Hệ thống theo dõi chuyển động của xe ô tô sử dụng cảm biến gia tốc

Luận văn của tôi gồm các phần sau: Chương I: Giới thiệu nghiên cứu theo dõi chuyển động của xe ô tô Chương II: Vi cảm biến gia tốc IMU công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS Chương III:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã Số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hướng dẫn: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH

HUẾ – 2014

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục và nghiêm túc; cùng với sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp, đến nay luận văn đã hoàn thành

Qua đây tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới PGS TS Chử Đức Trình,

người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi làm luận văn

Tôi xin cám ơn quý thầy cô anh /chị trong khoa Điện tử viễn thông Trường Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đẫ tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo

và cho tôi lời khuyên quý báu

Tôi cũng xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực

cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chưa nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Vì thế, tôi rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè

và đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013

Học viên

Lê Nhƣ Lập

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Như Lập

Sinh ngày 16 tháng 04 năm 1975

Học viên lớp Cao học khoá 2 – Công Nghệ Thông Tin Điện Tử Viễn Thông - Trường Đại học Công Nghệ – Đại học quốc gia Hà Nội

Hiện đang công tác tại khoa Điện Trường Cao Đẳng Nghề Thừa Thiên Huế

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013

Học viên

Lê Như Lập

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU NGHIÊN CỨU THEO GIỎI CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ….9 1.1 Theo dõi chuyển động ô tô …….9

1.2 Nhu cầu và hiện trạng giao thông hiện nay 10

1.3 Các phương pháp cảnh báo, đề xuất hướng giải quyết ứng dụng MEMS 10

1.3.1 Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS……… 10

1.3.2 Các ứng dụng thử nghiệm đo rung của công nghệ MEMS……….11

1.4 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS 12

1.4.1 Gia công vi cơ khối 12

1.5 Tổng quan cảm biến MEMS 14

1.5 1 Cấu trúc của Vi cảm biến gia tốc 14

1.5.2 Ứng dụng của cảm biến gia tốc 15

1.5.3 Nguyên tắc hoạt động của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ 16

CHƯƠNG II VI CẢM BIẾN GIA TỐC IMU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM MEMS 18

2.1 Tổng quan MPU-60X0……… 18

2.2 ứng dụng 20

2.3 Các tính năng con quay hồi chuyển 20

2.3.1 Các tính năng gia tốc 21

2.3.2 Tính năng MPU-60X0 bao gồm các tính năng bổ sung: 21

2 4 Xử lí chuyển động 22

2.5 Con quay hồi chuyển MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu 23

2.5.1 Gia tốc kế MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu 23

2.5.2.Tự kiểm tra 24

2.5.3 Bộ tạo nhịp trong 25

2.6 Các thanh ghi dữ liệu cảm biến ….25

2.6.1 Đệm FIFO 26

2.6 2 Ngắt 26

2.6.3 Phân cực thu và LDO 26

2.7 Giao diện nối tiếp I2C và SPI (chỉ MPU-6000) 27

2.8 Truyền thông 28

2.9 Giao diện SPI (chỉ MPU-6000) 29

2.10 Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc 33

CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 35

3.1 Sơ đồ khối 35

3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 36

3.2 Mạch in 36

CHƯƠNG IV PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 37

4.1 Lập trình giao diện Gyroscope hoạt động cảm biến 37

4.2 Giá trị gia tốc góc 38

CHƯƠNG V THÍ NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN 39

5.1: Giới thiệu bộ thí nghiệm quay 39

5.2: Sơ đồ khối điều khiển 40

5.3:Kết quả các thí nghiệm 40

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 50

1 Lập trình giao diện Gyroscope hoạt động cảm biến 50

2 Giá trị gia tốc góc 60

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MEMS Micro ElectroMechanical Systems (Hệ thống vi cơ điện tử) Actuator Bộ chấp hành

Poly - Si Silic đa tinh thể

Si3N4 Nitrit silic

SPI Đầu vào dữ liệu

FIFO Thanh ghi (first in ▪ first out) Vào trước ra trước

SCLK Đồng hồ/ nhịp nối tiếp

SDA, SDO Dữ liệu nối tiếp

SCI Đầu vào dữ liệu nối tiếp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.5: Giá trị điện-on-thiết lập lại cho AUX_VDDIO là 0 30

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.6: Hệ khối lượng- lò xo được sử dụng đo gia tốc 16 Hình 1.7: Mô hình một tụ điện đơn(ben trái) và hai tụ nối tiếp 17 Hình 2.1: Sơ đồ hình khối I / O Levels kết nối cho AUX_VDDIO = 0) 31 Hình 2.2: Hình khối sơ đồ mức logic cho AUX_VDDIO = 1 32 Hình 2.3: Định hướng của các trục cảm biến và cực quay 33

Hình 3.6: Mạch in cảm biến, nguồn và cổng kết nối 36

Hình 5.1: Thiết bị quay 39 Hình 5.2: Hình hiển thị phần mềm điều khiển bàn quay 39

Hình 5.5: Bàn quay đang ở vị trí 900

43

cả các thiết bị điện tử cần thiết trên một chíp Kỹ thuật sản xuất cho sản phẩm này là những thiết bị cao cấp có khối lượng xử lý trong nhiều lĩnh vực, với độ tin cậy đã được chứng minh Các con quay hồi chuyển cấp công nghiệp là 100% pin gói, nhiệt

độ và chức năng tương thích với các liên quan cấp chuyển động ADXRS620 và ADXRS622 ADXR6050 con quay hồi chuyển

Với nội dung “Hệ thống theo dõi chuyển động của xe ôtô sử dụng cảm

biến gia tốc” Luận văn của tôi gồm các phần sau:

Chương I: Giới thiệu nghiên cứu theo dõi chuyển động của xe ô tô

Chương II: Vi cảm biến gia tốc IMU công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS

Chương III: Thiết kế phần cứng

Chương IV:Phần mền điều khiền

Chương V: Thí nghiệm hoạt động hệ thống

Chương VI: Kết luận

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU NGHIÊN CỨU THEO DÕI CHUYỂN ĐỘNG

CỦA Ô TÔ

1.1 Theo dõi chuyển động ô tô

Chắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những chiếc xe đủ kiểu dáng, đủ màu sắc chen chúc trong “dòng sông ôtô” khi đường tắc hoặc thấy chúng bám đuôi nhau lao vun vút trên đường cao tốc Nhưng có lẽ ít ai hiểu rõ, khi chuyển động, nhất là ở tốc độ cao, ôtô đã chịu tác động của những lực nào Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải khắc phục nhiều loại lực cản: lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi xe lao như bay về phía trước Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn Còn lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất mà chúng tôi muốn đề cập đến trong bài này

Hiệu quả khí động học của một chiếc xe được xác định bởi hệ số cản (Cd) của nó Nói một cách đơn giản, hệ số cản là ảnh hưởng của hình dạng chiếc xe đối với sức cản của không khí khi xe chạy Theo lý thuyết, một mặt cầu kim loại có Cd bằng 1.0, nhưng nếu tính đến hiệu ứng nhiễu loạn của không khí phía sau nó thì giá trị đó xấp xỉ 1.2 Hệ số khí động học thấp nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt nước Hệ số cản có giá trị 0.05 Tuy nhiên chúng ta khó có thể chế tạo một chiếc xe

giống như thế Những chiếc xe hiện đại thường có hệ số cản Cd vào khoảng 0.47

Lực cản tỷ lệ với hệ số cản, diện tích mũi xe và bình phương vận tốc của phương

tiện

Đường ô tô ở những chỗ quanh thường phải làm nghiêng Khi xe ôtô đi đến chỗ quanh, nó chịu tác dụng của trọng lượng P và phản lực Q của mặt đường, lực này vuông góc với mặt đường Hợp lực của hai lực này hướng vào tâm làm cho ô tô chuyển động tròn đều một cách dễ dàng

