32-bit mikrokontrolerji, senzorji, razvojna orodja

seznam 1

Seznam 1: Odprtokodni gonilnik Bosch Sensortec BME680 zagotavlja celotno osnovno podporo programske opreme za interakcijo z gonilnikom BME680 in prikazuje ključne strukture programske opreme, ki vsebujejo ključne konfiguracijske vrednosti. (Vir kode: Bosch Sensortec)

struct bme680_dev {
 /*! Chip Id */
 uint8_t chip_id;
 /*! Device Id */
 uint8_t dev_idDK;
 /*! SPI/I2C interface */
 enum bme680_intf intf;
 /*! Memory page used */
 uint8_t mem_page;
 /*! Ambient temperature in Degree C*/
 int8_t amb_temp;
 /*! Sensor calibration data */
 struct bme680_calib_data calib;
 /*! Sensor settings */
 struct bme680_tph_sett tph_sett;
 /*! Gas Sensor settings */
 struct bme680_gas_sett gas_sett;
 /*! Sensor power modes */
 uint8_t power_mode;
 /*! New sensor fields */
 uint8_t new_fields;
 /*! Store the info messages */
 uint8_t info_msg;
 /*! Burst read structure */
 bme680_com_fptr_t read;
 /*! Burst write structure */
 bme680_com_fptr_t write;
 /*! Delay in ms */
 bme680_delay_fptr_t delay_ms;
 /*! Communication function result */
 int8_t com_rslt;
};

seznam 2

Seznam 2: Gonilnik BME680 vključuje rutine, ki so značilne za posamezni senzor, kot je ta funkcija, ki neobdelane podatke senzorja plina pretvori v kalibrirane odčitke z uporabo kalibracijskih podatkov senzorja, shranjenih v napravi. (Vir kode: Bosch Sensortec)

static uint32_t calc_gas_resistance(uint16_t gas_res_adc, uint8_t gas_range, const struct bme680_dev *dev)
{
 int64_t var1;
 uint64_t var2;
 int64_t var3;
 uint32_t calc_gas_res;

var1 = (int64_t) ((1340 + (5 * (int64_t) dev->calib.range_sw_err)) *
 ((int64_t) lookupTable1[gas_range])) >> 16;
 var2 = (((int64_t) ((int64_t) gas_res_adc << 15) - (int64_t) (16777216)) + var1);
 var3 = (((int64_t) lookupTable2[gas_range] * (int64_t) var1) >> 9);
 calc_gas_res = (uint32_t) ((var3 + ((int64_t) var2 >> 1)) / (int64_t) var2);

return calc_gas_res;
}

seznam 3

Seznam 3: Distribucija programske opreme za zaznavanje okolja proizvajalca Bosch (BSEC) vključuje vzorčno programsko opremo, kot je ta glavna rutina, ki prikazuje inicializacijo naprave in vzorčenje senzorjev. (Vir kode: Bosch Sensortec)

int main()
{
 /* Call to the function which initializes the BSEC library 
 * Switch on low-power mode and provide no temperature offset */
 bsec_iot_init(BSEC_SAMPLE_RATE_LP, 0.0f, bus_write, bus_read, sleep);

 /* Call to endless loop function which reads and processes data based on sensor settings */
 bsec_iot_loop(sleep, get_timestamp_us, output_ready);

 return 0;
}

seznam 4

Seznam 4: Z gonilnikom Bosch Sensortec BME680 in paketom programske opreme BSEC lahko razvijalci uporabljajo lastne vhodno-izhodne rutine vodil programske opreme, ki so značilne za določeno platformo, kot je ta rutina zapisovanja vodila, ki za delovanje na platformah, združljivih s strojno opremo Arduino, uporablja knjižnico Arduino Wire. (Vir kode: Bosch Sensortec)

