Cómo ayudan los últimos módulos inerciales MEMS a superar desafíos en el desarrollo de aplicaciones

Una unidad de medición inercial (IMU) basada en MEMS se define como un sistema en un paquete. Consiste de un elemento de detección mecánico del acelerómetro, un elemento de detección mecánico del giroscopio y un circuito electrónico, ("el cerebro"), para convertir la aceleración y la velocidad angular a un formato legible. Las IMU MEMS han estado en desarrollo por décadas y se han utilizado en ciertos nichos de mercado. Sin embargo, la implementación de estas IMU en una amplia gama de aplicaciones experimentó un fuerte incremento recién cuando la tecnología MEMS alcanzó el nivel de madurez que habilitó la producción de dispositivos de bajo costo y de tamaño pequeño.

Aunque el rendimiento de estas IMU ha sido satisfactorio para aplicaciones no tan exigentes, como la detección de movimiento simple, el contador de pasos y el retrato/paisaje, la aparición de aplicaciones de sensores en dispositivos portátiles, llevables y de Internet de las cosas (IoT) creó una necesidad urgente de mayor mejora del rendimiento y reducción del consumo de corriente. La última generación de IMU MEMS satisface estas necesidades.

En el siguiente artículo revisaremos los últimos avances en IMU MEMS y describiremos cómo pueden ayudar a los ingenieros de hardware y software a que acorten el tiempo de desarrollo y superen los desafíos que han estado enfrentando.

¿Cómo cumplen las IMU modernas los desafiantes requisitos de las nuevas aplicaciones?

Las nuevas aplicaciones MEMS basadas en sensores tienen requisitos muy exigentes. Esto significa que las IMU modernas deben ser lo más pequeñas posible, consumir la menor energía posible y ofrecer alta sensibilidad, excelente precisión, alta resolución y nivel de ruido muy bajo. La siguiente figura ilustra la estructura de una IMU moderna alojada en un pequeño paquete de 2.5 x 3 x 0.8.

Figura 1: Una estructura IMU moderna (sistema en un paquete) Tamaño: 2.5 x 3 x 0.86 mm, Paquete: LGA-14.

Además de los requisitos mencionados, las últimas IMU ofrecen algoritmos integrados para ayudar a que los ingenieros reduzcan el tiempo de diseño y desarrollo. En la Tabla 1 se destacan los principales parámetros y características de una IMU moderna.

Tabla 1: Principales especificaciones de una IMU MEMS moderna; mdps: miligrados por segundo.

Revisemos algunas de las características de la tabla anterior para explicar cómo pueden ayudar a que los ingenieros diseñen una IMU en sus productos y desarrollen aplicaciones de forma más rápida.

Interfaz del dispositivo

Hay dos interfaces (SPI e I²C) para proporcionar a los diseñadores más flexibilidad para leer los datos del sensor. Además, la IMU es compatible con aplicaciones de estabilización óptica de imagen (OIS) y estabilización electrónica de imagen (EIS) mediante la utilización tanto del giroscopio como del acelerómetro. Por lo tanto, también hay una interfaz auxiliar dedicada SPI para la salida de datos OIS.

Estabilización de imagen: EIS y OIS

Uno de los principales avances en IMU MEMS es su rendimiento, que puede ser utilizado para aplicaciones OIS y EIS muy desafiantes. Las figuras 2a y 2b muestran el diagrama de cómo funcionan las conexiones OIS.

Figura 2a: Los datos OIS son emitidos a través de una interfaz SPI de dedicación.

En la figura 2a, el dispositivo puede emitir los datos OIS a través de una interfaz SPI dedicada. Ofrece una ruta de procesamiento de señal configurable dedicada para la aplicación OIS. La ruta de procesamiento de señal de interfaz de usuario (UI) es completamente independiente del segmento OIS y es legible a través de la función FIFO incorporada en el dispositivo.

Figura 2b: Datos OIS enviados a un procesador de aplicaciones directamente o a través de la FIFO incorporada.

La Figura 2b ilustra una segunda opción disponible en la IMU. Los datos del sensor de la aplicación OIS pueden ser enviados directamente a un procesador de aplicaciones (AP) en la placa del sistema. También es posible almacenar los datos en la FIFO incorporada y luego leer todo el conjunto de datos de la FIFO en el AP.

