Разработка электроники. Субьективный обзор наиболее полезных интегральных датчиков
Того датчика, что слева я уже касался на страницах хабра, поэтому сегодня поговорим о его младших собратьях.
Когда задумываешь новый стартап, порой кажется, что в области электронных приборов всё уже придумали до нас и рамки простора для творчества сегодня сильно сузились. На самом деле, это далеко не так. За последние несколько лет в мире электронных компонентов произошли революционные изменения, которые продолжаются и по сей день. Изображёные на фоне монеты чипы немыслимы были ещё 5 лет назад, но в течение только этого года их семейство получило несколько пополнений.
Современные электронные компоненты позволяют не только создавать новые, но и расширять функциональность давно существующих устройств. Разработанные с их применением приборы становятся меньше, дешевле, функциональнее и проще в использовании, чем их предшественники. Но главное — они проще интегрируются в наш цифровой мир, а значит хорошо масштабируются. Это одна из основных причин по которой технологичные стартапы набирают сегодня популярность у инвесторов.
О современных микроконтроллерах и методиках, упрощающих процесс «изобретения» новых продуктов, можно прочитать в моих предыдущих статьях. Сегодня же очередь дошла до датчиков. Невозможно объять необъятное, поэтому я сделал краткий и чисто субъективный обзор интегральных датчиков, которые по моему личному опыту, могут быть наиболее полезны как при проектировании совершенно новых приборов, так и в ходе модификаций с целью придать новые качества давно выпускаемым устройствам, чтобы выделить их из ряда конкурентов. Преимущества отдавал тем, достоинства которых успел оценить в своих проектах.
Общие тенденции
Для того, чтобы функционировать ваше устройство должно общаться с внешним миром, получая информацию. Человек использует для этого органы чувств, а устройство под управлением микроконтроллера — датчики. С годами датчики становятся всё меньше по размерам, всё умнее и, что немаловажно, дешевле. Аналоговые интерфейсы уступают место цифровым. Датчики научились производить последовательность измерений автономно и помещать их в собственную буферную память. В них встраиваются препроцессоры для первичной обработки и анализа результатов измерений. Количество регистров для настройки режимов работы и обработки данных порой переваливает за сотню. Наличие процедур самокалибровки и табличные функции позволяют приближать результат к линейной зависимости в широком диапазоне внешних условий (температуры, влажности и т. п.). В датчиках всё шире используются MEMS (микроэлектромеханические) технологии. Они научились самостоятельно проводить длительные процессы измерений и подавать сигналы при выходе параметров за допустимый диапазон. Современные технологии снизили энергопотребление многих типов датчиков до такого уровня, что они годами могут работать от одной маленькой батарейки.
Инерциальные датчики
Самыми полезными для расширения функциональности прибора безусловно являются «инерциальные датчики» выполненные по технологии MEMS. Сегодня наиболее популярны шестиосевые датчики, содержащие трёхосевые акселерометр и гироскоп. К услугам тех, кто хочет получить ещё больше информации об ориентации в пространстве 9 осевые датчики, в 
которые добавлен магнитометр. Инерциальные датчики предоставляют огромные возможности для усовершенствования старых и создания новых приборов благодаря тому, что имеют сотни не вполне очевидных с первого взгляда применений.
Среди этой триады акселерометр безусловно играет главную роль. При работе на частотах опроса порядка нескольких десятков герц, он имеет исключительно низкий ток потребления — десятки микроампер. Современные чипы инерциальных датчиков включают в себя препроцессоры обработки данных. Они способны в автономном режиме производить весьма сложную первичную обработку полученных данных с помощью аналоговых и цифровых фильтров, имеющих программно настраиваемые параметры. Благодаря наличию буфера памяти FIFО они могут накапливать полученные результаты, производить их анализ и посылать сигнал на пробуждение микроконтроллеру только после того, как будут достигнуты записанные в память граничные условия. Ы качестве граничных условий могут выступать не только такие простые, как превышение уровня ускорения, а, например, смена ритма ходьбы. Да, да, основываясь на показания акселерометра датчики научились самостоятельно распознавать характер движения и даже отдельные его параметры. В нужный момент датчик пробуждает микроконтроллер и передаёт в него накопленные данные из FIFO буфера. Микроконтроллер проводит более серьёзный анализ, при необходимости выполняет ответные действия и снова погружается в сон. Такой алгоритм наилучшим образом подходит для высокопроизводительных ARM MCU с пониженным энергопотреблением.