#include <Wire.h>

int8_t bus_write(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *reg_data_ptr, uint8_t data_len)
{
 Wire.beginTransmission(dev_addr);
 Wire.write(reg_addr); /* Set register address to start writing to */
 /* Write the data */
 for (int index = 0; index < data_len; index++) {
 Wire.write(reg_data_ptr[index]);
}
 return (int8_t)Wire.endTransmission();
}

[/vc_column_text][/vc_tta_section][/vc_tta_tabs]

Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2018_260_26

Zasnovam za industrijo in internet stvari hitro dodajte zaznavanje okolja. Merjenje okoljskih parametrov je mogoče uporabljati kot osnovo za ustvarjanje naprednih funkcij za varnost in dobro počutje, namenjenih za tovarniško in industrijsko uporabo ter pametne stavbe, aparate in osebne izdelke. Vendar pa morajo razvijalci najti način, s katerim lahko učinkovito združijo rezultate več senzorjev, ki omogočajo prihranek prostora, energije in stroškov, hkrati pa zagotavljajo največjo možno natančnost, točnost in zanesljivost.

Da to dosežejo, se lahko razvijalci zdaj zanesejo na napredne algoritme za integracijo senzorjev, ki omogočajo tvorjenje podatkov o kakovosti zraka, temperaturi, vlažnosti in splošnem udobju.

V tem članku je prikazano, kako je mogoče to izvesti z minimalnim naporom, in sicer z uporabo ene naprave in programske opreme proizvajalca Bosch Sensortec, natančneje naprave BME680 ter z njo povezane strojne in programske opreme.

Predpisi, ki spodbujajo razvoj senzorjev zraka

Ravni zdravega počutja in udobja so tesno povezane z okoljskimi dejavniki na načine, ki močno presegajo običajno merjenje osnovnih parametrov. Človekov občutek udobne temperature ni odvisen le od temperature, temveč tudi od stopnje vlažnosti. Zdravstveni strokovnjaki so temperaturo in vlažnost združili v »vročinski indeks«, ki opozarja na občutna zdravstvena tveganja pri visokih ravneh izpostavljenosti. Kot prikazuje vročinski indeks, so ljudje, ki delajo pri določeni temperaturi okolja, ob povečanju vlažnosti lahko izpostavljeni občutnim zdravstvenim tveganjem (slika 1).

Strokovnjaki za človeške dejavnike so šli korak dlje in subjektivno »območje udobja« opredelili na podlagi novega parametra »efektivne temperature«, pri čemer sta temperatura in vlažnost združeni v enem indeksu. Spremembe temperature in vlažnosti lahko hitro ustvarijo okolje, ki je za povprečnega posameznika neudobno (slika 2).

Velike spremembe temperature, vlažnosti ali obeh zunaj območja udobja lahko hitro ustvarijo okoliščine, ki so več kot neudobne, tako kot pri vročinskem indeksu. Pri izpostavljenosti določeni stopnji vlažnosti, odvisni od temperature, lahko posamezniki tvegajo celo vročinsko kap. Koncept območja udobja v delovnem okolju je tako pomemben, da so njegovi delovni parametri določeni v standardu 55 Ameriškega združenja inženirjev za ogrevanje, hlajenje in prezračevanje, ki ga je odobril Ameriški nacionalni inštitut za standarde.

Čeprav lahko znatni odkloni zunaj območja udobja vplivajo na zdravje, lahko celo razmeroma majhne spremembe efektivne temperature vplivajo na človeško zmogljivost. Na podlagi eksperimentalnih raziskav, opravljenih na to temo, so raziskovalci ugotovili enakomerno poslabšanje delovne zmogljivosti zunaj razmeroma ozkega razpona efektivne temperature (slika 3).

