使用新型集成多功能传感器模块同时检测多个参数

位于手指尖端的传感器不仅触及感受器，还是一体化压力传感器，形状传感器，温度传感器和液体粘度传感器。它们同时将机械和热信息转换为发送到我们大脑的电信号，通过模式识别程序提供反馈信息。随着集成在单个传感器模块上的多个电子传感器的性能和可用性的提高以及组合输出的能力，设计人员正在创建系统，这些系统在较小规模但与我们的手指和大脑不同，可以对各种各样的环境条件。在本文中，我们将介绍这些设备可实现的新型集成多功能传感器模块和智能传感器应用。

智能导航系统

首先，考虑电子导航系统。我们正在迅速习惯于拥有随需应变的便携式电子产品，可以告诉我们我们的位置。当驾车前往新的或不熟悉的地方时，大多数司机现在将依靠GPS导航系统或手机应用程序将他们带到他们想去的地方。

这些系统运行良好，但我们这些使用它们的人经常知道还有改进的余地。有时导航系统似乎对我们所处的分层高速公路的哪个级别感到困惑，或者当系统无法在任何时间长度内获得GPS信号时系统失去位置，例如，当通过隧道时。

通过同时使用多个传感器的输入来获得准确的位置信息而无需外部信号，可以克服这些问题。不是依靠单一类型的传感器，比如加速度计，来自多个传感器或来自单个多功能传感器模块的输入可以通过算法组合以产生可靠的位置数据。

对于消费者导航系统，第一个要求是以合理的成本提供所需的传感能力。幸运的是，今天的设计师有许多廉价的传感器，在设计这样的系统时可以从中选择。例如，目前有许多具有成本效益的加速度计。 （有关更多信息，请参阅TechZone文章“加速度计的进展拓宽用户选择”。）

将加速度计的输出与磁力计的输出相结合，形成了一个所谓的数字罗盘，可提供更准确的地理位置数据。 STMicroelectronics的LSM303DLM传感器模块集成了这些传感器的趋势示例.5 x 5 x 1 mm模块结合了三轴加速度计和三轴磁力计，它们采用专门的微机械加工（MEMS）工艺制造，具有独立的CMOS芯片，提供模块和主机系统之间的接口（图1）。这种设计方法提供了一个专用接口电路，经过修整以更好地匹配传感元件特性。

图1：LSM303DLM模块将三轴加速度计和三轴磁力计与单独的CMOS芯片相结合，提供模块与主机系统之间的接口（礼貌）意法半导体（STMicroelectronics）

传感器的满量程线性加速度范围为±2，±4和±8 g，磁场范围为±1.3，±1.9，±2.5，±4.0，±4.7，±5.6和±8.1高斯，任何一个都可由用户选择。加速度计和磁感应功能可以单独启用或进入省电模式。范围和传感器选择的灵活性意味着当芯片不用于导航时，芯片可用于在手持设备中实现其他功能。 （为简化应用开发，STMicro还提供评估板，部件号为STEVAL-MKI113V1。）

采用塑料，栅格阵列（LGA）封装，保证在-40°至-40°的温度范围内工作该传感器温度为85°C，具有I2C串行总线接口，支持标准（100 kHz）和快速（400 kHz）模式。

拥有I2C串行总线非常重要，因为它可以简化在同一系统中集成多个传感器的过程。例如，为了进一步提高位置确定的准确性，LSM303DLM传感器模块可以与STMicro的L3GD20模块，低功耗，三轴，角速率传感器或陀螺仪（图2）结合使用。

图2：与LSM303DLM一样，L3GD20三轴角速率传感器包括MEMS传感元件和单独的接口IC（由STMicroelectronics提供）。

与LSM303DLM一样，陀螺仪模块包括一个MEMS传感元件和一个独立的接口IC，可以为主机系统提供测量的角速率。 4 x 4 x 1 mm L3GD20具有用户可选的±250，±500和±2，000 dps满量程范围，也可采用塑料LGA封装，工作温度范围为-40°至85°C。 （也可提供名为STEVAL-MKI119V1的评估板。）

可能添加到混合物中的不太明显的传感器是Bosch Sensortec的BMP085气压传感器。在这种情况下，压力传感器将用于测量短时间内的压力的相对变化以指示高度的变化，从而将手持设备完全定位在三维空间中。

专为先进移动应用而设计，5 x 5 x 1 mm BMP085（图3）的绝对精度为2.5百帕斯卡（hPa），噪音水平低至0.03 hPa，相当于海拔变化0.25米它基于压阻式MEMS技术，具有EMC稳健性，高精度，线性和长期稳定性。该传感器采用8引脚陶瓷无引线芯片载体（LCC）封装，与其他传感器一样，具有I2C总线和评估板（BMP085-SHUTL），便于集成到移动系统中。

图3：BMP085气压传感器可用于提供高度信息。

结合其他传感器的数据，它允许手持设备的设计人员在三维空间中提供完整的位置信息（由Bosch Sensortec提供）。

任务关键型应用

所有上述传感器都具有共同的特性 - 低成本，低功耗，坚固耐用，合理的精度和小尺寸 - 非常适合移动消费类应用。但是，有些应用需要传感器具有更高的性能和可靠性。例如，第一响应者和消防员必须准确地知道他们在一个结构中的位置，以避免危险，并与他们团队的其他成员进行沟通和协调。

对于此类任务关键型应用，目前有传感器系统可提供完全集成的多传感器数据，以实现精确定位。例如，ADI公司的ADIS16407 iSensor器件（图4）是一个完整的10自由度惯性系统，包括一个三轴陀螺仪，一个三轴加速度计，一个三轴磁力计和压力传感器。 。与之前的传感器一样，ADIS16407的每个传感器系统都将MEMS技术与信号调理相结合，以优化动态性能。

图4：ADIS16407 iSensor设备是一个完整的十自由度惯性系统，包括三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁力计和压力传感器（由Analog Devices提供） ）。

在工厂中，传感器针对灵敏度，偏置，对齐和线性加速度（陀螺仪偏置）进行校准。因此，每个传感器都有自己的动态补偿公式，可提供高精度的传感器测量。此外，这大大减少了将传感器集成到整个系统中所需的时间。紧密的正交对齐简化了导航系统中的惯性框架对齐。 SPI和寄存器结构为数据收集和配置控制提供了简单的接口。

系统采用大约23×23×23 mm的模块封装，并具有标准连接器接口。还提供评估板（ADIS16407/PCBZ）。虽然模块的成本远远高于前面提到的传感器的成本，并且其尺寸不允许将其与其他设备一样整合到智能手机大小的便携式设备中，但它提供了开箱即用的功能。他们无法比拟的表现。同样，STMicroelectronics的iNEMO V2（评估套件STEVAL-MKI062V2） - ST惯性模块的第二个版本（图5） - 将加速度计，陀螺仪和磁力计与压力和温度传感器相结合。该系统提供线性，角度和磁性运动的三轴感应，辅以温度和气压计/高度读数，代表10自由度平台。

ST的iNEMO 2集成了五个ST传感器。基于ARM的32位MCU和两个稳压器完善了封装（由STMicroelectronics提供）。

新型高性能多传感器模块可提供数据，可用于跟踪位置或在移动电话，游戏控制，遥控器，黑匣子记录器和增强型GPS系统中实现高级动作感应应用。其他应用包括工业系统，机器人，汽车和航空航天测量，以及提供精确的室内定位，这是未来基于位置的服务的关键技术之一。