06 Janvier 2016  |  Sensorique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 11/2015

Des concentrateurs de capteurs hautement intégrés

Martin Grimmer*

Les concentrateurs de capteurs actuels offrent jusqu’à neuf degrés de liberté. En y ajoutant des capteurs externes, il est possible de réaliser dix degrés de liberté, voire davantage. Ils permettent ainsi de nouvelles fonctions dans de nombreuses applications industrielles, médicales, ainsi que dans les jeux. Le summum de l’intégration revient aux combinaisons de capteurs déjà équipées du logiciel correspondant.

Les concentrateurs de capteurs, ou «Application Specific Sensor Nodes» (ASSN), combinent différents capteurs pour mettre à disposition des données nettement plus précises et plus fiables qu’avec les capteurs individuels. Cela s’applique notamment dans des conditions difficiles, chaque type de capteur disposant de son propre comportement de dérive et de bruit. Leur association permet de compenser les défauts des capteurs individuels.
Par ailleurs, les ASSN sont nettement plus petits et plus efficaces que les solutions aux structures discrètes. L’étalonnage de la température ainsi que le calibrage régulier par l’utilisateur ne sont pas nécessaires. De cette façon, une grande partie des efforts d’intégration et de développement est supprimée, ce qui réduit le délai de mise sur le marché et permet aux développeurs de se concentrer entièrement sur leur application afin d’arriver plus rapidement à la commercialisation.
 
Le module de capteur numérique BMX055 de Bosch Sensortec comporte neuf degrés de liberté.
 
Les modules de capteur numériques BMX055 de Bosch Sensortec et LSM9DS1 de STMicroelectronics disposent de neuf degrés de liberté (Degrees of Freedom, DoF), représentant aujourd’hui le niveau d’intégration le plus élevé des capteurs MEMS individuels. Tous deux comprennent un capteur d’accélération à trois axes, un gyroscope à trois axes et un magnétomètre à trois axes. Grâce à leurs dimensions compactes de 3 x 4,5 x 0,9 mm (MBMX055) ou de 3,5 x 3 x 1 mm (LSM9DS1), ils offrent un encombrement limité, dans le cas des applications mobiles, par exemple.
 
Le capteur d’orientation absolue intelligent BNO055 de Bosch Sensortec réunit les capteurs et la fusion des capteurs dans un seul boîtier.
 
Des logiciels de fusion des capteurs
Afin d’obtenir une valeur pour l’affichage ou le traitement ultérieur à partir des données brutes des capteurs, les deux fabricants ont développé leurs propres logiciels. Les programmes prennent en charge les modules à six ou à neuf DoF. Ils fonctionnent sur un microcontrôleur intégré dans le module de capteur, ainsi que sur un contrôleur externe. Ils prennent en charge Android et Microsoft 8 et peuvent également s’adapter à d’autres systèmes d’exploitation, grâce à leur évolutivité.
Ces logiciels de fusion des capteurs offrent notamment les paramètres suivants: l’accélération linéaire, la rotation, la détermination de position précise et fiable, le vecteur de gravitation et les quaternions. Ces derniers offrent souvent une solution de calcul élégante de l’espace euclidien tridimensionnel et d’autres espaces, notamment dans le contexte des rotations. Ils permettent un traitement bien plus efficace qu’avec les données brutes. De plus, les logiciels de fusion des capteurs compensent les différents capteurs entre eux. Voici quelques exemples.
Afin de pouvoir mesurer le champ magnétique terrestre qui est relativement faible, les magnétomètres sont dotés d’une plage de mesure très sensible. Cela les rend donc sensibles aux parasites provenant de champs magnétiques externes, comme d’un haut-parleur ou d’un aimant, par exemple. Dans le cas de tels parasites, la boussole électronique n’est plus en mesure d’indiquer le Nord magnétique. Dans le cas d’un concentrateur de capteurs, le logiciel calcule la position de l’appareil à partir des accélérations angulaires du gyroscope et des accélérations linéaires du capteur d’accélération. Ainsi, la boussole fonctionne aussi si le magnétomètre est perturbé ou tourné.
 