Hkrati temperatura in vlažnost nikakor nista edina dejavnika, ki vplivata na zdravje in dobro počutje. Hlapne organske spojine, ki izhajajo iz številnih naravnih in človeško ustvarjenih virov, so posebej zahrbtna nevarnost za kakovost zraka. Ker je kakovost zraka ključnega pomena za zdravje, organizacije, kot je Agencija ZDA za varstvo okolja, številne parametre, ki določajo kakovost zraka, združujejo v enem indeksu (slika 4). Indeks kakovosti zraka, ki je običajno predstavljen kot kazalnik zdravja za mesta in večja geografska območja, se neposredno uporablja za mikroklime, stavbe in druga območja z gosto poseljenostjo. Napredni sistemi ogrevanja, hlajenja in prezračevanja v velikih stavbah se običajno zanašajo na določeno merjenje kakovosti zraka, ki je vključeno v njihovo zasnovo za nadzor zračnega toka.

Kompleksna medsebojna povezanost osnovnih dejavnikov, kot so temperatura, vlažnost in hlapne organske spojine, je za inženirje velik izziv pri zasnovi sistemov za zaznavanje ravni zdravja in dobrega počutja. Pomembno je, da razvijalci natančno izmerijo vsakega od teh dejavnikov.

V preteklosti so razvijalci težave zaznavanja odpravili z združitvijo pretvornikov in prilagojenih signalnih verig za obdelavo izhodne osnovne napetosti in električnega toka. Pojav pametnih senzorjev je močno poenostavil razvoj sistemov zaznavanja. Z vgrajenim pretvornikom, senzorsko signalno verigo, analogno-digitalnim pretvornikom in krmilno logiko lahko pametni senzorji gostiteljskemu mikrokontrolerju zagotavljajo točne, temperaturno kompenzirane digitalne senzorske podatke. Te naprave je mogoče povezati z mikrokontrolerji prek vmesnikov SPI ali I2C, ki jih običajno podpira vgrajeni senzor.

Učinkovite rešitve za izpeljane analize, kot sta območje udobja in indeks kakovosti zraka, ne zagotavlja niti nabor posameznih pametnih senzorjev. Poleg tega so posledice uporabe več senzorjev večja kompleksnost zasnove, večji stroški in večja zasedena površina. To razvijalce ovira pri izpolnjevanju zahtev po manjših in učinkovitejših zasnovah.

Zasnove, ki uporabljajo več senzorjev, celo pametne senzorje, imajo velike težave z izpolnjevanjem zahtev po funkcionalnosti, kar je morda še slabše. Za izpeljavo meritve, tudi tako osnovne, kot je efektivna temperatura, morajo razvijalci sinhronizirati temeljne senzorne meritve za uporabo v algoritmih za integracijo senzorjev. Senzor Bosch Sensortec BME680 odpravlja te omejitve zasnove in razvijalcem omogoča, da z eno napravo ter z njo povezano knjižnico integracije senzorjev hitro izpolnijo zahteve za namene zdravja in dobrega počutja.

Vgrajeni pametni senzorji

BME680 je ugnezden senzor za okoljsko zaznavanje, ki vključuje senzorje temperature, vlažnosti, tlaka in plina v podnožju LGA z 8 nožicami, pri čemer meri le 3 mm x 3 mm x 1 mm. Senzor plina zlasti podpira merjenje kakovosti zraka na podlagi meritev številnih plinov.

Naprava omogoča visoko linearnost in natančnost ter pri običajnem delovanju porablja le mikroampere (μA) – v stanju spanja le 0,16 μA. Med običajnim delovanjem senzor BME680 porabi le 1,0 μA za merjenje temperature. Za kombinirano merjenje vlažnosti, tlaka in temperature senzor porabi le 3,7 μA. Narava podsistema senzorja mu omogoča, da pri zaznavanju plina porabi od 0,09 mA do 12 mA, odvisno od načina delovanja.

Večja poraba energije za zaznavanje plina je posledica dvofaznega procesa. Senzor plina je naprava, izdelana iz kovinskega oksida, ki ob stiku s številnimi hlapnimi organskimi spojinami ali drugimi okoljskimi onesnaževali spremeni upor. Preden lahko začne senzor delovati, najprej grelnik v podsistemu senzorja plina poviša temperaturo na raven, ki zagotavlja izvedbo natančne meritve. Krmilni blok grelnika v podsistemu senzorja plina uporablja krmilno zanko za krmiljenje izhodne moči vgrajenega digitalno-analognega pretvornika. Izhodna moč digitalno-analognega pretvornika pa se uporablja za prilagoditev količine toka, ki se dovaja uporovnemu grelnemu elementu, da se poviša temperatura.