Lực bám-một lực mơ hồ từ cách dịch thuật, thực chất nó là lực ma sát tĩnh giữa lốp xe với mặt đường, lực này tỉ lệ với tải trọng đè lên lốp xe và hệ số bám Hệ số bám lại phụ thuộc vào đặc tính lốp (áp suất lốp, hoa lốp, độ mòn lốp ), điều kiện mặt đường

Vai trò của lực bám thể hiện qua biểu thức sau: lực cản < lực kéo < lực bám Đây gọi là điều kiện chuyển động của ô tô Lực cản bao gồm lực cản gió, lực cản leo dốc, lực ma sát trong hệ thống truyền động, lực ma sát với mặt đường (ma sát lăn) Lực kéo là lực phát ra từ động cơ và lực bám thực chất là lực ma sát tĩnh Ảnh hưởng của việc mất lực bám: Ảnh hưởng đầu tiên là khả năng bó cứng bánh

xe làm mất ổn định chuyển động của xe Điều kiện bó cứng bánh xe là lực phanh lớn hơn lực bám Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi xe vào cua.Khi đó, chính lực

ly tâm sẽ xô ngang phần đuôi hoặc đầu xe (tùy 2 bánh sau hay trước bị mất lực bám) Nghĩa là khi mất lực bám, quán tính của phần thân xe sẽ làm bánh xe trượt lê trên mặt đường

Chẳng có gì đáng nói nếu bánh xe chuyển động thẳng tuyệt đối Tuy nhiên, bánh

xe khi chuyển động luôn chịu thành phần lực ngang và lực này làm văng xe qua một bên, gây mất kiểm soát lái Tất nhiên, điều đó không phải lúc nào cũng có hại Như trong nghệ thuật drift xe hay kỹ năng điều khiển xe qua khúc cua tay áo mà không cần phải giảm tốc đến mức thấp nhất

Người lái phanh gấp 2 bánh xe trước làm cho đuôi xe bị hất lên, trọng tâm xe lúc

đó bị dồn về phía đầu xe, nghĩa là tải trọng đề lên 2 bánh sau bị giảm làm giảm lực bám nên bánh xe rất dễ bị bó cứng Khi đó, chỉ cần kéo phanh tay để làm bánh sau

bị bó cứng và xe bị trượt ngang do lực ly tâm

Kết quả của quá trình trượt giúp thân xe nắm đúng hướng của đoạn đường khi qua khỏi cua (có thể kết hợp đánh lái nhẹ) Về nguyên nhân gây mất lực bám thì rất nhiều nguyên nhân mà cơ bản là sự giảm tải trọng đè lên bánh xe và giảm hệ số bám.Về biện pháp khắc phục cũng có rất nhiều như sử dụng ABS, BAS, ESP…

1.2 Nhu cầu và hiện trạng giao thông hiện nay

Tính an toàn chuyển động của ôtô là tính chất tổng hợp nhằm giảm xác suất phát sinh tai nạn giao thông và giảm thiểu tổn thất về vật chất và con người khi xảy

ra tai nạn giao thông An toàn chuyển động của ôtô phải được coi là một trong các tính chất khai thác quan trọng nhất bởi nó ảnh hưởng tới đời sống và sức khoẻ con người, tới chất lượng ôtô, hàng hoá chuyên chở và các công trình giao thông

Ở nước ta, ước tính số tai nạn giao thông hàng năm rất cao.Trong đầu năm đến nay, cả nước xảy ra gần 15.000 vụ tai nạn giao thông (TNGT), làm chết trên 11.000 người, bị thương hơn 10.500 người So với năm 2009 tăng 1.788 vụ, giảm

47 người chết và tăng khoảng 2.500 người bị thương Trong đó đường bộ xảy ra nhiều TNGT nhất Nếu tính trung bình thì số người thiệt mạng mỗi ngày do TNGT

là hơn 31 người Riêng TP.HCM năm 2010 có 785 người chết, giảm 74 người; Hà Nội có 735 người chết, giảm 89 người Do đó việc giám sát chuyển động của ôtô để đưa ra các cảnh báo nhằm giảm thiểu các tai nạn là một vấn đề hết sức cần thiết

1.3 Các phương pháp cảnh báo, đề xuất hướng giải quyết ứng dụng MEMS

Phát hiện các tai nạn giao thông bằng hệ thống phát hiện và cảnh báo chuyển động để hỗ trợ giúp người điều khiển phương tiện là điều rất cần thiết để tránh những hậu quả đáng tiếc Giải pháp là sẽ sử dụng thiết bị cảnh báo đặt ở các vị trí thuận tiện giám sát trên xe để người điều khiển phương tiện biết được chuyển động khi xe đang lưu thông Lúc đó, chuyển động của xe được theo dõi thông qua các cảm biến gia tốc đặt ở vị trí trên xe Khi hệ thống làm việc, mọi chuyển động của

xe sẽ được theo dõi và xử lý Việc phân tích chuyển động quay của xe sẽ được thực hiện hoàn toàn tự động nếu phát hiện xe đang chuyển động với góc quay, đầu ra của

hệ thống cảm biến sẽ lập tức đưa ra cảnh báo với độ chính xác cao.

1.3.1 Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS

Trong các ngành công nghiệp có thể tóm tắt như sau: Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết

bị định hướng cho tên lửa và các phương tiện vận tải Hiển thị: Các màn hình độ phân giải cao dùng các vi gương cho các thiết bị điện tử Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy in laser đen trắng và mầu Các

sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học Chuyển mạch cho thông tin quang sợi: Internet, truyền hình và thông tin giải rộng dùng cáp quang Vi van: Các

hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến

1.3.2 Các ứng dụng thử nghiệm đo rung của công nghệ MEMS

Hệ đo rung thời gian thực này không chỉ áp dụng cho bài toán INS/GPS mà còn có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nữa mà ở đó không có sẵn cảm biến gia tốc

Hệ INS/GPS cần lắp đặt tại trọng tâm xe trong khi khối đo rung có thể đặt gần động cơ

Cảm biến gia tốc có sẵn trong khối đo quán tính chỉ có thể cho dữ liệu ra tối

đa là 64 mẫu/s, là không đủ khi đo rung tần số cỡ vài chục Hz trở lên

Hình dưới mô tả đầu ra của cảm biến gia tốc lắp đặt theo phương thẳng đứng (vuông góc với sàn xe) trong khoảng thời gian hơn 20 phút Thí nghiệm theo chủ ý gồm ba pha: xe đứng yên và động cơ chưa nổ máy, xe đứng yên với động cơ đã được nổ máy và xe chuyển động trên quỹ đạo hai chiều

Khi xe đứng yên và không bật máy thì đầu ra của cảm biến vẫn có tín hiệu với độ lớn đáng kể Sự dao động này được quyết định bởi chất lượng của cảm biến, thường thì tất cả các cảm biến được chế tạo bởi công nghệ vi điện tử đều bị tác động bởi các rung nền này