Tout en un: capteur d’accélération, gyroscope, capteur géomagnétique et microcontrôleur de 32 bit fonctionnant avec le logiciel BSX3.0 FusionLib.
 
La mesure de l’accélération d’un capteur correspondant comprend toujours la gravitation. Le vecteur de gravitation peut être déterminé de manière exacte uniquement au repos, car dans le cas contraire, les accélérations dynamiques se superposent. À l’aide d’un gyroscope, le logiciel peut également séparer les accélérations dynamique et statique, ce qui permet de déterminer le vecteur de gravitation y compris au cours d’un mouvement.
Les points faibles d’un gyroscope peuvent également être compensés de cette façon. Celui-ci mesure toujours par rapport à un mouvement de référence. Il en résulte une dérive à long terme, qui augmente au fil du temps. Un capteur d’accélération détecte la position de repos d’un appareil, permettant au logiciel de compenser la dérive à long terme du gyroscope. Un capteur de champ magnétique peut, en outre, faire office de référence absolue.
Le logiciel de fusion de capteurs de Bosch Sensortec fonctionne notamment sur le module BNO055, le dernier ASSN du fabricant. Il permet d’obtenir des performances élevées avec une très faible consommation d’énergie, étant donné que le logiciel et le matériel sont parfaitement coordonnés. Les clients peuvent aussi utiliser le logiciel avec les microcontrôleurs d’autres fournisseurs. À cet effet, ils doivent, certes, signer des accords de non-divulgation et des contrats de licence, mais en comparaison avec des logiciels programmés par leurs propres soins, il s’agit toutefois d’un effort minime. Le module SSC7102 de Microchip offre une autre possibilité de profiter de la fusion des capteurs. Il s’agit d’un concentrateur de fusion des capteurs à 10 DoF, fonctionnant avec une licence du logiciel FusionLib de Bosch Sensortec. Les capteurs suivants à raccorder de manière externe sont pris en charge: le module de boussole BMC150 et le gyroscope BMG160 de Bosch Sensortec, ainsi que le capteur de lumière ambiante ISL29029 d’Intersil.
 
Logiciel de fusion des capteurs iNEMO de ST: la famille de produits iNEMO Ultra de STMicroelectronics offre une combinaison de capteurs inertiels à six axes.
 
Combinaison de capteurs et fusion des capteurs
Les associations de capteurs qui ont déjà été combinées à l’aide d’un logiciel de fusion des capteurs fournissent des valeurs plus précises et plus fiables, adaptées à l’application. Le matériel et le logiciel coordonnés permettent de faibles efforts de développement et d’intégration, ainsi que des performances optimales. Le client peut ainsi se passer du développement en interne du logiciel et peut se concentrer sur l’application à proprement parler, avec un délai de mise sur le marché plus court.
 
Un capteur d’orientation intelligent
Le module BNO055 de Bosch Sensortec est un capteur d’orientation absolue intelligent réunissant les capteurs et la fusion des capteurs dans un seul boîtier. Avec un capteur d’accélération de 14 bit à trois axes, un gyroscope de 16 bit à trois axes doté d’une plage de ± 2000 °/s et d’un capteur géomagnétique à trois axes, il offre neuf degrés de liberté. Toutes les techniques proviennent du même fournisseur. Un microcontrôleur de 32 bit fonctionnant avec le logiciel BSX3.0 FusionLib est également intégré. Par conséquent, il ne peut pas être utilisé pour l’application à proprement parler. Avec des dimensions de 5,2 x 3,8 x 1,13 mm, la solution «System in Package» est nettement plus petite que d’autres solutions discrètes ou «System on Board» comparables. Le module BNO055 est destiné à de nombreux domaines d’utilisation comprenant également les applications industrielles. Il sera, en effet, disponible pendant plus longtemps que les capteurs visant uniquement le marché des smartphones.
 
Le module LSM6DS3 permet une orientation en 6D, la détection de chute libre, tapotement et double tapotement, activité et inactivité, ainsi que les événements de sortie de veille avec des temps de réaction très courts.
 