Naprava BME680 razvijalcem ponuja več načinov nadzora porabe energije, povezane z zaznavanjem plinov. Na voljo so trije načini delovanja, s katerimi lahko razvijalci porabo energije prilagodijo stopnji posodabljanja. Za vrste uporabe, ki zahtevajo najvišjo stopnjo posodabljanja, lahko senzor plina deluje v neprekinjenem načinu delovanja, ki se posodablja vsako sekundo in porabi 12 mA.

Za vrste uporabe z nizkimi zahtevami posodabljanja lahko razvijalci izbirajo med dvema načinoma. V načinu nizke porabe energije senzor plina posodobi odčitke vsake 3 sekunde (s) in pri tem porabi 0,9 mA. Za vrste uporabe, kjer ima omejitev porabe energije prednost pred stopnjo posodabljanja, lahko razvijalci uporabijo način izjemno nizke porabe energije, pri čemer senzor plina porabi le 0,09 mA, vendar se posodobitve izvedejo vsakih 300 s.

Poleg razlike v stopnji posodabljanja in porabi energije se ta načina močno razlikujeta tudi v odzivnem času senzorja plina. V načinu nizke porabe energije je običajen odzivni čas podsistema senzorja plina 1,4 s. Za način izjemno nizke porabe energije pa je značilen znatno počasnejši odzivni čas, ki običajno znaša 92 s.

Razvijalcem je omogočena tudi določena stopnja nadzora nad porabo energije prek upravljanja postopka segrevanja. Za doseganje želene temperature naprava običajno potrebuje 30 ms segrevanja, preden se izvede meritev senzorja plina. Razvijalci lahko nadzorujejo trajanje segrevanja (in s tem vplivajo na porabo energije), tako da programirajo segrevanje na časovni razpon od 1 ms do 4,032 ms.

Zaporedje zaznavanja

Da se naprava BME680 izogne odvečni porabi energije, se zažene v stanju spanja in čaka na ukaz za merjenje. Razvijalci večinoma upravljajo napravo v vsiljenem načinu, v katerem naprava samodejno zaporedoma vzorči senzorje (slika 5).

V vsiljenem načinu naprava najprej dokonča izvajanje meritev senzorjev temperature, tlaka in vlažnosti ter nato izvede zahtevano segrevanje pred meritvijo senzorja plina. Med fazo segrevanja grelni element običajno doseže temperaturo med 200 °C in 400 °C ter jo ohranja, dokler traja programirani čas segrevanja. S tem, da naprava izvede fazo segrevanja šele po začetnih meritvah senzorjev, prepreči neposredni vpliv grelnega elementa na meritve senzorjev. Ko nazadnje faza segrevanja doseže določeno obdobje trajanja, analogno-digitalni pretvornik naprave generira uporovno vrednost senzorja plina.

Signalna veriga naprave BME680 omogoča razvijalcem optimizacijo določenih meritev. Če želijo razvijalci zmanjšati efektivne šume meritev, lahko programirajo napravo tako, da prevzorči senzorje temperature, vlažnosti in tlaka. Na voljo je tudi možnost vklopa vgrajenega filtra z neskončnim impulznim odzivom, da se zmanjša učinek začasnih dogodkov, povezanih z meritvami senzorjev temperature in tlaka. Čeprav notranji filter z neskončnim impulznim odzivom zmanjša pasovno širino teh meritev, izboljša njihovo ločljivost iz 16 bitov na 20 bitov. Upoštevajte, da zaradi uporabljanih merilnih metod ta vrsta filtriranja ni potrebna za senzorje vlažnosti in plina.