Hình 1.1 Đầu ra của cảm biến AZ

Có thể nhận thấy sự khác biệt rõ nét giữa pha 1 (xe đứng yên - tắt máy) và pha

2 (xe đứng yên - nổ máy) thông qua các tần số Đó chính là các tần số rung gây nên bởi việc nổ máy xe ôtô Tín hiệu ở các tần số này đương nhiên sẽ được đưa vào khối dẫn đường quán tính và có thể gây nên sai lệch thông tin đầu ra (vị trí, vận tốc

và góc tư thế) Rõ ràng là nếu các dao động do động cơ ôtô gây nên không nằm trong dải tần hoạt động của IMU khi chuyển động thì ta có thể loại trừ các dao động này nhờ sử dụng các bộ lọc số trên PC-box Còn nếu như các dao động do động cơ ôtô gây nên nằm trong dải tần hoạt động của IMU thì chúng ta chỉ có thể giảm bớt các tác động do rung xóc nhờ kỹ thuật cơ học khi lắp đặt IMU

1.4 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS

Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, các chi tiết vi cơ Mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic do đó xu hướng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương

tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình Tuy nhiên các linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng (công nghệ planar nghĩa là phẳng) còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v…

Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có một phần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu

có tính chất thích hợp thí dụ có chi tiết cần đàn hồi như lò xo, có chi tiết cần rất cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện May mắn là trên cơ sở silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, thí dụ oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si3N4) vừa cứng vừa đàn hồi Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phun xạ để tạo những lớp chất đặc biệt như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v… Có thể kể đến một số phương pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS như sau:

1.4.1 Gia công vi cơ khối

Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v

Hình 1.2: Minh hoạ cảm biến áp suất vi cơ khối

Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:

Ăn mòn ướt: Thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn nhờ các mặt nạ (mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH Việc

ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc dị hướng (cóhướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm)

Ăn mòn khô: Ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng

thường là ở nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá

* Gia công vi cơ bề mặt

Thí dụ để trên phiến silic cần tạo ra một dầm đa tinh thể silic một đầu cố định, một đầu tự do có thể làm theo các giai đoạn sau:

Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic

Dùng mặt nạ 1 khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn và đẩy đầu cố định của dầm

Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để khắc hình khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm

Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhưng không hoà tan silic) ta có được dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do

Hình 1.3: Công đoạn gia công bề mặt

Trong thí dụ trên có những lớp chế tạo ra như lớp SiO2 chỉ có vai trò trong một giai đoạn gia công, sau đó lại hoà tan để loại bỏ Người ta gọi đó là lớp hi sinh

* Gia công bằng tia laze

Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thường chỉ dùng để làm khuôn Laze dùng là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer

* Liga

Hình

LIGA là từ ghép các chữ đầu của Lithgraphie Galvanofruning und Abformung, tiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn Đây là kỹ thuật tạo ra các hệ

vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở các cách khắc hình bình thường

Ở LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm đến hàng milimet Chất cảm thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm theo những diện tích nhất định, làm biến chất chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bị hoà tan Vì trong kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X có thể

đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromet nhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch, những chỗ chất cảm bị hoà tan đi có thể rất sâu, hình khắc thực sự là ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở quang khắc thông thường

1.5 Tổng quan cảm biến MEMS

Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối những năm

50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa

hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp hệ thống vi cơ điện tử Tuy rằng

MEMS mới ra đời chưa lâu nhưng đã có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội

1.5 1 Cấu trúc của Vi cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc

Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS

Hình 1.4: Sơ đồ một hệ đo gia tốc

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước đây Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa

chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

Hình 1.5: Các kiểu cảm biến gia tốc

1.5.2 Ứng dụng của cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng Một vài những ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc vi cơ

Cảm biến góc Roll –Pitch

Định hướng 3D trong không gian

Phát hiện va chạm: những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển

giúp phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm

Đo và điều khiển mức rung

Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị

Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người

Tụ điện phẳng

• Gia tốc

Gia tốc là sự thay đổi của vận tốc theo thời gian Vận tốc đến lượt nó lại đo sự thay đổi của độ dịch chuyển theo thời gian Lực trọng trường là nguyên nhân gây ra gia tốc rơi tự do và gia tốc này bằng 9.81 m/s2(1g) Gia tốc thường được tính thông

qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F = ma Ở đó F là lực gây ra gia tốc, m là khối lượng, a là gia tốc Lực có đơn vị là N, m có đơn vị là gam (g), a có đơn vị là m/s2 Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định được giá trị của lực tác dụng lên một khối vật thể đã biết trước Một cách tiếp cận khác để tính toán gia tốc đó là : Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian

Gia tốc cũng có thể được xác định một cách dễ dàng nhờ một dụng cụ đơn giản như sau

Hình 1.6 Hệ khối lượng – lò xo được sử dụng để đo gia tốc

1.5.3 Nguyên tắc hoạt động của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ

Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua

lò xo Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch chuyển Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò

xo F = kx, với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với

vị trí cân bằng Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này cung cấp cho khối lượng m có một gia tốc a theo công thức F = ma Tại

vị trí cần bằng ta có F = ma = kx Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

Hình 1.7 Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải).

Điện dung của tụ điện đơn là C=

CHƯƠNG II VI CẢM BIẾN GIA TỐC IMU - CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

CÁC SẢN PHẨM MEMS

2.1 Tổng quan MPU-60X0

Giao diện chuyển động™ đang trở thành một chức năng "buộc phải có" được chấp nhận bởi các nhà sản xuất điện thoại thông minh và máy tính bảng do giá trị to lớn nó làm tăng thêm kinh nghiệm người dùng cuối Trong điện thoại thông minh, nó tìm thấy sử dụng trong các ứng dụng như ra lệnh bằng cử chỉ cho các ứng dụng và kiểm soát điện thoại, chơi game nâng cao, tăng cường thực tế, chụp và xem ảnh toàn cảnh, và sự chuyển hướng của người đi bộ và xe Với khả năng theo dõi tỉ

mỉ và chính xác chuyển động của người dùng công nghệ Theo dõi chuyển động có

thể chuyển đổi thiết bị cầm tay và máy tính bảng vào các thiết bị thông minh 3D mạnh mẽ có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ theo dõi sức khỏe

và tập thể dục với các dịch vụ dựa trên địa điểm Yêu cầu then chốt cho thiết bị kích hoạt giao diện chuyển động là có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, độ chính xác cao và độ lặp lại, khả năng chịu va đập cao, và ứng dụng cụ thể hiệu suất lập trình - tất cả với một mức giá tiêu dùng thấp

MPU-60X0 là thiết bị Theo dõi chuyển động 6 trục tích hợp đầu tiên trên thế giới kết hợp 3 trục con quay hồi chuyển, gia tốc 3 trục, và một bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số (DMP) tất cả trong một gói nhỏ kích thước 4x4x0.9mm Với bus (một tập hợp các dây mang thông tin từ một phần của một hệ thống máy tính khác) cảm biến I2C chuyên dụng, nó trực tiếp chấp nhận đầu vào từ một la bàn 3 trục bên ngoài để cung cấp một đầu ra hoàn thành 9 trục MotionFusion ™ Thiết bị MotionTracking MPU-60X0, với việc tích hợp 6 trục của nó, trên bộ phận MotionFusion ™, và thời gian chạy phần mềm hiệu chỉnh, cho phép các nhà sản xuất loại bỏ các lựa chọn tốn kém và phức tạp của các thiết bị riêng biệt, và hội nhập cấp hệ thống các thiết bị rời rạc, đảm bảo chuyển động tối ưu hiệu suất cho người tiêu dùng MPU-60X0 cũng được thiết kế để kết nối với nhiều cảm biến kỹ thuật số không quán tính, chẳng hạn như cảm biến áp suất, trên cổng I2 phụ trợ MPU-60X0 là dấu chân tương thích với gia đình MPU-30X0

