Drahtlose Gyroskope
- Abbildung 1: Das WMSM verbindet über ein Basisboard das Jennic ZigBee-Modul mit dem Zweiachsen-Gyroskop von Invensense.
Kombination aus ZigBee und MEMS Gyros ermöglicht drahtlose Übertragung von Bewegungsinformationen
Monolithische Trägheitssensoren wie die Gyroskope unseres Herstellers Invensense eignen sich aufgrund ihrer smarten Größe und einfachen Implementierbarkeit besonders für mobile Anwendungen, 3D-Eingabedevices etwa oder Motion- Sensing. Dazu müssen die Bewegungsinformationen vorzugsweise drahtlos übermittelt werden, denn heute wird „Kabelsalat“ kaum noch akzeptiert. Da bietet sich natürlich ZigBee als preiswertes und zuverlässiges Medium an, vor allem, weil es mit unvergleichlich geringem Stromverbrauch seinen Zweck erfüllt. In der vorliegenden Applikationsschrift zeigen wir, wie sich ein Invensense Evalboard an die analoge Peripherie des Jennic Wireless Microcontrollers anbinden lässt, um mit geringstem Aufwand ein drahtloses Motion Sensing Device zu schaffen.
Wireless Motion Sensing Module
Das so geschaffene WMSM (Wireless Motion Sensing Module, Abbildung 1) ist ein einfacher Prototyp, der die Bewegungsinformationen eines Invensense Zweiachsen-Gyroskopes (IDG-300) an seinen ADC-Eingängen digitalisiert und über ein drahtloses ZigBee-Netzwerk an den Koordinator übermittelt.
Für die Demonstration wurde auf das Jennic ZigBee Evaluierungskit JN5139- EK010 zurückgegriffen, das aus einem Controllerboard als zentralem Netzwerkkoordinator und 4 peripheren Sensorboards besteht. Auf dem Koordinator wurde eine angepasste Software installiert, die auf dem „Wireless Sensor Network“ Projekt von Jennic basiert (kostenlos von der Jennic Webseite zu beziehen).
Im Betrieb holt sich der Koordinator regelmäßig die Bewegungsdaten vom WMSM und überträgt diese über seine serielle UART-Schnittstelle an einen angeschlossenen Host-PC, wobei dieser PC aber funktional nicht notwendig ist sondern nur als Anzeigedevice dient. Das WMSM selbst erfüllt in der Nomenklatur von ZigBee die Funktion eines Routers, denn durch seine Ausstattung mit reichlich Speicher und Rechenleistung kann es nicht nur die vom Gyroskop gewonnen Daten an den Koordinator übermitteln, sondern theoretisch auch als Bindeglied zwischen weiter entfernten Devices und dem Koordinator dienen.
- Abbildung 2: Evalboard IDG-300 von Invensense.
Zweiachsengyroskop IDG-300 im Uhrmacherformat
Wie im Artikel “Siliziumkreisel” genauer ausgeführt, handelt es sich beim hier verwendeten Sensor IDG-300 um ein in MEMSTechnologie aufgebautes zweiachsiges Gyroskop unseres Herstellers Invensense. Der Sensor liefert der jeweiligen Drehrate entsprechende, proportionale Spannungswerte und das weitestgehend unabhängig für die beiden Raumachsen X und Y. Der Baustein wird mit 3 Volt versorgt und bedarf als analoger Sensor einer besonders störungsfreien Versorgung.
Zudem muss die Spannung innerhalb von 20 ms auf Nominalwert gebracht wer den und von anderen Schaltungsteilen durch entsprechend dimensionierte RCGlieder isoliert sein.
Die beiden Ausgänge des Gyroskopes müssen zur weiteren Behandlung digitalisiert werden, wobei 12-bit-Wandler das Minimum an Auflösung darstellen. Die ADC-Eingänge des Jennic Controllers sind damit ausreichend, wenn sie auch keine Genauigkeitsreserve mehr bieten. In der vorliegenden Dimensionierung ergibt sich eine Inkrementalspannung von 0.7 mV je bit Auflösung und ein gesamter Digitalisierungsbereich von 2700 mV. Der IDG-300 liefert etwa +/-1000 mV an seinen Ausgängen, mithin gibt es ausreichende Marge innerhalb des Digitalisierungsbereiches. Die Analog/Digitalumsetzung der Gyroskop-Spannungswerte, die Weiterverarbeitung dieser Daten und die drahtlose Übertragung im ZigBeeoder 802.15.4-Netz wird vollständig vom JN5139 wireless microcontroller erledigt, der zentraler Bestandteil der Jennic- Module ist.
Der JN5139 ist ein System-On- Chip bestehend aus einem 2.4 GHz- ISM-Transceiver, Media-Access-Controller (MAC), sowie einem 32-bit RISC-Controller samt umfangreicher Peri pherie. Dazu zählen u.a. 4 ADCs mit 12bit Aufl ösung, zwei 11-bit DACs, 2 UARTs sowie SPI-, Serial- und GPI/O-Schnittstellen. Die “Integrated Peripheral API” von Jennic definier t Funktionen zur einfachen Anwendung der Peripheriekomponenten und entlastet die Entwickler von zeitraubenden Zugriffen auf Registerebene.
- Abbildung 3: Darstellung der Gyroskopwerte auf dem Koordinatenboard des Jennic Evaluierungssystems.
WMSM Basisboard
Die Zusammenschaltung des ZigBee-Modules mit dem Gyroskope stellt keine besondere Herausforderung dar. Abbildung 4 zeigt den Schaltplan, das Jennic Modul wird aufgelötet, das IDG-300 Board über eine Stiftleiste aufgesteckt. Besondere Aufamerksamkeit wurde auf die Spannungsversor gung des JN5139-Mo duls und Invensense-Chips gelegt. Da bei der analogen Datenverarbeitung Störungen der Versorgung auf die Messergebnisse wirken können, wurde der Spannungsregler RP102 von Ricoh mit sehr hoher Ripple-Rejection (80dB bei f=1kHz), einer hohen Spannungsgenauigkeit von 1% und niedriger Eigenstromaufnahme (50μA) gewählt. Dieser LDO der neuesten Generation eignet sich aufgrund dieser Features und seiner hohen Effizienz besonders für mobile, batteriebetriebene Geräte und stellt eine ideale Lösung für die Versorgung des WMSM dar.
Die Darstellung der Messergebnisse kann sowohl via RS232-Schnittstelle über einen angeschlossenen PC erfolgen oder über das LCD-Display des Koordinator- Boards, wie in Abbildung 3 gezeigt.
- Abbildung 4: Schaltplan des WMSM Basisboards. Wesentliche Komponente ist die Spannungsversorgung mit dem RP102.