Poleg konfiguriranja merilnih postopkov za senzorje lahko razvijalci ločeno omogočijo ali onemogočijo merjenje določenega senzorja temperature, vlažnosti in tlaka. Vendar proizvajalec Bosch Sensortec razvijalcem priporoča, da merjenje temperature omogočijo, ker s programsko opremo povezana podnožja uporabljajo podatke o temperaturi za popravljanje drugih senzorskih meritev.

Čeprav lahko prevzorčenje in filtriranje zmanjšata šume in izboljšata ločljivost, končni izhodni podatki naprave BME680 temeljijo na nekompenziranih senzorskih vrednostih, ki jih ustvari analogno-digitalni pretvornik v notranjosti naprave. Če želijo razvijalci zagotoviti natančne rezultate, morajo uporabljati kalibracijske parametre, shranjene v napravi. Na srečo gonilniki naprave vključujejo programski vmesnik, ki poskrbi za to opravilo.

Zasnova in razvoj naprave BME680

Kot pomoč pri začetnem načrtovanju zasnov proizvajalec Bosch Sensortec zagotavlja celoten gonilnik in programski vmesnik, ki poenostavi razvoj programske opreme za zasnove, ki uporabljajo napravo BME680. Za osnovne operacije, kot je izravnava podatkov, morajo razvijalci poklicati ločene funkcije programskega vmesnika za posamezni senzor. Klicni parametri funkcije calc_gas_resistance na primer vključujejo izhodno moč analogno-digitalnega pretvornika senzorja plina in podatkovno strukturo BME60 (seznam 1), ki se uporablja za dostop do kalibracijskih podatkov, shranjenih v napravi, glej seznam 1.

Na podlagi parametrov, shranjenih v napravi, funkcija vrne popravljeni rezultat senzorja plina (seznam 2), glej seznam 2.

Vendar, kot je bilo že navedeno, bolj uporabne vrednosti, kot so efektivna temperatura, raven udobja in kakovost zraka, izhajajo iz neobdelanih podatkov senzorjev za temperaturo, vlažnost in plin prek algoritmov. Kakovost zraka na primer ni odvisna le od odčitkov senzorja plina o hlapnih organskih spojinah, temveč tudi od efektivne temperature, ki je odvisna od rezultatov temperature in vlažnosti ustreznih senzorjev. Poleg teh kompleksnih algoritmov zahteva naravni premik senzorjev redno uporabo kalibracijskih metod, da se ohranijo natančni rezultati. Paket programske opreme za okoljsko zaznavanje proizvajalca Bosch (BSEC) odpravlja te težave tako, da razvijalcem omogoča preprosto generiranje kompleksnih podatkov, ki so potrebni za uporabo, povezano z zdravjem in dobrim počutjem.

Programska oprema BSEC, izdelana na podlagi odprtokodnega kompleta gonilnika BME680, je binarni paket zaprtega vira, ki uporablja algoritme, potrebne za integracijo senzorjev. Z uporabo odčitkov senzorjev BME680 lahko algoritmi programske opreme BSEC generirajo metriko za kakovost zraka v notranjih prostorih, ki upošteva standardni indeks kakovosti zraka, prikazan na sliki 4.

Proizvajalec Bosch Sensortec ponuja programsko opremo BSEC kot binarno distribucijo za velike arhitekture naborov ukazov, vključno s krmilniki ARM® Cortex®-M, Espressif Systems ESP8266 in Renesas RL78. Distribucija programske opreme BSEC zajema tudi datoteke z glavo v programskem jeziku C za vmesnik opreme BSEC ter vzorčno programsko opremo, ki prikazuje uporabo vmesnika opreme BSEC za integracijo senzorjev. Vzorec glavne rutine (seznam 3) na primer prikazuje celoten program senzorja z uporabo le dveh funkcij za inicializacijo naprave in redno vzorčenje senzorjev BME680, glej seznam 3.