Обладая размерами в несколько миллиметров? такие датчики как нельзя лучше подходят для охранных приложений, датчиков вскрытия, выключателей питания герметичных устройств. На их основе удобно реализовывать безкнопочные элементы управления для устройств в андивандальном исполнении и/или тяёлых условий эксплуатации. Возможно отслеживать взаимное положение частей тела человека или сложной конструкции, определять характер движения (отличать ходьбу от бега или поднятия по лестнице, фиксировать моменты неподвижности, поворота или «трогания с места» автомобиля и т. п.), определить момент возникновение опасной вибрации двигателя или турбины, подать сигнал о том, что наклон вышел за допустимые пределы и много чего ещё! 
Как это не удивительно, даже 9 канальные датчики так и не научились толком решать задачу, для которой казалось бы и были предназначены изначально. Отслеживать траекторию движения с приемлемой точностью они способны только в пределах перемещений на короткие дистанции и малых промежутков времени. Использование их для замены GPS навигацию внутри закрытых помещений невозможно — слишком быстро накапливают ошибки измерений. Кроме того, в зависимости от времени и температуры «плывут» показания гироскопа, а магнитометр требует предварительной калибровки. Помните эти надоедливые требования описать восьмёрку вашим телефоном для ориентации в пространстве? Это именно из той оперы…
Датчики для измерения перемещений и расстояний
Чрезвычайно большая плеяда устройств с разными принципами действия и размерами.
Одно из наиболее востребованных применений — определение малых перемещений.
Оптимальное решение задачи измерения зависит от материала движущихся объектов. Герконы являются наиболее дешёвыми и простыми для грубого определения положения намагниченных предметов, но существую гораздо более продвинутые интегральные решения на основе эффекта холла. Индукционные датчики имеют весьма ограниченное применение, а вот ёмкостные используются гораздо чаще, ввиду простоты микроминиатюризации.
Свои преимущества имеют датчики на основе оптопар, они используются давно и широко. На ультразвуковых датчиках расстояния, чрезвычайно популярных благодаря повсеместному использованию в качестве модулей для Arduino, останавливаться не буду.
Незаслуженно редко в разрабатываемых приборах используют датчики на основе «миниатюрных фотокамер» и лазеров. По моему мнению зря, ведь благодаря повсеместному применению в манипуляторах типа «мышь», цена на эти устройства находится на весьма низком уровне.
Так датчик PAN3101 на основе камеры с разрешением до 800 точек на дюйм у китайцев можно купить дешевле полутора долларов за штуку.
Самому мне приходилось использовать лазерный сенсор VL6180XV0. Он стоит в районе двух с половиной долларов и подходит для изменения расстояний до 10 см. Я пытался заменить им ультразвуковой датчик, чтобы увеличить точность определения расстояния в пушере, выталкивающем сигаретные пачки, но для этого мне требовалась несколько большая дальность. Помогло тщательное изучение даташитов, в которых удалось найти упоминание о слабодокументированной особенности -возможности переключения диапазона измеряемых расстояний. В результате, я смог увеличить его до 30 см. К сожалению, это отрицательным образом сказалось на точности измерений. Потерю пришлось компенсировать введением цифровой фильтрации и сложным алгоритмом определения положения с учётом предыдущих состояний.
Не могу не сказать хотя бы пару слов о лидарах — твёрдотельных устройствах на основе лазеров, часто содержащих в себе систему подвижых зеркал, используемых для измерения расстояний до объекта. 
Они находят самое широкое применение в беспилотные автомобилях, 3D-картографии, системах управления дронами… Новейшие разработки представляют собой монолитные микросхемы на основе нитрида галлия (GaN) и занимают площадь на плате менее четырёх квадратных миллиметров!
Сенсорные датчики
Наиболее широко сегодня используются ёмкостные сенсоры, которые находят применение в разнообразных элементах управления, вытесняя оттуда решения на основе механики. Ёмкостные сенсоры сегодня успешно заменяют кнопки. Их разнообразие огромно. Существуют готовые панели с контроллерами, которые работают подобно тачскрину ноутбука. 
Сформировать чувствительные к прикосновению пальцев элементы — кнопки и полосы прокрутки возможно на плате из фольгированного текстолита, а для их обслуживания использовать либо специализированные микросхемы, либо встроенные в некоторые микроконтроллеры интегрированные решения. Цена решения зачастую меньше чем у механического варианта, так контроллеры сенсорных кнопок TTP223 можно купить по пять центов за штуку
В случаях, когда требуется герметичность и антивандальное исполнение, стоит рассмотреть вариант применения пьезокнопок. Как нетрудно догадаться, принцип их работы основан на пьезоэффекте. Дополнительным преимуществом этой разновидности кнопок является надёжная и длительная работа в широком диапазоне температур и влажности.
