سنسورهای موشن ترکینگ

MotionTracking شامل ردیابی حرکت اجسام و انتقال داده های اندازه گیری شده توسط سنسور به برنامه برای پردازش بیشتر می باشد. Motion Tracking به منظور حرکت یک جسم در مسیر الگوی ذخیره شده استفاده می شود. Motion Tracking دارای طیف گسترده ای از کاربردها از قبیل نظامی، سرگرمی، ورزشی، برنامه های کاربردی پزشکی، اعتبارسنجی بینایی کامپیوتر و رباتیک است. علاوه بر این در ساخت فیلم و بازی های ویدیویی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شتاب‌سنج

شتاب سنج وسیله ای است که ارتعاش یا شتاب حرکت سازه را اندازه گیری می کند. نیروی ناشی از ارتعاش یا تغییر در حرکت (شتاب) باعث می شود که جرم ماده پیزوالکتریک را “فشرده” کند که بار الکتریکی متناسب با نیروی وارد شده بر آن تولید می کند. از آنجایی که بار با نیرو متناسب است و جرم آن ثابت است، پس بار نیز با شتاب متناسب است. این حسگرها به روش‌های مختلفی از ایستگاه‌های فضایی گرفته تا دستگاه‌های دستی مورد استفاده قرار می‌گیرند، و این احتمال وجود دارد که شما قبلاً دستگاهی با شتاب‌سنج در آن داشته باشید. به عنوان مثال، تقریباً همه تلفن های هوشمند امروزی دارای شتاب سنج هستند. آنها به تلفن کمک می کنند تا بداند آیا در هر جهتی تحت شتاب قرار می گیرد یا خیر، و دلیل روشن شدن صفحه نمایش تلفن شما با چرخاندن آن است. در یک محیط صنعتی، شتاب‌سنج‌ها به مهندسان کمک می‌کنند تا پایداری دستگاه‌ها را درک کنند و آنها را قادر می‌سازند تا هرگونه نیرو/ارتعاش ناخواسته را نظارت کنند.

یک شتاب سنج با استفاده از یک حسگر الکترومکانیکی کار می کند که برای اندازه گیری شتاب استاتیک یا دینامیکی طراحی شده است. شتاب ایستا نیروی ثابتی است که بر جسم وارد می شود، مانند گرانش یا اصطکاک. این نیروها تا حد زیادی قابل پیش بینی و یکنواخت هستند. به عنوان مثال، شتاب ناشی از گرانش در 9.8 متر بر ثانیه ثابت است و نیروی گرانش تقریباً در هر نقطه از زمین یکسان است.

اصل کلی شتاب سنج ها این است که آنها می توانند شتاب را تشخیص داده و آن را به مقادیر قابل اندازه گیری مانند سیگنال های الکتریکی تبدیل کنند.

 

مروری بر IAM20381

 

شتاب سنج موشن ترکینگ IAM20381

IAM20381 یک شتاب سنج موشن ترکینگ 3 محوره است که شتاب سنج 3 محوره را با یک ADC  16بیتی روی تراشه ایی در پکیج 16 پینLGA  سایز small 3×3×0.75mm) ) ادغام می کند.

یکی از ویژگی‌های این  شتاب سنج وجود بافر  FIFO  512-byteاست که میتواند ترافیک در رابط باس سریال (serial bus) را کاهش داده و به پردازنده اجازه میدهد تا اطلاعات سنسور را خوانده و با رفتن روی حالت کم مصرف موجب کاهش مصرف انرژی میشود.

همچنین شتاب سنج موجود در این سنسور نیز یک شتاب سنج قابل تنظیم توسط کاربر است که دارای FSR قابل برنامه ریزی 2g±، 4g± ، 8g ± و 16g± میباشد.

از دیگر ویژگی‌های بارز این محصول میتوان به وجود فیلترهای قابل تنظیم، سنسور دمای تعبیه شده و وقفه‌های قابل تنظیم ، توانایی برقراری ارتباط هم از طریق پروتکل I2C  و هم از طریق SPI میباشد.

