Kreisel- und Beschleunigungssensor 6-DoF-Sensor: Nullpunktstabilität von 0,5 °/h und geringerer Formfaktor

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Mit einem kombinierten Kreisel- und Beschleunigungssensor lassen sich Anwendungen in Automobilbau, Robotik oder Industrie umsetzen. Neben einer verbesserter Stabilität und Langzeitverhalten bietet der besprochene Sensor einen reduzierten Formfaktor.

Murata hat mit dem 6-DoF-Sensor SCH16T einem leistungsstarken kombinierten 3-Achsen-Kreisel- und 3-Achsen-Beschleunigungssensor, einen weiteren Durchbruch erzielt. Der SCH16T wurde entwickelt, um den hohen Anforderungen an Stabilität, Zuverlässigkeit und Qualität gerecht zu werden und bietet eine hohe Stabilität gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Vibrationen. Im Vergleich zu seinem Vorgänger verfügt der Sensor über mehrere Selbstdiagnosefunktionen. Im Zuge der Modifikationen wurde auch das Gehäuse hinsichtlich der bewegten Massen reduziert, um mögliche Einflüsse auf die eigentliche Messung zu verringern.

Die Auswertung der Daten zeigt, dass mit der neuen Sensorzelle, die nun aus sechs beweglichen Massen besteht, erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Stabilität und Langzeitverhalten erzielt werden konnten. Hinzu kommen weitere Neuerungen durch die Anpassung des neuen ASIC. Die erste Eigenschaft ist die verbesserte Nullpunktstabilität (Bias Instability) gegenüber der bereits sehr guten Stabilität des Vorgängers mit der Bezeichnung SCHA63T. So konnte dieser Wert von 1,2°/h auf jetzt 0,5°/h halbiert werden.

Diese Leistung liegt im Bereich sehr hochwertiger IMUs oder FOGs, deren Kosten schnell im 4-stelligen Bereich liegen. Mit der neu gestalteten Sensorzelle wurde der Schritt vom größeren Pre-molded zum kleineren 24-poligen SOIC-Gehäuse mit geringer innerer Masse möglich. Um die Stabilität weiter zu erhöhen, wurde der Bereich der Sensorzelle nach unten gedreht.

Anwendungen mit mehrere Sensoreinheiten über einen Bus

Eine weitere Verbesserung ist der überarbeitete ASIC und damit die Anbindung des Sensors an eine Prozessoreinheit. Acht verschiedene Filtereinstellungen von 13 Hz bis 370 Hz Cut-Off stehen zur Verfügung. Über Register lassen sich die Dynamikbereiche für Kreisel 1,5 g bis 8 g, Headroom bis 25 g und Beschleunigung 52 °/s bis 300 °/s wählen. Waren bisher zwei einzelne ASICs mit jeweils eigenem SPI im 6-DoF-Sensor tätig, gibt es jetzt nur noch eine einzelne Einheit. Dazu wird die aus dem Automobilsektor stammende Schnittstelle Safe SPI v2.0 mit 20- oder 16-Bit-Worten mit paralleler CRC-Prüfung verwendet.

In Anwendungen mit mehrere Sensoreinheiten über einen Bus kann das Auslesen der Daten ohne eine eigene MISO-Leitung länger dauern als die verfügbare Aktualisierungszeit der internen Register. In bestimmten Fällen kann dies zu einer erheblichen Unstimmigkeit führen, da die einzelnen Sensoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgetastet werden. Für diesen Fall ist ein SYNC-Pin integriert. Damit ist es möglich, mehrere Sensoren anzusprechen.

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

Verschiedene Optionen für die Datenausgabe

Bezüglich der Sensordaten bietet das SCH16T verschiedene Optionen für die Datenausgabe. Zur Verbesserung des oben beschriebenen Datenjitters können die Daten für Gyro und Beschleunigung interpoliert ausgegeben werden. Wenn die Datenmenge reduziert werden soll, kann die Option Decimation verwendet werden. Für dynamische Systeme ist es wichtig, alle anfallenden oder verfügbaren Daten zu nutzen, um beispielsweise Daten von allen Achsen gleichzeitig zu erfassen. Da die Ausgangsdatenrate bei nominaler Primärfrequenz 11,8 kHz beträgt, kann dies jedoch zu einer übermäßigen Belastung der MCU führen.

Der Zweck der Decimation-Funktion ist es daher, die interne Aktualisierungsrate zu reduzieren, um dem Host-System genügend Zeit zu geben, jedes einzelne Sample zu lesen. Eine dritte Option ist die interpolierte Datenausgabe, die für kurzzeitige Dynamikbereiche bis 25 g gut geeignet ist.

Zwei verschiedene Platinen für den Sensor

Die Aufgaben einer Selbsttestfunktion (STC) werden von verschiedenen Registern übernommen, die beim Schreiben einer 0 einen kontinuierlichen Selbsttest von Gyro, Accelerometer und Startroutine übernehmen. Die Hochlaufzeit beträgt bei stabiler Versorgungsspannung maximal 250 ms. Für den Test des Sensors wird es zwei verschiedene 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 ist für die Oberflächenmontage geeignet. Diese zweite Platine enthält neben dem Sensor einen leistungsfähigen 2x FPU 32-Bit-Prozessor, der zusammen mit einer lizenzierbaren Firmware (Algorithmen, CAN) von Nordic Inertial als Evaluation Kit dient und als offene IMU arbeitet.

* Harald Thomas ist Business Segment Manager bei Angst+Pfister.

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