MPU-60X0 làm nổi bật ba máy biến tương tự số 16-bit (ADC) cho việc số hóa các kết quả đầu ra con quay hồi chuyển và ba ADC 16-bit cho số hóa các kết quả đầu ra gia tốc Để theo dõi chính xác cả hai chuyển động nhanh và chậm, các bộ phận có sử dụng lập trình con quay hồi chuyển đầy đủ quy mô ± 250, ± 500, ±

1000, và ± 2.000 ° / giây (dps) và một người sử dụng lập trình gia tốc đầy đủ quy

mô ± 2g, ± 4g, ± 8g, và ± 16g

Một chip 1024 Byte đệm FIFO giúp tiêu thụ điện năng hệ thống thấp hơn bằng cách cho phép bộ vi xử lý hệ thống để đọc dữ liệu cảm biến trong các tín hiệu xung và sau đó nhập vào một chế độ công suất thấp như MPU thu thập nhiều dữ liệu hơn Với tất cả việc xử lý trên chip cần thiết và các thành phần cảm biến cần thiết để hỗ trợ nhiều người sử dụng dựa trên chuyển động trường hợp, MPU-60X0 duy nhất cho phép các ứng dụng MotionInterface điện năng thấp trong các ứng dụng di động với việc giảm thiểu yêu cầu xử lí cho các bộ xử lý hệ thống Bằng cách cung cấp một sản lượng MotionFusion tích hợp, DMP trong giảm tải MPU-

60X0 các yêu cầu tính toán chuyên sâu MotionProcessing từ xử lý hệ thống, giảm thiểu sự cần thiết phải kiểm tra vòng thường xuyên của các đầu ra cảm biến chuyển động

Thông tin liên lạc với tất cả các thanh ghi của thiết bị được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc I2C tại 400kHz hoặc SPI tại 1MHz (chỉ MPU-6000) Đối với các ứng dụng đòi hỏi phải có thông tin liên lạc nhanh hơn, các cảm biến và các thanh ghi ngắt có thể được đọc sử dụng SPI ở 20MHz (chỉ MPU-6000) Các tính năng khác bao gồm một bộ cảm biến nhiệt độ được nhúng và một bộ dao động trên chip với ± 1% biến động trên phạm vi nhiệt độ hoạt động Bằng cách tận dụng bằng sáng chế và khối lượng đã được chứng minh nền tảng Nasiri-Fabrication của nó, được tích hợp tấm MEMS với bộ phận đi cùng CMOS điện tử thông qua liên kết cấp, InvenSense đã thúc đẩy các gói kích thước MPU-60X0 xuống còn 4x4x0.9mm (QFN), trong khi cung cấp một hiệu suất cao nhất, tiếng ồn thấp nhất, và đóng gói bán dẫn chi phí thấp nhất cần thiết cho người tiêu dùng thiết bị điện tử cầm tay Bộ phận chịu cú sốc mạnh 10.000g, có thể lập trình thấp qua các bộ lọc cho các con quay hồi chuyển, gia tốc và cảm biến nhiệt độ trên chip Đối với sự cung cấp điện linh hoạt, MPU-60X0 hoạt động từ nguồn điện VDD phạm vi điện áp 2.375V-3.46V Ngoài ra, MPU-6050 cung cấp một tham chiếu pin VLOGIC (ngoài cung cấp tương tự pin của nó: VDD), thiết lập mức logic của giao diện I2C của nó Điện

áp VLOGIC có thể là 1.8V ± 5% hoặc VDD MPU-6000 và MPU-6050 là giống hệt nhau, ngoại trừ các MPU-6050 hỗ trợ I2

C giao diện nối tiếp duy nhất, và có một pin tham chiếu riêng biệt VLOGIC MPU-6000 hỗ trợ cả giao diện I2C và SPI và có một pin duy nhất cung cấp, VDD, vừa cung cấp nguồn tài liệu tham chiếu logic của thiết bị và cung cấp tương tự cho các phần Bảng dưới đây chỉ ra những khác biệt này:

Sự khác biệt chính giữa MPU-6000 và MPU-6050

Part/ ltem MPU-6000 MPU-6050

Bảng 2.1: Nguồn, thiết bị logic giao diệnĐặc điểm kỹ thuật: sản phẩm này cung cấp thông tin tiên tiến liên quan đến các đặc điểm kỹ thuật điện và thiết kế thông tin liên quan cho các thiết bị MPU-

6000 ™ và MPU-6050 ™ MotionTracking ™, gọi chung là các MPU-60X0 ™ hoặc MPU ™ Đặc tính điện được dựa trên phân tích thiết kế và chỉ có kết quả mô phỏng Thông số kỹ thuật có thể thay đổi mà không báo trước Thông số kỹ thuật cuối cùng sẽ được cập nhật dựa theo đặc tính của sản xuất silicon

MPU-60X0 bao gồm các khối và các chức năng then chốt sau đây:

Con quay hồi chuyển cảm biến MEMS ba-trục tỷ lệ với ADC 16-bit và điều chỉnh tín hiệu

Cảm biến gia tốc MEMS ba-trục với ADC 16-bit và điều chỉnh tín hiệu Chuyển động xử lý kỹ thuật số (DMP) động cơ

Giao diện truyền thông nối tiếp I2C và SPI cơ bản (chỉ MPU-6000)

Phụ trợ giao diện nối tiếp I2C cho từ kế thứ 3 và cảm biến khác

Đo thời gian

Các thanh ghi dữ liệu cảm biến

FIFO (first in ▪ first out) vào trước ra trước

Ngắt

Nhiệt độ kỹ thuật số, đầu ra cảm biến

Con quay hồi chuyển và gia tốc tự kiểm tra

Điện áp lệch và LDO

Nạp điện

2.2 ứng dụng

Công nghệ BlurFree ™ (cho Video / Ảnh tĩnh ổn định)

Công nghệ AirSign ™ ( Dành cho An ninh / Xác nhận)

Công nghệ TouchAnywhere ™ (cho kiểm soát ứng dụng giao diện

người dùng “không chạm” / Danh mục chính)

Công nghệ MotionCommand ™ (cho những cử chỉ tắt)

Trò chơi cho phép chuyển động và khung ứng dụng

Nhận diện cử chỉ InstantGesture ™iG ™

Dịch vụ định vị, các địa điểm quan tâm, định vị bằng la bàn

Thiết bị cầm tay và chơi game cầm tay

Điều khiển trò chơi dựa trên chuyển động

Điều khiển từ xa 3D cho DTVs kết nối Internet và hộp giải mã, chuột 3D Cảm biến Wearable cho sức khỏe, tập thể dục và thể thao

Đồ chơi

2.3 Các tính năng con quay hồi chuyển

Các con quay hồi chuyển ba trục MEMS trong MPU-60X0 bao gồm một loạt các tính năng:

Kỹ thuật số đầu ra X, Y, và trục cảm biến tốc độ góc Z (con quay hồi chuyển) với đầy đủ phạm vi quy mô sử dụng lập trình của ± 250, ± 500, ± 1000, và