Razvijalci uporabljajo funkcijo bsec_iot_init za določanje frekvence vzorčenja, temperaturnega odmika in obdobja spanja med vzorci. Dva dodatna parametra, bus_write in bus_read, omogočata razvijalcem spreminjanje metod za dostop do vodil za odčitanje in zapisovanje registrov senzorjev BME680.

Sistemska konfiguracija omogoča razvijalcem, da določijo lastne rutine programske opreme za zapisovanje in branje z vodil. Gonilnike ali paket programske opreme BSEC lahko na primer preprosto zaženejo na platformi Arduino s knjižnico Arduino Wire za vhodno-izhodno vodilo (seznam 4). Gonilniki in programska oprema BSEC uporabljajo strukturo naprave, ki vsebuje kazalce za prilagojene vhodno-izhodne rutine. Med izvajanjem programa delovna koda izvaja operacije vodil z vhodno-izhodnimi rutinami programske opreme, povezanimi z omenjenimi kazalci v strukturi naprave, glej seznam 4.

V povezavi z razvojno platformo lahko uporabniki izkoristijo prednosti ocenjevalnih plošč, združljivih s platformo Arduino, in plošč, ki jih ponuja proizvajalec Bosch Sensortec. Proizvajalčeva plošča Shuttle BME680 napravi BME680 zagotavlja ozemljitveno analogno napajanje VDD, ozemljitveno VDDIO digitalno napajanje in zaporedni vmesnik (izbira čipa, zaporedni podatkovni vhod, zaporedni podatkovni izhod, zaporedni vhod ure). Razvijalci lahko uporabljajo ploščo Shuttle v lastnih, po meri izdelanih zasnovah na osnovi mikrokrmilnika, ali ploščo Shuttle preprosto priklopijo na aplikacijsko ploščo proizvajalca Bosch Sensortec.

Razvijalcem, ki uporabljajo platformo Arduino, priklopna plošča MikroElektronika MIKROE-2467 MikroBUS omogoča preprosto povezavo z združljivimi razvojnimi ploščami. Priklopna plošča skupaj z BME680 vključuje vmesnik USB in regulatorje napajalne napetosti. Razvijalci lahko priklopno ploščo uporabljajo samostojno ali jo priklopijo na strojno opremo, združljivo s konektorji MikroBUS, kot je razvojna plošča MikroElektronika MIKROE-2340 (slika 6).

Plošča vključuje 32-bitni mikrokontroler Microchip Technology PIC32MZ2048EFH100, ki združuje visoko zmogljivo procesorsko jedro MIPS32 razreda M, enoto s premično vejico, Flash pomnilnik 2 MB, statični pomnilnik 512 KB, številne analogne periferne naprave in standardne digitalne vmesnike. Poleg standardnih konektorjev plošča MIKROE-2340 zajema razvojna vrata in lučke LED za preprosto obveščanje uporabnika.
Edinstvena funkcija plošče je podpora za konektorje MikroBUS in Arduino, ki so na voljo na obeh straneh te dvostranske plošče. V povezavi z zasnovo programske opreme plošča podpira chipKIT, odprtokodno vdelano razvojno okolje, združljivo s platformo Arduino. Razvijalci lahko z uporabo že znanega okolja Arduino izkoristijo prednosti razširjenega ekosistema Arduino in s tem hitro uporabijo sisteme okoljskega zaznavanja.

Sklep

Uporaba programske opreme in gonilnika za okoljsko zaznavanje proizvajalca Bosch skupaj z napravo Bosch Sensortec BME680 znatno zmanjša kompleksnost, stroške in zasedeno površino tako strojne kot programske opreme za okoljsko zaznavanje.

Ta kombinacija zagotavlja številsko oceno kakovosti zraka, efektivne temperature in udobja, pri čemer razvijalcem omogoča, da ustvarijo naprednejše zasnove, ki izpolnjujejo zahteve glede zdravja, dobrega počutja in varnosti za uporabo v industriji, mestih ter domačem okolju.

www.digikey.com