ماژول GebraBitIAM20381

GebraBit IAM20381

بعد از توضیحات ذکر شده در بالا متوجه شده اید که سنسور IAM20381 با توجه به پکیج LGA و عدم دستسرسی به پین های سنسور،کاربر برای توسعه سخت افزاری و البته توسعه نرم افزاری سنسور،نیاز به یک مدار راه انداز و درایور دارد.GebraBit برای راحتی کاربران این امر را با پیاده سازی مدار سنسور IAM20381 و ارایه دسترسی به پین های سیگنال های ارتباطی و تغذیه ، با فابلیت انتخاب پروتکل ارتباطی I2C یا SPI و ولتاژ کاری و سطح لاجیک پروتکل های ارتباطی ، محق ساخته است.

کافیست ماژول GebraBit IAM20381 را در BreadBoard قرار داده سپس با اعمال ولتاژ مورد نیاز و انتخاب پروتکل ارتباطی I2C یا SPI ، ماژول  GebraBit IAM20381 را با هریک از برد های اردوینو، رزبری پای ، دیسکاوری و مخصوصا ماژول GebraBit STM32F303 یا GebraBit ATMEGA32  که پیشنهاد ما استفاده از ماژول های توسعه میکروکنترلری GebraBit هست،راه اندازی و دیتا را دریافت کنید.

دلیل پیشنهاد ما در راه اندازی ماژول GebraBit IAM20381 با ماژول های توسعه میکروکنترلری GebraBit مانند GebraBit STM32F303 یا GebraBit ATMEGA32  ،وجود رگولاتور داخلی 3V3 در آنها و  سازگاری ترتیب پین های همه ماژول های GebraBit  با هم بوده(استاندارد GEBRABUS) که فقط کافیست ماژول  GebraBit IAM20381 را مانند تصویر بالا در سوکت مربوطه قرار داده و بدون نیاز به سیم کشی ،ماژول سنسور مورد نظر را توسعه دهید.

معرفی بخش های ماژول

سنسور IAM20381

ای سی اصلی این ماژول بوده که در مرکز ماژول قرار گرفته و مدار ان طراحی شده است.

جامپرهای انتخاب پروتکل ارتباطی

در صورتی که مقاومتهای 0R تمام Jumper Selector ها به سمت چپ باشد،پروتکل I2C اتنخاب شده است.

در صورتی که مقاومتهای 0R تمام Jumper Selector ها به سمت راست باشد،پروتکل SPI اتنخاب شده است.

به صورت پیش فرض نیز پروتکل I2C انتخاب شده است.

 

جامپرAD0 SEL

در صورت انتخاب پروتکل I2C  ،وضعیت جامپر AD0 SEL آدرس I2C سنسور  ( 0x68  =>0 یا  0x69  =>1) را مشخص می کند.

 

 

به صورت پیش فرض مقاومت 0R روی 0 قرار داشته و  آدرس  0x68  انتخاب شده است.

 

جامپرVDIO SEL  

با توجه به وضعیت مقاومت  0R این جامپر ، سطح منطق (Logic Level) ارتباط دیجیتال(I2C  یا SPI) سنسور از بین 1V8 و 3V3 انتخاب می شود.

به صورت پیش فرض سطح منطق (Logic Level) ارتباط دیجیتال(I2C  یا SPI) سنسور 3V3 انتخاب شده است.

 

جامپرVDD SEL

با توجه به وضعیت مقاومت  0R این جامپر ، ولتاژ اصلی تغذیه سنسور از بین 1V8 و 3V3 انتخاب میشود.

 

به صورت پیش فرض ولتاژ اصلی تغذیه سنسور 3V3 انتخاب شده است.

 

تغذیه LED

با توجه به وضعیت جامپر VDD SEL و اعمال ولتاژ به ماژول توسط پین مربوطه، LED ماژول روشن می شود.

پین های ماژول     

پین های تغذیه

• 3V3 : این پین می تواند با توجه به وضعیت Jumper Selector های VDDSEL و VDIOSEL ،تغذیه اصلی سنسور و سطح منطق(Logic Level) ارتباط دییجیتال(I2C یا SPI) سنسور را تامین کند.
• 1V8 : این پین می تواند با توجه به وضعیت Jumper Selector های VDDSEL و VDIOSEL ،تغذیه اصلی سنسور و سطح منطق(Logic Level) ارتباط دییجیتال(I2C یا SPI) سنسور را تامین کند.
• GND : این پین زمین مشترک برای تغذیه و سطح منطق(Logic Level) سنسور می باشد.