Une combinaison de capteurs inertiels à six axes
La famille de produits iNEMO Ultra de STMicroelectronics offre une combinaison de capteurs inertiels à six axes. Dans un boîtier de 2,5 x 3 x 0,8 mm, elle comprend un capteur d’accélération numérique à trois axes et un gyroscope numérique à trois axes. Avec un courant absorbé de 1,25 mA (jusqu’à 1,6 kHz de débit de sortie ODR) en mode hautes performances, elle offre des fonctions «always-on low-power». En mode faible puissance, elle nécessite 0,6 mA (always-on). Son efficacité résulte entre autres de la mémoire PEPS (premier entré premier sorti) ingénieuse. Avec 8 koctets, sa taille est deux fois plus importante que les autres mémoires disponibles, ce qui permet au module LSM6DS3 d’enregistrer et de collecter davantage de données avant de devoir réveiller le processeur du système. Par ailleurs, il offre de très bonnes caractéristiques de bruit: en mode hautes performances avec un débit de sortie (ODR) de 104 Hz et typiquement 0,6 mg-rms, le capteur d’accélération permet d’obtenir 90 µ/√Hz, le gyroscope atteint 0,007°/s/√Hz en mode hautes performances à 10 Hz et 0,07°/s-rms en mode hautes performances avec un débit de sortie (ODS) de 208 Hz.
 
Un module à six axes avec un accéléromètre à trois axes et un gyroscope à trois axes.
 
Un système composé de deux puces
Le LSM6DS3 est un «System in Package» composé de deux puces. Grâce à ses «Event Detection Interrupts» avec un suivi des mouvements et une perception du contexte, il permet une orientation en 6D, ainsi que la détection de chute libre, tapotement et double tapotement, activité et inactivité, de même que les événements de sortie de veille. Étant donné qu’il traite les signaux de capteurs réels, virtuels et à traitement par lot, il offre des temps de réaction courts du système. Il permet un emboutissage dur et souple pour la correction des capteurs magnétiques externes. Ses broches peuvent être reliées à d’autres capteurs externes, afin d’assurer des tâches supplémentaires en tant que concentrateur de capteurs ou en tant qu’interface SPI complémentaire. En combinaison avec le microcontrôleur STM32, le module LSM6DS3 offre de nouvelles caractéristiques aux systèmes de capteurs à piles dans les applications mobiles et portables, ainsi que dans les objets pour l’Internet des objets.
Pour le module LSM6DS0 ainsi que pour le magnétomètre LIS3MDL à trois axes, pour le capteur de pression LPS335H ainsi que pour le capteur d’humidité et de température HTS221, STMicroelectronics propose la carte d’évaluation X-NUCLEO-IKS01A1. Via la broche I2C, il se connecte au microcontrôleur STM32, le port I2C par défaut pouvant être modifié. Pour d’autres adaptateurs et capteurs MEMS, un boîtier DIP à 24 broches est disponible. Il contient une bibliothèque complète de microprogrammes, ainsi que des exemples pour tous les capteurs compatibles avec le microprogramme STM32Cube.
 
Les capteurs et la fusion des données de capteur font partie intégrante de l’Internet des objets.
 
Accent sur les capteurs
Les produits de STMicroelectronics et de Bosch Sensortec constituent le segment premium de la fusion des capteurs. Les deux fabricants, leaders sur le marché et sur le plan technologique dans le domaine des capteurs MEMS, trouvent leur clientèle dans le programme de Rutronik. Outre les capteurs des fabricants de semi-conducteurs Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, Rohm, STMicroelectronics et Vishay, Rutronik compte également dans sa gamme de produits, les capteurs des fabricants de mécanique passive et d’électromécanique Murata et Omron. De plus, il est en mesure de refléter l’ensemble de la chaîne de traitement des signaux avec les produits correspondants. Pour faire leur choix, les clients sont épaulés par l’équipe des capteurs ainsi que par les spécialistes de l’analogique.
 
RUTRONIK Elektronische Bauelemente AG
1400 Yverdon-les-Bains
Tél. 024 423 91 40
www.rutronik.com


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