Зачастую в кнопку интегрируют ключи на полевых транзисторах, а также элементы защиты от перегрузки по току, напряжению и неправильного подключения полярности.
МЕМS микрофоны
Это малогабаритные изделия с низким энергопотреблением. На фото изображён сверхминиатюрный микрофон в корпусе 1×1 мм со своими «старшими» братьями. Кроме микрофонов с аналоговым выходом существую и цифровые. Они имеют в своём составе аналоговый усилительный тракт сигнала и АЦП. Их применение позволяет упростить и удешевить схему согласования с микроконтроллером, понизить энергопотребление, уровень помех, а в отдельных случаях и нелинейные искажения.
В моём проекте универсального медицинского прибора потребовался микрофон, способный воспринимать низкочастотные звуки человеческих органов. Большинство МЕМS микрофонов имеют достаточно высокую нижнюю граничную частоту, тем не менее, после довольно долгих поисков удалось найти хороший вариант, правда с аналоговым выходом. Малышка с труднопроизносимым названием SPW0442HR5H-1 производства Knowles размером 3.1 mm x 2.5 mm x 1 mm умеет работать в диапазоне от 10 Гц до 10 КГц и стоит в районе половины евро.
Датчики давления, влажности и температуры
Датчиками давления, влажности и температуры давно никого не удивишь. В зависимости от решаемых задач и бюджета проекта можно подобрать компоненты способные производить прецизионные измерения либо имеющие чрезвычайно низкую стоимость — совмещённый китайский датчик влажности и температуры можно найти за пол доллара.
В одной из своих статей, я уже рассказывал об опыте написания драйверов для совмещённого датчика температуры и давления HTS221. В заключении хочется лишь отметить одну особенность, на которую часто обращают внимание слишком поздно — для получения релевантных значений таких параметров, как влажность и температура, необходима правильная их установка. В противном случае возникнет ситуация, когда вы измеряте совсем не то, что требуется.
Ну и конечно, если нужно передавать результаты измерений в аналоговом виде на сравнительно большие расстояния (например при измерении высоких температур с помощью термопар), особое внимание следует уделить линиям передачи и согласования сигнала.
Специализированные датчики для медицинских применений
В последнее время, как стартапы, так и ведущие производители электронных компонентов, работающих в этой области, уделяют самое непосредственное внимание разработке и производству высокоинтегрированных микросхем, совмещающих в себе датчики и сложные цепи обработки сигналов.
Интегральные компоненты и приборы для телемедицины — большая и интересная тема, но ввиду ограничения по месту и времени, в завершении статьи я кратко упомяну только об одном подобном сенсоре, c которым непосредственно имею дело сейчас, в ходе проекта по разработке универсального медицинского прибора.
Это микросхема производства Maxim Integrated MAX81650, именно её корпус изображён на заставке поста с сохранением пропорций рядом с монетой. Она умеет измерять частоту сердечного ритма, уровень кислородного насыщения мышц, а главное, снимать одноканальную электрокардиограмму.
Внутри корпуса размером всего лишь 3.3×5.6×1.3 мм скрывается 19 канальное АЦП, красный и зелёный светодиоды со встроенными драйверами, фотодиод и канал обработки данных — узлы для подавления шума, удаления внешних засветов фотодиодов, буфер FIFO, цифровые и аналоговые фильтры. Напряжение питания микросхемы составляет всего 1.8 вольт, а энергопотребление при неиспользуемых светодиодных драйверах меньше 100 микроампер в активном режиме и порядка микроампера в режиме сна.
Такие впечатляющие функции при цене существенно ниже 10 долларов в розницу, позволяют разрабатывать на её основе, например, малогабаритное медицинское оборудование для обнаружения отклонения сердечной деятельности на ранних стадиях болезни. Возможно создание чрезвычайно компактных полностью автономных приборов для длительного контроля состояния пациента в домашних условиях и в моменты физической нагрузки.
Данное семейство микросхем постоянно расширяется, буквально по несколько раз в год появляются его новые представители. Большинство ведущих производителей электронных компонентов также развивают разработки по многим направлениям направлениям в области медицины — от сверхминиатюрных видеокамер до интегральных датчиков для УЗИ.
Огромные перспективы в этой области открывает совместное использование приборов на новейшей элементной базе и искусственного интеллекта для диагностики заболеваний. Но об этом в следующий раз…
