MPU-6000 und MPU-6050 - Gyroskop und Accelerometer in einem Chip
- Nasiri-Fabrication Process
Durch die Miniaturisierung unhandlicher Sensoren wie Gyroskope und Accelerometer mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik ist eine völlig neue Klasse von Anwendungen entstanden, angefangen von der Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur Elektronik gegen Verwackler bei digitalen Fotoapparaten und Camcordern. Auch Spielkonsolen profitieren von den neuen Bauelementen, können die Teilnehmer doch nun ihre Aktionen mit vollem Körpereinsatz durchführen und damit noch intensiver am virtuellen Geschehen teilhaben. Ausgerüstet mit 6-Degree-of-Freedom (DOF) Inertial-Motion-Units im Uhrmacherformat werden die Eingabe-Devices der Zukunft auf jede Bewegung reagieren und diese in dreidimensionale PC-Welten umsetzen.
Mikro-Elektro-Mechanische Sensorik
- Bild 1: Der MPU-6000 integriert 3-Achsen Gyroskop und 3-Achsen Beschleunigungssensor im 4 x 4 mm großen Gehäuse.
- Bild 2: Einsatzgebiete des Motion-Processings.
- Bild 3: Anwendungsbeispiel „Augmented Reality“: Die Sensorik muss recht präzise Position und Ausrichtung des Smart-Phones im dreidimensionalen Raum erfassen.
Mit der Integration eines 3-Achsen Gyroskopes und eines 3-Achsen Beschleunigungsmessers auf dem gleichen Silizium zusammen mit einem Digital Motion Processor™(DMP) der in der Lage ist, komplexe 9-Achsen Sensor-Fusion Berechnungen durchzuführen, stellt die Bausteinfamilie einen Durchbruch im Bereich der MEMS-Sensortechnologie dar. Durch die steigende Beliebtheit der Bewegungserfassung in alltäglichen Geräten der Consumer-Elektronik, wie erstmalig eingesetzt in der Wii™- Konsole von Nintendo® und später von Apple® im iPhone™, breitet sich das Motion-Processing in Smart-Phones, Tablet-PCs, TV-Fernsteuerungen, Spielekonsolen, Digitalkameras und viele andere Produkte aus. Die Antizipation der Bewegungsverarbeitung in diesen mobilen Geräten verspricht ein ganzes Bündel neuer Anwendungen und Funktionalitäten zum Nutzen des Kunden: Präzise Erfassung und Kompensation des unvermeidbaren Zitterns der Hand zur Verbesserung der Bildqualität und Videostabilität, Koppelnavigation bei GPS für Fahrzeuge und Fußgänger im Innenbereich oder bei Satellitenabschattung, Bedienerführung durch Bewegungen, erweiterte, sog. "augmented" Realität sowie neue, eindrucksvolle Spiele, um nur ein paar zu nennen.
Bislang waren solche Geräte wegen dem Fehlen geeigneter Standardlösungen die durch OEMs schnell und einfach zu implementieren sind kaum möglich, bedurfte die Entwicklung einer integrierten Bewegungsensor-Lösung doch unterschiedlicher Komponenten von zahlreichen Herstellern, einer Signalkonditionierung, eigenen Sensor-Fusion Algorithmen, Rechenleistung sowie weiterer Ressourcen und nicht zuletzt einem profunden Verständnis für die komplexen Herausforderungen bzgl. IP in diesem Bereich, alles verbunden mit Kosten und Verzögerungen auf dem Weg zum verkaufsfähigen Gerät. Obwohl integrierte 3-Achsen Beschleunigungssensoren schon etwa seit 10 Jahren in Geräten der Unterhaltungselektronik eingebaut und von mehreren Herstellern angeboten werden, stellen qualitativ hochwertige Gyroskope zu konsumtauglichen Preisen einige technische Herausforderungen dar, die einen breiten Einsatz bislang verhinderten. Mit dem weltweit ersten integrierten 3-Achsen-Gyroskop, vorgestellt im Jahr 2009, ist Invensense Pionier und Marktführer bei MEMS-Gyroskopen für Consumer-Geräte. Ein entscheidender Vorteil der integrierten 6-Achsen-Lösung ist die perfekte Ausrichtung aller Achsen von Gyroskop und Accelerometer, was kostenträchtige Kalibrierungen erübrigt, wie sie mit diskreten Lösungen notwendig sind. Zudem braucht es kein externes Accelerometer und die neuen MPUs von Invensense werden im gleichen Gehäuse und mit gleichem Pinning angeboten wie die aktuell verfügbaren 3-Achsen Gyroskope, die Fortentwicklung ist daher auf der Hardwareseite recht schmerzfrei. Und mit dem Master I2C-Bus zur Übernahme von 3-Achsen Kompasswerten aus einem externen Sensor lässt sich ein vollständiges 9-Achsen Sensor-Fusion System verwirklichen, das die InvenSense-eigenen und zum Patent angemeldeten DMP- und MPL-Funktionen nutzt.
Motion-Processor MPU-6000 und MPU-6050
- Bild 4: Teilschnitt des MPU-60x0 - zu sehen ist (in Grau) die Gyroskopstruktur.
InvenSense nutzt seine patentierte und felderprobte Nasiri-Herstellplattform, um die weltweit erste 6-Achsen Lösung auf den Markt zu bringen. Der Nasiri-Herstellprozess ist die Schlüsseltechnologie für Motion-Processing, da es die Integration von mikromechanischen MEMS Strukturen und CMOS-Elektronik auf Wafer-Ebene ermöglicht und damit die Scaling-Probleme aus der Fertigung eliminiert, die sonst mit MEMS verbunden sind. Die MPU Produktfamilie stützt sich auf bewährte 8" Wafer-Fabrikationslinien von Herstellern mit Weltruf sowie auf eigene, serientaugliche Test- und Kalibriereinrichtungen in Taiwan, um die hohen Anforderungen an Stückzahlen im Consumer-Markt zu erfüllen. Die MPU-6000 und MPU6050 Bausteine beinhalten daneben die proprietäre DMP-Engine zur 9-Achsen Sensor-Fusion und sind daher heute die einzig vollständige Lösung am Markt. Die Messbereiche des MPU-6000 und MPU-6050 lassen sich vom Anwender programmieren und betragen ±250 dps, ±500 dps, ±1000 dps und ±2,000 dps für Drehratenmessung sowie ±2g, ±4g, ±8g und ±16g bei der linearen Beschleunigungsmessung. Das ermöglicht den Einsatz einer einzigen Motion-Processing-Lösung und jede denkbare Bewegungsanwendung von der langsamen Menüauswahl bis hin zur Erkennung schneller Gesten, alles erfasst mit 16-Bit Auflösung. Bezüglich der Rauscheigenschaften setzt der Baustein mit seinen 0.005 degrees/sec/√Hz einen neuen Industriestandard und bietet damit höchste Qualität und Anwendungsfreundlichkeit bei der Bildstabilisierung oder bei Zeige- und Spielanwendungen. Eine genaue Kalibrierung im Werk mit ±1% Abweichung der initialen Empfindlichkeit reduziert die Notwendigkeit zur anwenderseitigen Nachjustierung. Das Gyroskop arbeitet bei einer Resonanzfrequenz von über 27 kHz und daher ist der MPU-60x0 weitgehend immun gegen Interferenzen mit hörbaren Frequenzen (20 .. 20.000Hz) wie etwa Musik, Telefonklingel oder Rauschen, was für geräuschempfindliche Anwendungen wie beispielsweise Bild stabilisierung sehr wichtig ist. Weitere, industrieweit führende Eigenschaften sind ein 4 x 4 x 0.9mm 24-pin QFN Kunststoffgehäuse, On-Chip 16-bit ADCs, programmierbare digitale Filter, Präzisionstaktgeber mit 2% Abweichung im Bereich von -40°C bis 85°C, ein eingebetteter Temperatursensor, programmierbare Interrupts und ein Stromverbrauch von lediglich 5.5 mA. Die Bausteine sind verfügbar mit I2C und SPI-Schnittstelle, einem Betriebsspannungsbereich von 2.5 bis 3.6 V und einer VLogic-Schnittstellenspannung von 1.71 bis 3.6 V.
- MPU 6000 and MPU 6050 Register Map and Description Revision-3.2
- MPU 6000 and MPU 6050 9-Axis Evaluation Board User Guide
Die Motion-Processing-Library MPL
- Bild 5: MPU-60x0 Blockdiagramm. Messwerte der MEMS-Sensorik werden mit 16 Bit Auflösung digitalisiert.
- Bild 6: Motion-Processing Library.
Mit der Integration der Digital Motion Processing Engine (DMP) in die MPU-6000'er-ICs hat Invensense erhebliche Rechenpower in das IC verlagert, die ansonsten von einer Host-CPU zu leisten wäre. Gerade im Hinblick auf Applikationen wie TV-Remotes erweist sich diese Strategie als zielführend, sind doch dort verwendete CPUs i.d.R. eher schwachbrüstig. Allerdings wird es nun etwas aufwändiger, den Baustein zu initialisieren, parametrisieren und Messwerte abzuholen, ein einfaches Registermodell reicht für die komplexen Funktionen nicht mehr aus. Aus diesem Grund hat Invensense eine API entwickelt, die sog. Motion-Processing-Library (MPL), die kostenlos zur Verfügung steht und im Source-Code vorliegt. Die MPL ist ein Software-Layer, der die Integration und Anbindung eines Anwendungsprozessors stark vereinfacht. Sie ermöglicht u.a. den direkten Zugriff auf die Bewegungsdaten in Form von Quaternionen, Rotationsmatrizen (Eulerwinkel), sowie auf Größen wie lineare Beschleunigung und Schwerkraft und erübrigt damit komplexe Berechnungen. Der DMP reduziert in Verbindung mit der MPL die Auslastung des Anwendungsprozessors um bis zu Faktor 10 und beseitigt jegliche Echtzeitbedingung für das Holen und Verarbeiten der Daten womit es möglich wird, 9-Achsen Bewegungsverarbeitung auf Smart-Phone Plattformen mit Sub-1GHz Prozessoren zu implementieren. Die Motion-Processing-Library ist auch für verschiedene populäre mobile Betriebssysteme wie Android verfügbar, sowohl für das aktuelle Gingerbread als auch für ältere Versionen wie Éclair (2.1) und Froyo (2.2).