La IMU ofrece bajo ruido para mejorar la precisión en aplicaciones exigentes

Hay muchas aplicaciones que requieren datos de sensores con un nivel de ruido muy bajo. Sin embargo, las dos aplicaciones siguientes están entre las más populares y requieren una IMU con un nivel de ruido muy bajo y un alto grado de estabilidad de polarización:

Realidad aumentada (AR): La AR ha atraído recientemente un gran interés en dispositivos portátiles debido a las mejoras en los últimos IMU MEMS. La AR es una característica que se implementa mediante la interacción de gráficos superpuestos, audio y otras mejoras de detección en un entorno real, que se muestra en tiempo real, lo que la hace interactiva y manipulable.

Posicionamiento en interiores: las IMU MEMS desempeñan un papel importante en la implementación del posicionamiento en interiores en lugares donde el acceso a datos de GPS se reduce o no está disponible para proporcionar un posicionamiento preciso y confiable. La navegación por estima de peatones (PDR), que es un importante bloque funcional del posicionamiento en interiores, se basa principalmente en los sensores para proporcionar datos precisos para poder calcular la nueva ubicación y la orientación. El rendimiento y la precisión de una IMU son fundamentales para la precisión de la solución PDR.

La última IMU resuelve el problema al ofrecer giroscopios y acelerómetro de muy bajo ruido. La Tabla 1 muestra los niveles bajos de ruido tanto para el acelerómetro como para el giroscopio.

Algoritmos integrados para ayudar a reducir el tiempo de diseño y desarrollo

Las características integradas en las IMU MEMS eliminan la necesidad de desarrollo de código para algunas aplicaciones. Estas características liberan a los ingenieros SW de escribir códigos para las aplicaciones integradas, lo que ayuda a reducir el ciclo de desarrollo de aplicaciones. Por ejemplo, una aplicación de podómetro requeriría que los ingenieros de hardware y software pasaran meses, si no años, para desarrollar códigos y realizar pruebas.  Sin embargo, el uso de una IMU MEMS con un algoritmo de podómetro incorporado reduce significativamente estos esfuerzos y los ingenieros solo tendrían que configurar los parámetros relacionados con la aplicación del podómetro en los registros del dispositivo.

Una IMU MEMS moderna se diseñó para ser totalmente compatible con Android y cuenta con las siguientes funciones de chip:

Interrupciones de detección de eventos (completamente configurables)

La IMU ofrece interrupciones de detección de eventos para ayudar a los ingenieros a implementar una serie de aplicaciones sin ningún desarrollo de código. Las interrupciones de detección de eventos integradas son las siguientes:

1. Caída libre: solo utiliza los datos del acelerómetro. Si la aceleración de los tres ejes cae por debajo de los umbrales preestablecidos, se genera la interrupción.
2. Reactivación: cuando la aceleración en al menos un eje excede el umbral preestablecido, se genera la interrupción.
3. Detección de orientación 6D y 4D: solo utiliza los datos del acelerómetro y tiene la capacidad de detectar la orientación del dispositivo en el espacio, lo que permite una fácil implementación de un procedimiento de ahorro de energía y rotación automática de imagen para dispositivos portátiles. La interrupción se genera cuando el dispositivo cambia de una orientación a otra. Para reconocer un cambio de orientación, deben cumplirse las siguientes condiciones:

• Un eje está por encima del umbral y dos ejes están por debajo del umbral (zona conocida).
• La zona conocida es diferente de la anterior.

Los valores de umbral se pueden configurar a través de los registros dedicados integrados en la IMU.

1. Derivaciones y derivaciones dobles: el dispositivo puede configurarse para emitir una señal de interrupción en una clavija dedicada al pulsarse (una o dos veces) en cualquier dirección. Los valores de umbral y el tiempo entre los dos eventos para el reconocimiento de la derivación doble pueden ser configurados por el desarrollador. Las velocidades de transmisión de datos de salida (ODR) sugeridas para la función de derivación o doble derivación son 400 Hz y 800 Hz.
2. Activación para reposo: cambio del reconocimiento de estado ACTIVO/REPOSO (también conocido como actividad/inactividad). Después de que el usuario haya configurado una ODR, si los datos de aceleración en los tres ejes están por debajo de un umbral especificado durante un período de tiempo especificado, el dispositivo entra en el modo activación para reposo (dispositivo en la ODR más baja 12 Hz). Si el dispositivo está en modo de reposo (inactividad) y la aceleración en al menos uno de los ejes supera el umbral, el dispositivo pasa al modo de reposo para activación (también llamado reactivación).