Người dùng tự kiểm tra

2.3.1 Các tính năng gia tốc

Gia tốc MEMS ba trục trong MPU-60X0 bao gồm một loạt các tính năng:

Kỹ thuật số đầu ra gia tốc ba trục với đầy đủ quy mô phạm vi lập trình của ± 2g, ± 4g, 8g và ± 16g

Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời của gia tốc trong khi không cần đa kết nối bên ngoài

Dòng điện vận hành Gia tốc: 500μA

Điện năng thấp vận hành chế độ gia tốc: 10μA tại 1.25Hz, 20μA tại 5Hz, 60μA tại 20Hz, 110μA tại 40Hz

Phát hiện Định hướng và tín hiệu

Nhận diện chạm (gõ)

Người dùng có thể lập trình ngắt

Ngắt High-G

Người dùng tự kiểm tra

2.3.2 Tính năngMPU-60X0 bao gồm các tính năng bổ sung:

MotionFusion 9 trục bởi bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số trên chip (DMP)

Bộ nối I2C phụ để đọc dữ liệu từ các cảm biến bên ngoài (ví dụ như từ kế) Dòng điện hoạt động 3.9mA khi tất cả các chuyển động 6 trục cảm biếnvà DMP được kích hoạt

VDD cung cấp dải điện áp 2.375V-3.46V

Điện áp tham chiếu VLOGIC linh hoạt hỗ trợ nhiều điện áp giao diện I2

C (chỉ MPU-6050)

Gói QFN nhỏ nhất và mỏng nhất cho các thiết bị di động: 4x4x0.9mm

Độ nhạy trục chéo tối thiểu giữa gia tốc và con quay hồi chuyển trục Đệm FIFO 1024 byte làm giảm tiêu thụ điện năng bằng cách cho phép bộ

vi xử lý máy chủ để đọc dữ liệu các tín hiệu và sau đó đi vào một chế độ công suất thấp như MPU thu thập nhiều dữ liệu hơn

Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số đầu ra

Bộ lọc kỹ thuật số người dùng có thể lập trình cho con quay hồi chuyển, gia tốc, cảm biến nhiệt độ

Cho phép sốc 10,000g

Chế độ nhanh I2C 400kHz để giao tiếp với tất cả các thanh ghi

Giao diện nối tiếp 1MHz SPI để giao tiếp với tất cả các thanh ghi (chỉ 6000)

MPU-Giao diện nối tiếp SPI 20MHz để đọc cảm biến và gián đoạn các thanh ghi (chỉ MPU-6000)

Cơ cấu MEMS đóng kín và kết nối ở cấp wafer (lát bán dẫn)

FIFO đệm bộ dữ liệu hoàn chỉnh, giảm yêu cầu thời gian trên bộ vi xử lý

hệ thống bằng cách cho phép bộ vi xử lý tín hiệu đọc dữ liệu FIFO Sau khi tín hiệu đọc dữ liệu FIFO, hệ thống xử lý có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách nhập một chế độ ngủ tiết kiệm điện trong khi MPU thu thập nhiều dliệu hơn

Lập trình ngắt hỗ trợ các tính năng như nhận dạng cử chỉ, di chuyển màn hình, phóng to thu nhỏ, di chuyển, phát hiện không chuyển động, phát hiện chạm,

và phát hiện rung lắc

Các bộ lọc thông thấp lập trình kỹ thuật số

Chức năng đo bước công suất thấp cho phép bộ vi xử lý máy chủ ở chế

độ ngủ trong khi DMP duy trì bước đếm

Máy phát thời gian trên chip ± 1% thay đổi tần số trên phạm vi nhiệt độ đầy đủ

Đầu vào của đồng hồ bên ngoài tùy chọn ở mức 32.768kHz hoặc 19.2 MHz SPI Thời gian đặc tính (MPU-6000) mạch hoạt động điển hình, VDD = 2.375V-3.46V, VLOGIC (MPU-6050) = 1.8V ± 5%VDD, TA = 25 ° C,

Parameters Conditions Min Typical Max Units Notes

SPI TIMING

fSCLK, SCLK Clock Frequency

tLOW, SCLK Low Period

tHIGH, SCLK High Period

tSU.CS, CS Setup Time

t HD.CS, CS Hold Time

tSU.SDI, SDI Setup Time

t HD.SDI, SDI Hold Time

tVD.SDO, SDO Valid Time

t HD.SDO , SDO Hold Time

t DIS.SDO, SDO Output Disable

Time

Cload = 20pF Cload = 20pF

2.5 Con quay hồi chuyển MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu

MPU-60X0 bao gồm ba con quay hồi chuyển tốc MEMS rung độc lập,

mà có thể phát hiện vòng quay của trục X, Y, và Z Khi con quay được quay về bất

kỳ trục cảm biến nào thì hiệu ứng Coriolis gây ra một sự rung động được phát hiện bởi phần chọn lọc điện dung Tín hiệu kết quả được khuếch đại, điều chế, và lọc để sản xuất một điện áp tỷ lệ với tốc độ góc Điện áp này được số hóa sử dụng cá nhân trên chip bộ đổi tương tự ra số tự 16-bit (ADC) để lấy mẫu mỗi trục Quy mô đầy

đủ của các bộ các cảm biến con quay có thể được lập trình kỹ thuật số đến ± 250, ±

500, ± 1000, hoặc ± 2000 độ mỗi giây (dps) Tỷ lệ mẫu ADC có thể lập trình từ 8.000 mẫu mỗi giây, giảm xuống còn 3,9 mẫu trong một giây, và bộ lọc thông thấp lựa chọn người dùng cho phép một loạt các tần số ngắt

2.5.1 Gia tốc kế MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu

Gia tốc kế 3 trục của MPU-60X0 sử dụng khối lượng bằng chứng riêng biệt cho mỗi trục Gia tốc trên cùng một trục đặc biệt gây ra sự dịch chuyển trên khối lượng bằng chứng tương ứng, và cảm các biến điện dung phát hiện độ dịch chuyển theo kiểu khác Cấu trúc của MPU-60X0 làm giảm tính nhạy cảm của gia tốc xuống biến thiên chế tạo cũng như trôi nhiệt Khi thiết bị được đặt trên một bề mặt bằng phẳng, nó sẽ đo 0g trên trục X và Y và +1g trên trục Z Yếu tố quy mô gia tốc được hiệu chỉnh tại nhà máy và trên danh nghĩa độc lập với điện áp cung cấp Mỗi cảm biến có một Sigma-delta ADC chuyên dụng để cung cấp kết quả đầu ra kỹ thuật số Phạm vi quy mô đầy đủ của đầu ra kỹ thuật số có thể được điều chỉnh đến

± 2g, ± 4g, ± 8g, hoặc ± 16g

Các bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số nhúng (DMP) nằm trong MPU - 60X0 và giảm tải việc tính toán của thuật toán xử lý chuyển động từ bộ vi xử lý máy chủ DMP thu dữ liệu từ gia tốc, con quay hồi chuyển, và cảm biến thứ 3 bổ sung như từ kế, và các quá trình xử lí dữ liệu Các kết quả dữ liệu có thể được đọc

từ sổ của DMP, hoặc có thể được đệm trong một FIFO DMP đã truy cập vào một trong những chốt bên ngoài MPU, mà có thể được sử dụng để tạo ra ngắt Mục đích của DMP là để giảm tải cả hai yêu cầu thời gian và xử lý điện năng từ bộ vi xử lý máy chủ Thông thường, thuật toán xử lý chuyển động nên được chạy với tốc độ cao, thường xung quanh 200Hz, để cung cấp kết quả chính xác với độ trễ thấp Điều này là cần thiết ngay cả khi cập nhật ứng dụng với tốc độ thấp hơn nhiều Ví dụ: một giao diện người sử dụng điện năng thấp có thể cập nhật chậm khoảng 5Hz, nhưng việc xử lý chuyển động vẫn nên chạy ở 200Hz DMP có thể được sử dụng như một công cụ để giảm thiểu năng lượng, đơn giản hóa thời gian, đơn giản hóa kiến trúc phần mềm, và tiết kiệm MIPS có giá trị trong việc xử lý để sử dụng trong các ứng dụng

