MEMS-owy wskaźnik położenia

01 lutego 2010

Technologie MEMS – do niedawna bardzo ekskluzywne – coraz łatwiej spotkać w coraz większej liczbie, coraz mniej ekskluzywnych aplikacji. W artykule przedstawiamy jeden z nowszych na rynku czujników MEMS z oferty firmy STMicroelectronics, który można zastosować jako czujnik uderzeń w alarmach samochodowych lub czujnik orientacji urządzenia względem ziemi, co można wykorzystać na przykład w przenośnych urządzeniach z graficznymi panelami HMI do automatycznej zmiany sposobu wyświetlania informacji na wyświetlaczu.

Miniaturowy czujnik MEMS oznaczony symbolem FC30 należy do nowej kategorii układów, określanych mianem „czujników funkcjonalnych”. Rozpoznaje on i sygnalizuje na 3-bitowym wyjściu cyfrowym (jest to wyjście kombinacyjne, zgodnie z rys. 1) 6 kierunków, umożliwia wykrywanie także pozycji pośrednich pomiędzy „sąsiadującymi” kierunkami.

Rys. 1. Stany wyjściowe czujnika FC30 w zależności od jego orientacji względem podłoża

Inną funkcją realizowaną przez czujnik FC30 jest wykrywanie puknięć i uderzeń (rys. 2), które są sygnalizowane za pomocą impulsowych zmian stanów sygnałów na wyjściach: PC (Portrait) lub LC (Landscape), w zależności od kierunku uderzenia. Funkcję tę można wykorzystać na przykład do sterowania pracą urządzenia – włączania za pomocą dwukrotnego piknięcia w określonym kierunku lub detekcji manipulowania przez osoby nieupoważnione przy zabezpieczanym samochodzie lub motocyklu.

Rys. 2. Czujnik FC30 wykrywa puknięcia i uderzenia, sygnalizuje je chwilową zmianą stanu na wybranym wyjściu

Na rys. 3 pokazano orientację układu FC30 względem podłoża.

Rys. 3. Kierunki referencyjne czujnika FC30

Na rys. 4 pokazano schemat elektryczny wskaźnika położenia, który wyposażono w 3-diodowy wskaźnik LED (D1...D3) oraz złącze szpilkowe Con1, dzięki któremu wskaźnik można dołączyć do systemu alarmowego lub dowolnego układu detekcji. Urządzenie powinno być zasilane stabilizowanym napięciem 3,3 VDC, bez LED pobiera ok. 0,55 mA.

Rys. 4. Schemat elektryczny prostego wskaźnika położenia

Na schemacie pokazanym na rys. 4 jedna rzecz może budzić wątpliwości uważnych Czytelników: wejście PD (Power Down) dołączono na stałe do +3,3 V, co zgodnie z notą katalogową (rys. 5) powinno przełączyć układ FC30 w stan stand-by. Podczas prób okazało się jednak, że w nocie katalogowej jest błąd – czujnik podczas normalnej pracy musi mieć na wejściu PD stan 1, jest wyłączany gdy PD przyjmuje stan 0. Diagnozę potwierdził (niezwykle sprawny!) support techniczny firmy STMicroelectronics (zgłoszenie R10010107).

Rys. 5. W nocie katalogowej układu FC30 jest błąd: w rzeczywistości gdy PD=1 układ pracuje, gdy PD=0 – przechodzi w stan stand-by

Sposób kodowania kierunków na wyjściach układu FC30 – jakkolwiek logiczny – można przekodować do bardziej czytelnych formatów. Na list. 1 pokazano prosty opis transkodera w języku CUPL (dla układów GAL i pochodnych) i VHDL (list. 2 – dla dowolnych układów CPLD lub FPGA).

Name Transkoder_FC30 ;
PartNo 00 ;
Date 2026-06-11 ;
Revision 01 ;
Designer Gemini ;
Company Home ;
Assembly None ;
Location None ;
Device g16v8 ; /* Wybór popularnego układu GAL16V8 */

/* ================= I/O Pins Definition ================= */
/* Wejścia z czujnika FC30 */
PIN 1 = IN2;
PIN 2 = IN1;
PIN 3 = IN0;

/* Wyjścia zdekodowane (np. na 6 diod LED wskazujących kierunek) */
PIN 12 = OUT0;
PIN 13 = OUT1;
PIN 14 = OUT2;
PIN 15 = OUT3;
PIN 16 = OUT4;
PIN 17 = OUT5;

/* ================= Wektory (Pola) ====================== */
FIELD wejscie = [IN2, IN1, IN0];
FIELD wyjscie = [OUT5, OUT4, OUT3, OUT2, OUT1, OUT0];

/* ================= Logika Transkodera ================== */
/* Tutaj mapujesz stany z czujnika na konkretne wyjścia. */
/* Dostosuj przyporządkowanie bitów na podstawie artykułu. */

TABLE wejscie => wyjscie {
'b'000 => 'b'000001; /* Położenie 1 */
'b'001 => 'b'000010; /* Położenie 2 */
'b'010 => 'b'000100; /* Położenie 3 */
'b'011 => 'b'001000; /* Położenie 4 */
'b'100 => 'b'010000; /* Położenie 5 */
'b'101 => 'b'100000; /* Położenie 6 */

/* Stany zabronione / nieużywane */
'b'110 => 'b'000000;
'b'111 => 'b'000000;
}

Listing 1.

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity transkoder_fc30 is
Port (
fc30_in : in STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0); -- 3 bity z czujnika FC30
dir_out : out STD_LOGIC_VECTOR (5 downto 0) -- 6 linii wyjściowych
);
end transkoder_fc30;

architecture Behavioral of transkoder_fc30 is
begin

-- Instrukcja wyboru działająca jak klasyczna tabela prawdy
with fc30_in select
dir_out <= "000001" when "000", -- Położenie 1
"000010" when "001", -- Położenie 2
"000100" when "010", -- Położenie 3
"001000" when "011", -- Położenie 4
"010000" when "100", -- Położenie 5
"100000" when "101", -- Położenie 6
"000000" when others; -- Zabezpieczenie dla pozostałych stanów

end Behavioral;

Listing 2.

Przedstawione tabele przekodowań są przykładowe i nie obejmują wszystkich możliwych kombinacji stanów wyjść czujnika FC30 (opisano sposób przekodowania stanów wejściowych z rys. 1, bez uwzględnienia stanów przejściowych), każdy konstruktor może także dostosować do wymogów własnej aplikacji stany wyjść.

Urządzenie prototypowe zmontowano na płytce, której schemat montażowy pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Schemat montażowy płytki drukowanej egzemplarza modelowego

Niewielka liczba elementów i ich duże wymiary powodują, że montaż jest łatwy, ale... dopiero po zamontowaniu czujnika FC30. Jest on niestety dostępny wyłącznie w obudowie QFN 3×5×0,9 mm, więc jego montaż wymaga sporej wprawy. Jak sobie z nim poradzić, pokażemy w jednym z kolejnych wydań EP.

Andrzej Gawryluk

Wykaz elementów:

Rezystory: