuse bzgl. sich bewegender Massen reduziert, um etwaige Einflüsse auf die eigentliche Messung zu reduzieren.

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Verbesserte Nullpunkt-Stabilität

Wer die Daten analysiert, wird feststellen, dass sich durch die neue Sensorzelle, die jetzt aus 6 beweglichen Massen besteht, bzgl. Stabilität und Langzeitverhalten erhebliche Verbesserungen eingestellt haben. Hinzu kommen weitere Neuerungen durch die Anpassung beim neuen ASIC. Die erste herausragende Eigenschaft ist die Verbesserung der Nullpunkt-Stabilität (Bias Instability) der ohnehin schon sehr guten Stabilität des Vorgängers mit der Bezeichnung SCHA63T. So wurde dieser Wert von 1,2 °/h auf jetzt 0,5 °/h halbiert. Diese Performance liegt im Bereich sehr hochwertiger IMUs oder FOGs, die bei den Kosten schnell einen vierstelligen Betrag erreichen. Mit der neu gestalteten Sensorzelle wurde der Schritt vom grösseren «Pre-molded» hin zum kleineren 24-Pin-​SOIC-Gehäuse mit geringer interner Masse möglich. Um für weitere Stabilität zu sorgen, wurde der Bereich der Sensoreinheit nach unten gedreht. Die dann von oben kommenden Anschluss-Pins geben dem Sensorgehäuse hierdurch ein «neutraleres» Verhalten.

Anbindung des Sensors an eine Prozessoreinheit

Eine weitere Neuerung ist die Umgestaltung des ASICs und damit die Anbindung des Sensors an eine Prozessoreinheit. Acht verschiedene Filtereinstellungen von 13 Hz bis zu 370 Hz Cut-off stehen zur Verfügung. Über Register können die Dynamikbereiche für Gyro (1,5 g bis 8 g, Head Room bis 25 g) und Beschleunigung (52 °/s bis 300 °/s) ausgewählt werden. Waren bisher zwei einzelne ASICs mit jeweils eigenem SPI im 6-DoF-Sensor tätig, so gibt es jetzt nur noch eine einzige Einheit. Dafür wird die aus dem Automobilbereich stammende Schnittstelle Safe SPI v2.0 mit 20- bzw. 16-bit-Worten mit parallelem CRC-Check verwendet.

Für Applikationen, bei denen mehrere Sensoreinheiten über einen BUS angebunden sind, kann ohne die Verwendung einer individuellen MISO-Leitung das Lesen der Daten länger dauern, als die verfügbare Update­zeit der internen Register hergibt. In bestimmten Fällen kann dies zu einer erheblichen Unstimmigkeit durch das Abtasten verschiedener Zeitmomente der einzelnen Sensoren führen. Für diesen Fall wurde ein SYNC-Pin integriert. Damit sind mehrere Sensoren adressierbar.

Wert des Datenzählers mit dem Wert des Frequenzzählers kombinierbar

Wenn der MCU-Takt des Host-Systems als Referenz verwendet wird, kann der Wert des Datenzählers (Data Counter) mit dem Wert des Frequenzzählers (Frequency Counters) kombiniert werden, um den genauen Zeitstempel (Time Stamp) einer Messung zu berechnen. Diese Kombination kommt zum Einsatz, wenn Integrationsvorgänge für Sensordaten durchgeführt werden und die Zeit­unsicherheit oder der «Daten-Jitter» der interpolierten Daten die Anforderungen an die Systemgenauigkeit nicht erfüllen.

In Bezug auf die Sensordaten gibt es beim SCH16T verschiedene Optionen für die Ausgabe der Daten. Zur Verbesserung des oben beschriebenen Daten-Jitter können die Daten für Gyro und Beschleunigung interpoliert ausgegeben werden. Falls Bedarf besteht, die anfallende Datenmenge zu reduzieren, hilft die Option «Decimation» weiter. Für dynamische Systeme ist es wichtig, alle anfallenden bzw. verfügbaren Daten zu nutzen, um zum Beispiel Daten von allen Achsen gleichzeitig zu erfassen. Da die natürliche Ausgangsdatenrate bei nominaler Primärfrequenz 11,8 kHz beträgt, kann dies allerdings zu einer übermässigen Belastung der MCU führen. Der Zweck der «Decimation»-Funktion besteht deshalb darin, die interne Aktualisierungsrate zu verringern, um dem Hostsystem genügend Zeit zu geben, jedes individuelle «Sample» zu lesen. Eine dritte Option ist die interpolierte Ausgabe von Daten, die für kurzfristig auftretende Dynamikbereiche von bis 25 g gut geeignet ist.

Selbst-Test-Funktion

Die Aufgaben einer Selbst-Test-Funktion (STC) übernehmen verschiedene Register, die mit Schreiben einer «0» einen kontinuierlichen Selbst-Test von Gyro, Accelerometer und Start-up-Routine übernehmen. Die Start-up-Time liegt bei anliegender stabiler Versorgung bei max. 250 ms. Für die Untersuchung des Sensors wird es zwei unterschiedliche Platinen geben. Eine mit dem reinen Sensor auf einer Platine (SCH16T-PCB) für einen Shaker. Die zweite Version (APNM-​SCH16T) kann für einen Shaker verwendet werden und eignet sich zur Oberflächenmontage. Diese zweite Platine enthält neben dem Sensor einen leistungsstarken 2 x FPU-32-bit-Prozessor, der vereint mit einer lizenzierbaren Firmware (Algorithmen, CAN) von Nordic Inertial als Evaluation Kit dient und als offene IMU agiert.

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