MPU-60X0 giao tiếp với một bộ xử lý hệ thống bằng cách sử dụng một SPI (chỉ MPU-6000) hoặc một giao diện nối tiếp I2C MPU-60X0 luôn luôn hoạt động như một hệ thụ động khi giao tiếp với các bộ xử lý hệ thống LSB của địa chỉ

hệ thụ động I2C được thiết lập bởi chân chip 9 (AD0) Các mức logic cho thông tin liên lạc giữa các MPU-60X0 và máy chủ của nó là như sau:

MPU-6000: Mức logic cho thông tin liên lạc với máy chủ được thiết lập bởi điện áp trên VDD

MPU-6050: Mức logic cho thông tin liên lạc với máy chủ được thiết lập

bởi điện áp trên VLOGIC Để biết thêm thông tin về các mức logic của MPU6050

MPU-60X0 có một bus I2C (bộ nối, mạch nối) phụ trợ cho giao tiếp với một chíp ngắt (bộ vi xử lí trung tâm ngắt) từ kế đầu ra kỹ thuật số 3 trục hoặc các cảm biến khác Bus này có hai chế độ hoạt động:

Chế độ Master I2

C MPU-60X0 hoạt động như một máy chủ đối với bất

kỳ bộ cảm biến bên ngoài kết nối với bus I2C phụ trợ

Chế độ truyền qua: MPU-60X0 kết nối trực tiếp các bus I2C chính và phụ trợ với nhau, cho phép bộ vi xử lý hệ thống trực tiếp giao tiếp với bất kỳ bộ cảm biến bên ngoài nào Chế độ Bus I2C phụ trợ hoạt động như sau:

Chế độ Master I2

C: Cho phép MPU-60X0 trực tiếp truy cập bộ ghi dữ liệu của các cảm biến kỹ thuật số bên ngoài, chẳng hạn như một từ kế Trong chế độ này, MPU-60X0 trực tiếp thu số liệu từ các cảm biến phụ trợ, cho phép DMP trên chip để tạo ra dữ liệu kết hợp bộ cảm biến mà không cần sự can thiệp từ ứng dụng

Chế độ truyền qua: Cho phép một bộ xử lý hệ thống bên ngoài hoạt động như máy chủ và trực tiếp giao tiếp với các bộ cảm biến bên ngoài kết nối với các chân bus I2C phụ trợ (AUX_DA và AUX_CL) Trong chế độ này, logic điều khiển bus I2C phụ trợ (khối giao diện cảm ứng bên 3) của MPU-60X0 bị vô hiệu hóa, và các chân I2C phụ trợ AUX_DA và AUX_CL (Các chân 6 và 7) được kết nối với bus I2C chính (Các chân 23 và 24) thông qua chuyển mạch tương tự Chế độ truyền qua rất hữu ích cho việc cấu hình các bộ cảm biến bên ngoài, hoặc để giữ cho các MPU-60X0 trong một chế độ công suất thấp khi chỉ có các cảm biến bên ngoài được sử dụng Trong chế độ Pass-Through bộ vi xử lý hệ thống vẫn có thể truy cập dữ liệu MPU-60X0 qua giao diện I2

C Các mức logic IO Bus I2C phụ trợ MPU-6000: Mức logic của Bus I2C phụ trợ là VDD

MPU-6050: Mức logic của Bus I2C phụ trợ có thể được lập trình bởi hoặc VDD hoặc VLOGIC

2.5.2 Tự kiểm tra

Tự kiểm tra cho phép việc thử nghiệm các phần cơ khí và điện tử của các

bộ cảm biến Tự kiểm tra cho mỗi trục đo có thể được kích hoạt bằng phương tiện của các con quay hồi chuyển và gia tốc ghi tự kiểm tra (ghi 13 đến 16)

Khi việc tự kiểm tra được kích hoạt, các thiết bị điện tử gây ra các cảm biến được kích hoạt và tạo ra một tín hiệu đầu ra.Tín hiệu đầu ra được sử dụng để quan sát phản ứng tự kiểm tra

Phản ứng tự kiểm tra được quy định như sau: Phản ứng tự kiểm tra bằng sản lượng cảm biến với tự kiểm tra được kích hoạt, sản lượng cảm biến mà không

tự kiểm tra kích hoạt

Phản ứng tự kiểm tra cho mỗi trục gia tốc được xác định trong bảng đặc điểm kỹ thuật gia tốc trong khi đó đối với mỗi trục con quay hồi chuyển được định nghĩa trong bảng đặc điểm kỹ thuật con quay hồi chuyển Khi giá trị của các phản ứng tự kiểm tra nằm trong giới hạn min / max của các đặc điểm kỹ thuật sản phẩm, phần có thông qua tự kiểm tra Khi phản ứng tự kiểm tra vượt quá giá trị min / max, thì một phần được coi là đã thất bại tự kiểm tra Mã cho hoạt động đang tự kiểm tra được bao gồm trong các phần mềm được cung cấp bởi MotionApps

nhịp nội bộ là:

Một bộ dao động tích thoát nội bộ

Con quay hồi chuyển trục X, Y, hoặc Z bất kỳ (dao động MEMS với một biến thể của ± 1% so với nhiệt độ)

Các nguồn nhịp bên ngoài cho phép là:

Sóng vuông 32.768kHz

Sóng vuông 19.2MHz

Sự lựa chọn các nguồn để tạo ra nhịp đồng bộ nội bộ phụ thuộc vào các nguồn sẵn có bên ngoài và các yêu cầu về tiêu thụ năng lượng và độ chính xác nhịp Những yêu cầu này sẽ có thể khác nhau tùy theo chế độ hoạt động Ví dụ, trong một chế độ, khi mà mối quan tâm lớn nhất là tiêu thụ năng lượng, thì người dùng có thể muốn vận hành bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số của MPU-60X0 để xử lý dữ liệu gia tốc, trong khi đã ngắt con quay hồi chuyển Trong trường hợp này, bộ dao động tích thoát nội bộ là một sự lựa chọn nhịp rất tốt Tuy nhiên, trong chế độ khác, nơi

mà các con quay hồi chuyển đang hoạt động, việc chọn con quay hồi chuyển như nguồn nhịp cung cấp cho một nguồn nhịp chính xác hơn Nhịp chính xác là rất quan trọng, vì lỗi thời gian trực tiếp ảnh hưởng đến khoảng cách và góc tính toán thực hiện bởi bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số (bởi độ giãn, bởi bất kỳ bộ xử lý nào) Ngoài ra còn có các điều kiện khởi động để xem xét Khi MPU-60X0 đầu tiên khởi động, các thiết bị sử dụng các nhịp nội bộ của nó cho đến khi được lập trình để hoạt động từ nguồn khác Điều này cho phép người sử dụng, ví dụ như, để chờ đợi cho các bộ dao động MEMS ổn định trước khi chúng được chọn là nguồn nhịp

2.6 Các thanh ghi dữ liệu cảm biến

Các thanh ghi dữ liệu cảm biến chứa con quay hồi chuyển mới nhất, gia tốc, cảm biến phụ trợ, và dữ liệu đo lường nhiệt độ Chúng chỉ là những thanh ghi chỉ để đọc và được truy cập thông qua giao diện nối tiếp Dữ liệu từ các thanh ghi có thể được đọc bất cứ lúc nào

2.6.1 Đệm FIFO

MPU-60X0 có chứa một thanh ghi FIFO 1024-byte có thể truy cập thông qua giao diện nối tiếp Thanh ghi cấu hình FIFO xác định dữ liệu được ghi vào FIFO Lựa chọn có thể bao gồm dữ liệu con quay hồi chuyển, dữ liệu tốc, đo nhiệt độ, đo cảm biến phụ trợ, và đầu vào FSYNC Một công tơ FIFO theo dõi bao nhiêu byte

dữ liệu hợp lệ được chứa trong FIFO Thanh ghi FIFO hỗ trợ đọc xung điện Các chức năng ngắt có thể được sử dụng để xác định khi dữ liệu mới có sẵn Để biết thêm thông tin về FIFO, xin vui lòng tham khảo các Bản đồ Thanh ghi MPU-6000/MPU-6050 và tài liệu mô tả Đăng ký

2.6.2 Ngắt

Chức năng ngắt được cấu hình thông qua thanh ghi cấu hình ngắt Những thứ được cấu hình bao gồm cấu hình pin INT, chốt ngắt và phương pháp gián đoạn, và tri-gơ để gián đoạn Những thứ có thể gây ra gián đoạn là (1) bộ tạo nhịp đến dao động tham chiếu mới (được sử dụng khi chuyển đổi nguồn nhịp), (2) dữ liệu mới có sẵn để được đọc (từ FIFO và các thanh ghi dữ liệu), (3) ngắt biến gia tốc, và (4) MPU-60X0 không nhận được xác nhận từ một bộ cảm biến phụ trợ trên bus I2C thứ cấp Tình trạng gián đoạn có thể được đọc từ ngắt thanh ghi tình trạng ngắt Tuy nhiên, chức năng ngắt có thể được sử dụng để xác định khi dữ liệu mới có sẵn Ngắt lập trình MPU-60X0 có một hệ thống ngắt lập trình có thể tạo ra một tín hiệu ngắt trên pin INT Cờ báo trạng thái chỉ ra nguồn gốc của một cái ngắt Nguồn ngắt có thể được kích hoạt và vô hiệu hóa riêng

Ngắt Chuyển động MPU-60X0 cung cấp khả năng phát hiện chuyển động

Đo gia tốc kế được chuyển qua một cấu hình kỹ thuật số thông qua bộ lọc cao (DHPF) để loại bỏ phân cực thu do trọng lực Một mẫu chuyển động định tính là một trong những nơi mà các mẫu thông cao từ bất kỳ trục nào có một giá trị tuyệt đối vượt quá ngưỡng sử dụng lập trình Một gia số đếm cho mỗi mẫu định tính và

độ suy giảm cho mỗi mẫu không định tính Sau khi bộ đếm đạt đến một ngưỡng

đếm người dùng có thể lập trình, thì ngắt chuyển động được kích hoạt Các trục và

phân cực đã gây ra việc ngắt được kích hoạt được đánh dấu trong thanh ghi MOT_DETECT_STATUS

2.6.3 Phân cực thu và LDO

Phân cực thu và LDO tạo ra nguồn cung cấp nội bộ và điện áp tham chiếu và dòng điện theo yêu cầu của MPU-60X0 Hai yếu tố đầu vào là một VDD không được kiểm soát khoảng 2,375 đến 3.46V và một nguồn điện áp cung cấp tham khảo VLOGIC 1.71V đến VDD (chỉ MPU-6050) Đầu ra LDO được đấu tắt bởi một tụ điện tại REGOUT

Phát hiện chuyển động có khả năng tăng tốc cấu hình ngưỡng MOT_THR được xác định trong 1mg gia số Ngưỡng truy cập MOT_DUR được xác định trong 1ms gia số Tỷ lệ tử giảm cho mẫu không định tính cũng được cấu hình Thanh ghi MOT_DETECT_CTRL cho phép người sử dụng để xác định xem liệu mẫu không định tính có làm cho bộ đếm cài lại bằng không hay không, hay giảm đi trong các bước 1, 2, hoặc 4

2.7 Giao diện nối tiếp I 2 C và SPI (chỉ MPU-6000)

Các Thanh ghi bên trong và bộ nhớ của MPU-6000/MPU-6050 có thể được truy cập bằng cách sử dụng I2C tại 400 kHz hoặc SPI tại 1MHz (chỉ MPU-6000) SPI hoạt động trong chế độ bốn dây

8 Y /CS Digital I/O supply voltage VLOGIC must be ≤ VDD at all

times

9 Y VLGOGIC I2C Slave Address LSB (AD0); SPI serial data output (SDO)

9 Y ADD/SDD I2C Slave Address LSB

23 Y SCL/SCLK I2C serial clock (SCL); SPI serial clock (SCLK)

24 Y SDA/SDI I2C serial data (SDA); SPI serial data input (SDI)

Bảng 2.3: Giao diện các thanh nghi

Để ngăn chặn chuyển đổi giữa chế độ I2

C khi sử dụng SPI (MPU-6000), Giao diện I2C nên được vô hiệu hóa bằng cách thiết lập các bit cấu hình I2C _IF_DIS Thiết lập bit này cần được thực hiện ngay lập tức sau khi chờ đợi thời gian theo quy định của " Thời gian Khởi động cho Thanh ghi Đọc / Ghi" trong

I2C là một giao diện hai dây bao gồm các dữ liệu nối tiếp tín hiệu (SDA)

và đồng hồ/nhịp nối tiếp (SCL) Nhìn chung, các đường dây là vòng mở và hai chiều Khái quát hóa lại, việc thực hiện giao diện I2

C, thiết bị kèm theo có thể là một hệ chủ hay là một hệ lệ thuộc Các thiết bị chủ đặt địa chỉ lệ thuộc trên bus, và các thiết bị lệ thuộc với địa chỉ phù hợp công nhận hệ chủ MPU-60X0 luôn luôn hoạt động như một thiết bị lệ thuộc khi tiếp xúc với các bộ xử lý hệ thống, do đó hoạt động như là hệ chủ Các đường dây SDA và SCL thường cần điện trở kéo lên đến VDD Tốc độ bus tối đa là 400 kHz

Địa chỉ phụ thuộc của MPU-60X0 là b110100X dài 7 bit Các bit LSB của

địa chỉ 7 bit xác định bởi mức logic trên pin AD0 Điều này cho phép hai 60X0s được kết nối tới cùng bus I2

MPU-C Khi được sử dụng trong cấu hình này, địa chỉ của một trong những thiết bị nên là b1101000 (pin AD0 là logic thấp) và địa chỉ của thiết bị khác nên là b1101001 (pin AD0 là logic cao)

I2C Các điều kiện Giao thức Truyền thông START(S)và STOP (P) Truyền

thông trên bus I2C bắt đầu khi hệ chủ đặt điều kiện START (S) trên bus, mà được xác định là một quá trình chuyển đổi từ cao đến thấp nhất của đường dây SDA trong khi đường dây SCL là cao (xem hình bên dưới) Bus được xem là kết nối cho đến khi hệ chủ đặt một điều kiện STOP (P) trên bus, mà được xác định như là một chuyển đổi từ thấp đến cao trên đường dây SDA trong khi SCL là cao (xem hình bên dưới)

Ngoài ra, truyền thông START lặp đi lặp lại (Sr) được tạo ra thay vì một điều kiện STOP

Định dạng / Báo nhận dữ liệu I2

C byte được xác định là dài 8-bit Không có giới hạn về số lượng các byte truyền trong một truyền dữ liệu Mỗi byte chuyển giao phải được theo sau bởi một tín hiệu xác nhận (ACK) Đồng hồ/Nhịp báo nhận tín hiệu được tạo ra bởi hệ chủ, trong khi thiết bị thu tạo ra các tín hiệu nhận thực tế bằng cách kéo SDA xuống và giữ nó thấp trong phần cao của nhịp xung đồng hồ Nếu một hệ lệ thuộc được kết nối và không thể truyền tải hoặc nhận được một byte

dữ liệu cho đến khi một số nhiệm vụ khác đã được thực hiện, nó có thể giữ SCL thấp, do đó buộc hệ chủ ở trạng thái chờ đợi Truyền dữ liệu bình thường lại tiếp tục khi các hệ phụ thuộc đã sẵn sàng, và phát hành các dòng đồng bộ

2.8 Truyền thông

Sau khi bắt đầu truyền thông với điều kiện START (S), máy chủ sẽ gửi một địa chỉ phụ thuộc 7-bit theo sau là một bit thứ 8, bit đọc / ghi Bit đọc / ghi chỉ ra liệu máy chủ có đang nhận dữ liệu hoặc đang ghi cho các thiết bị phụ thuộc Sau đó, máy chủ phát hành dòng SDA và đợi nhận tín hiệu (ACK) từ các thiết bị phụ thuộc Mỗi byte chuyển giao phải được theo sau bởi một bit xác nhận Để xác nhận, các thiết bị phụ thuộc kéo dòng SDA xuống thấp và giữ nó thấp nhất trong giai đoạn cao của dòng SCL Truyền tải dữ liệu luôn luôn kết thúc bằng hệ chủ với một điều kiện STOP (P), do đó nó giải phóng các dòng thông tin liên lạc Tuy nhiên, máy chủ

có thể tạo ra một điều kiện bắt đầu lặp đi lặp lại (Sr), và định vị một hệ phụ thuộc khác mà không cần phải tạo ra một điều kiện STOP (P) đầu tiên Một sự chuyển đổi từ thấp đến cao trên đường SDA trong khi SCL là cao nhằm xác định điều kiện dừng Tất cả các thay đổi SDA nên thực hiện khi SCL thấp, ngoại trừ các điều kiện bắt đầu và dừng lại

START condition

Acknowledge on the I2C Bus Clock pulss for

STARTconditio

n

Để ghi các thanh ghi MPU-60X0 nội bộ, máy chủ truyền điều kiện bắt đầu (S), tiếp theo là địa chỉ I2

C và bit ghi (0) Tại chu kỳ đồng hồ/ nhịp thứ 9 (khi đồng hồ/ nhịp là cao), MPU-60X0 xác nhận việc chuyển giao Sau đó, máy chủ đặt địa chỉ Thanh ghi (RA) trên bus Sau khi MPU-60X0 thừa nhận việc tiếp nhận địa chỉ thanh ghi, máy chủ đặt các dữ liệu Thanh ghi lên bus Tiếp theo là tín hiệu ACK,

và việc truyền dữ liệu có thể được kết thúc giữa các điều kiện dừng (P) Để ghi nhiều byte sau khi nhận Tín hiệu ACK cuối cùng, máy chủ có thể tiếp tục xuất dữ liệu chứ không phải truyền một tín hiệu dừng lại Trong trường hợp này, MPU-60X0 tự động gia tăng địa chỉ Thanh ghi và tải các dữ liệu cho Thanh ghi phù hợp Các số liệu dưới đây cho thấy trình tự ghi đơn và hai byte Trình tự ghi Byte đơn

Burst Wnte Saquence

Để đọc Thanh ghi MPU-60X0 nội bộ, máy chủ sẽ gửi một điều kiện bắt đầu, tiếp theo là địa chỉ I2

C và một bit ghi, và sau đó là địa chỉ Thanh ghi mà có nghĩa là

sẽ được đọc Khi nhận được tín hiệu ACK từ MPU-60X0, máy chủ phát đi một tín hiệu bắt đầu và tiếp theo là địa chỉ phụ thuộc và bit đọc Kết quả là, MPU-60X0 sẽ gửi một tín hiệu ACK và dữ liệu Việc truyền thông kết thúc với một tín hiệu không thừa nhận (NACK) và một bit dừng từ máy chủ Điều kiện NACK được xác định như là dòng SDA vẫn duy trì mức cao ở các chu kỳ đồng hồ/ nhịp thứ 9 Những con

số sau đây cho thấy trình tự đọc đơn và hai byte Trình tự đọc Đơn Byte

2.9 Giao diện SPI (chỉ MPU-6000)

SPI là một giao diện đồng bộ nối tiếp 4 dây sử dụng hai dòng điều khiển

và hai dòng dữ liệu MPU-6000 luôn luôn hoạt động như một thiết bị phụ thuộc trong quá trình hoạt động tiêu chuẩn SPI Master-Slave Với mối liên hệ với máy chủ, đầu ra đồng hồ/ nhịp nối tiếp (SCLK), đầu ra dữ liệu nối tiếp (SDO) và đầu

vào dữ liệu nối tiếp (SDI) được chia sẻ giữa các thiết bị phụ thuộc Mỗi thiết bị phụ thuộc SPI đòi hỏi đường dây Chọn chip (/ CS) của riêng mình từ máy chủ / CS hoạt động thấp lúc bắt đầu truyền tải và hoạt động cao trở lại (không hoạt động) lúc kết thúc Chỉ có một đường / CS hoạt động tại một thời điểm, đảm bảo rằng chỉ có một

hệ phụ thuộc được chọn tại bất kỳ thời điểm nào Các dòng / CS của thiết bị phụ thuộc không chọn được giữ ở mức cao, làm cho dòng SDO của chúng vẫn duy trì trong một tình trạng trở kháng cao (z cao) để chúng không can thiệp với bất kỳ thiết

bị hoạt động nào tính năng hoạt động của SPI

1 Dữ liệu được phân phối MSB đầu tiên và LSB cuối cùng

2 Dữ liệu được bám vào góc tăng của SCLK

3 Dữ liệu cần được chuyển trên góc giảm của SCLK

4 Tần số tối đa SCLK là 1MHz

5 các hoạt động SPI đọc và ghi được hoàn thành trong 16 hoặc nhiều chu kỳ đồng hồ (hai hoặc nhiều byte) Các byte đầu tiên chứa các Địa chỉ SPI, và (các) byte sau đây chứa dữ liệu SPI đầu tiên bit của byte đầu tiên chứa các bit đọc / ghi và chỉ

ra hoạt động đã Đọc (1) hoặc Ghi (0) 7 bit sau đây chứa địa chỉ thanh ghi Trong trường hợp Đọc / Ghi nhiều byte, dữ liệu là hai hoặc nhiều byte:

SCLK SDI SDO /CS

SCLK SDI SDO /CS