Todas estas funciones están en paralelo y funcionan correctamente a una ODR inferior a 1600 Hz. Cada evento puede generar una señal de interrupción que puede ser accionada en las dos clavijas de interrupción del dispositivo (INT1 e INT2).

Bloques IP específicos con muy poco consumo de energía y alto rendimiento

Para reducir aún más el consumo total de corriente del sistema y ahorrarle a los desarrolladores tiempo de desarrollo significativo, las nuevas IMU tienen algunos bloques de IP incorporados. Las siguientes dos funciones están entre las más utilizadas:

1. Funciones de podómetro: detector de pasos y contadores de pasos. El podómetro incorporado utiliza solo los datos del acelerómetro. Genera una interrupción cuando se detecta un paso. Cuenta los eventos de paso y se pueden almacenar un máximo de 65535 pasos (16 bits). El restablecimiento del número de pasos y el restablecimiento del algoritmo son independientes. El umbral mínimo y el rango de operación a escala completa son configurables.
2. Inclinación: La función de inclinación se ha implementado en el hardware mediante la utilización de solo los datos del acelerómetro para alcanzar tanto los objetivos de consumo de energía ultra bajo como la robustez. Se basa en un disparador de un evento cada vez que cambia la inclinación del dispositivo. Para una experiencia de usuario más personalizada, la función de inclinación se puede configurar a través de:

• La ventana/duración promedio programable del evento.
• El umbral de ángulo programable que genera un evento de interrupción (predeterminado en 35°). 

Este evento genera una interrupción cuando la inclinación del dispositivo cambia al menos 35 grados luego de su activación por al menos dos segundos. La función de inclinación se puede utilizar en diferentes situaciones. Por ejemplo, la interrupción se activa cuando un teléfono está en un bolsillo y el portador del teléfono pasa de estar sentado a estar de pie o de estar de pie a sentarse. Sin embargo, la interrupción no se activa cuando el teléfono está en el bolsillo mientras alguien está caminando, corriendo o subiendo escaleras.

IMU como núcleo de sensores

Una de las principales ventajas de las últimas IMU es la capacidad del núcleo de sensores incorporado. La IMU ofrece flexibilidad de hardware para conectar las clavijas con conexiones de modos diferentes a sensores externos para expandir las funcionalidades de la IMU. El núcleo de sensores permite el uso de hasta seis sensores: dos sensores internos (acelerómetro y giroscopio) y cuatro sensores externos. El diagrama de bloques a continuación ilustra la IMU como un núcleo de sensores. La IMU ofrece una configuración I²C maestra para conectarse con sensores externos y recopilar datos. Los datos recogidos de los dos sensores internos pueden almacenarse simultáneamente en la FIFO incorporada. Hay dos opciones disponibles para activar el I²C maestro para recopilar los datos de los sensores externos:

1. Sincronizado con la señal interna de datos listos (XL o Giroscopio).
2. Sincronizado con una señal externa de uno de los sensores (PAD dedicado).

Las ventajas de esta característica de núcleo de sensores son la coherencia de los datos, la sincronización de datos, la colocación y el enrutamiento más fáciles y el consumo de energía del sistema en general más bajo.

Figura 3: Un IMU MEMS puede utilizarse como núcleo de sensores para enviar datos a varios sensores a un procesador central.

Conclusión

Las últimas IMU basadas en MEMS ofrecen mejoras significativas y ayudan a que los diseñadores de sistemas y los desarrolladores de aplicaciones reduzcan considerablemente el tiempo de diseño y desarrollo. El precio de dichas IMU ha disminuido significativamente, mientras que su rendimiento y las características incorporadas han mejorado mucho. Las nuevas IMU han permitido que ingenieros de hardware y software presenten nuevas ideas de aplicaciones. La próxima generación de IMU MEMS seguirá ofreciendo características adicionales y un rendimiento mejorado para satisfacer las crecientes expectativas de los ingenieros de sistemas y desarrolladores de aplicaciones.