 

 

 

 

 

 

پین های I2C

با استفاده از Jumper Selector های تعبیه شده روی برد می توان نوع ارتباط با ماژول را انتخاب کرد.در صورتی که مقاومتهای 0R تمام Jumper Selector ها به سمت چپ باشد،پروتکل I2C اتنخاب شده است.وضعیت جامپر AD0 SEL آدرس I2C سنسور ( 0x68 یا 0x69 ) را مشخص می کند.

• SDA : این پین، پین دیتای ارتباط I2C می باشد، که به پین دیتای متناظر در میکروکنترلر(پردازنده) ، متصل می شود.با توجه به وضعیت جامپر VDIOSEL ،می توانید از سطح منطق(Logic Level) با ولتاژ 1V8 یا 3V3  استفاده کنید.این پین با یک مقاومت 10K پول آپ (Pull Up) شده است.
• SCL : این پین، پین کلاک ارتباط I2C می باشد، که به پین کلاک متناظر در میکروکنترلر(پردازنده) ، متصل می شود.با توجه به وضعیت جامپر VDIOSEL ،می توانید از سطح منطق(Logic Level) با ولتاژ 1V8 یا 3V3 استفاده کنید.این پین با یک مقاومت 10K پول آپ (Pull Up) شده است.

 

 

پین های SPI

با استفاده از Jumper Selector های تعبیه شده روی برد می توان نوع ارتباط با ماژول را انتخاب کرد.در صورتی که مقاومتهای 0R تمام Jumper Selector ها به سمت راست باشد،پروتکل SPI اتنخاب شده است.وضعیت جامپر AD0 SEL در این حالت بی تاثیر است.

• SDI(MOSI) : از این پین، برای ارسال دیتا از میکروکنترلر(پردازنده) به ماژول(سنسور) استفاده میشود.نام اختصاری این پین برگرفته از عبارت لاتین Serial Data In / Microcontroller Out Sensor In می باشد.
• SDO(MISO) : از این پین، برای ارسال دیتا از ماژول(سنسور) به میکروکنترلر(پردازنده) استفاده میشود.نام اختصاری این پین برگرفته از عبارت لاتین Serial Data Out / Microcontroller In Sensor Out می باشد.
• SCK : این پین، پین کلاک برای ارتباط SPI بوده که از نوع ورودی (Input) برای سنسور محسوب و به پین کلاک متناظر در میکروکنترلر(پردازنده) ، متصل می شود.
• CS : این پین، پین Chip Select برای ارتباط SPI با ماژول(سنسور) می باشد، که با اعمال ولتاژ LOW (0V) ،ماژول(سنسور) برای ارتباط SPI انتخاب می شود.این پین از نوع ورودی (Input) برای سنسور محسوب می شود.

 

 

در صورتی که می خواهید از چندین ماژول GebraBit IAM20381به صورت همزمان استفاده کنید، کافیست پین های SDO , SDI , SCK همه انها و میکرکنترلر(پردازنده) را به هم متصل کرده و به CS هر کدام، یک پین منحصر به فرد اختصاص دهید.

دیگر پین ها

• INT : پین Interrupt (وقفه) سنسور IAM20381 بوده که با توجه به دیتاشیت سنسور، کاربر می تواند شرایط وقوع وقفه،حالات و روش های وقوع وقفه و … را تنظیم کند.
• FSY(FSYNC) : برای همگام سازی (Synchronization) سنسور با یک منبع خارجی ، از این پین استفاده میشود.برای اطلاعات بیشتر دیتاشیت سنسور مطالعه شود.به صورت پیش فرض این پین با مقاومت R3 به زمین متصل شده است.جهت استفاده از پین، مقاومت R3 باید از ماژول ، جدا (دمونتاژ) گردد.

 

 

   

اتصال به پردازنده

اتصال I2C با GebraBit STM32F303

ابتدا اطمینان حاصل کنید که پروتکل I2C با استفاده از جامپر های روی برد انتخاب شده است، سپس برای اتصال I2C ماژول GebraBit IAM20381به ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 بعد از تعریف کردن SDA و SCL رو پین های PB9 و PB8 (برای راحتی کار در STMCUBEMX)مراحل زیر را دنبال کنید:

• پین 3V3 ماژول IAM20381 را به پین 3V3 خروجی ماژول میکروکنترلر متصل کنید.(سیم قرمز)
• پین GND ماژول IAM20381 را به پین GND ماژول میکروکنترلر متصل کنید.(سیم سیاه)
• پین SCL ماژول IAM20381 را به پین PB8 ماژول میکروکنترلر (SCL) متصل کنید.(سیم آبی)
• پین SDA ماژول IAM20381 را به پین PB9 ماژول میکروکنترلر (SDA) متصل کنید.(سیم زرد)

نحوه اتصال موارد ذکر شده در بالا،در این تصویر مشاهده می شود:

توجه: با توجه به اینکه پین PA14 ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 برای پروگرام کردن میکروکنترلر استفاده میشود،تنظیم I2C بر روی پین های PA14 و PA15 در این ورژن مقدور نمی باشد،لذا در اتصال I2C به ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 در این ورژن ، ماژول GebraBit IAM20381 نمی تواند به صورت Pin to Pin بر روی آن قرار گیرد.برای راحتی کار می توانید پروتکل SPI را با استفاده از جامپر های روی برد انتخاب کرده و سپس ماژول GebraBit IAM20381را به صورت Pin to Pin بر روی ماژول GebraBit STM32F303 قرار دهید.

اتصال SPI با GebraBit STM32F303

ابتدا اطمینان حاصل کنید که پروتکل SPI با استفاده از جامپر های روی برد انتخاب شده است، سپس برای اتصال SPI ماژول GebraBit IAM20381به ماژول میکروکنترلرGebraBit STM32F303 بعد از تعریف کردن SDI و SDO و SCK و CS رو پین های PB5 و PB4 و PB3 و PC13 (برای راحتی کار در STMCUBEMX) ماژول GebraBit IAM20381را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit STM32F303 قرار دهید:

 

 

 

اتصال  SPI یا I2C با GebraBit ATMEGA32A

با توجه به اینکه پین های SPI و I2C میکروکنترلر ATMEGA32A بر اساس استاندارد GEBRABUS متناظر با پین های SPI و I2C  دیگر ماژول های GEBRABIT می باشد،  ماژول GebraBit IAM20381 را به صورت Pin to Pin به راحتی بر روی ماژول GebraBit ATMEGA32A قرار داده و با تغییر وضعیت مقاومت های جامپر انتخاب پروتکل، با ماژول GebraBit IAM20381از طریق SPI یا I2C ارتباط برقرار کنید:

 

 

اتصال  I2C با ARDUINO UNO

ابتدا اطمینان حاصل کنید که پروتکل I2C با استفاده از جامپر های روی برد انتخاب شده است، سپس برای اتصال I2C ماژول GebraBit IAM20381 به ARDUINO UNO مراحل زیر را دنبال کنید:

• پین 3V3 ماژول IAM20381 را به پین 3V3 خروجی برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم قرمز)
• پین GND ماژول IAM20381 را به پین GND برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم سیاه)
• پین SCL ماژول IAM20381 را به پین A5 برد ARDUINO UNO( (SCLمتصل کنید.(سیم آبی)
• پین SDA ماژول IAM20381 را به پین A4 برد  ARDUINO UNO( (SDAمتصل کنید.(سیم نارنجی)

نحوه اتصال موارد ذکر شده در بالا،در این تصویر مشاهده می شود:

 

 

 

اتصال  SPI با ARDUINO UNO

ابتدا اطمینان حاصل کنید که پروتکل SPI با استفاده از جامپر های روی برد انتخاب شده است، سپس برای اتصال SPI ماژول GebraBit IAM20381به ARDUINO UNO مراحل زیر را دنبال کنید:

• پین 3V3 ماژول IAM20381 را به پین 3V3 خروجی برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم قرمز)
• پین GND ماژول IAM20381 را به پین GND برد ARDUINO UNO متصل کنید.(سیم سیاه)
• پین SDI ماژول IAM20381 را به پین D11 برد ARDUINO UNO( (SDIمتصل کنید.(سیم زرد)
• پین SDO ماژول IAM20381 را به پین D12 برد ARDUINO UNO( (SDOمتصل کنید.(سیم بنفش)
• پین SCK ماژول IAM20381 را به پین D13 برد ARDUINO UNO( (SCKمتصل کنید.(سیم نارنجی)
• پین CS ماژول IAM20381 را به پین D10 برد ARDUINO UNO( (SSمتصل کنید.(سیم آبی)

 

نحوه اتصال موارد ذکر شده در بالا،در این تصویر مشاهده می شود: