LIS3DH als stromsparender Dreiachs-Beschleunigungssensor

Der LIS3DHTR ist ein digitaler Dreiachsen-Beschleunigungssensor im 3 x 3 x 1 mm großen LGA-16. ST nennt die Messbereiche ±2, ±4, ±8 und ±16 g, I2C oder SPI, ein FIFO mit 32 Stufen, zwei programmierbare Interruptgeneratoren sowie Betriebsarten mit unterschiedlicher Auflösung, Datenrate und Stromaufnahme. Der Hersteller führt das Bauteil derzeit als aktiv und in Serienfertigung.

Niedriger Energiebedarf entsteht durch die ganze Messstrategie. Eine Fernbedienung kann Bewegung mit kleiner Rate erwarten und den Prozessor nur bei Bedarf wecken. Ein Ortungsgerät kann mehrere Proben puffern und seltener funken. Eine niedrige Sensoreinstellung hilft wenig, wenn der Host für jeden einzelnen Wert aufwacht.

Auch die Mechanik entscheidet. Der Sensor gibt Schwerkraft, Nutzbewegung, Platinenbiegung, Steckkraft, Summer-Vibration und Gehäuseschlag über dieselben drei Ausgänge aus. Eine steife Position nahe dem mechanischen Zentrum und Abstand zu starken Störquellen machen Schwellen und Kalibrierung besser reproduzierbar.

Anforderungen an die Beschleunigung festlegen

Ausgangspunkt ist das Ereignis oder Signal des Produkts. Orientierung kann eine langsame Schwerkraftschätzung nutzen. Bewegungserkennung braucht Schwelle und Dauer gegen normale Vibration. Stoßaufzeichnung benötigt Bereich und Datenrate für einen kurzen Puls. Zustandsüberwachung erfordert ein definiertes Frequenzband und einen Montagepfad, der die relevante Schwingung überträgt.

LIS3DH misst spezifische Kraft in X, Y und Z. Winkelgeschwindigkeit, magnetische Richtung und absolute Position werden nicht erfasst. Zweifache Integration von Beschleunigung sammelt Offset und Rauschen schnell an. Algorithmus und Spezifikation müssen innerhalb der tatsächlich vorhandenen Messkanäle und Referenzen bleiben.

Die Anforderung wird in Messbereich, effektive Auflösung, Ausgangsdatenrate, Bandbreite, Latenz und mittlere Energie übersetzt. Auch der größte erwartete Stoß gehört dazu. Prototypen beginnen mit großem Bereich, zeichnen Rohspitzen auf und verengen ihn erst mit ausreichendem Nachweis.

LGA-16 und Koordinatensystem prüfen

LIS3DHTR verwendet ein 16-poliges LGA von etwa 3 x 3 x 1 mm. Das Land Pattern stammt aus der aktuellen ST-Zeichnung und folgt den Lötangaben. Pin 1, Padnummern, Schablonenöffnungen, Lötstoppmaske und die Behandlung der Gehäusemarkierung werden mit dem Bestücker abgestimmt.

Verdeckte LGA-Lötstellen verlangen Prozesskontrolle. Kupfer und Paste bleiben ausgeglichen, damit das Gehäuse nicht kippt. Geeignete Inspektion, elektrische Prüfung und der integrierte Selbsttest ergänzen sich. Der Selbsttest weist eine Sensorreaktion nach, aber nicht jede Lötstelle oder mechanische Bedingung.

Die Sensorachsen werden zur Leiterplatte und zum Gehäuse dokumentiert. Fernbedienungen können andere Gehäuseversionen, Ortungsgeräte verschiedene Einbaulagen erhalten. Die Koordinatentransformation bleibt an die Hardwareversion gebunden und wird mit Schwerkraft in sechs bekannten Lagen geprüft.

Einen steifen und ruhigen Montageort wählen

Für Orientierung und Aufwecken liegt der Sensor nahe einer steifen mechanischen Mitte mit geringer Hand- und Gehäusebiegung. Tastenmembranen, schmale Platinenhälse, Rastnasen und freitragende Ecken sind ungünstig. Dort kann Gehäuseverformung wie Produktbewegung erscheinen.

Summer, Lautsprecher, Vibrationsgeber, Relais und große Schaltinduktivitäten bleiben entfernt. Ihre Schwingung oder ihr Strom kann wiederholbare Fehlereignisse erzeugen. Stecker und Batteriefedern werden so platziert, dass Einsteckkraft und Federdruck den Sensorbereich nicht verspannen.

Eine Aussparung um den Sensor kann Spannung in einer Richtung senken und die Steifigkeit in einer anderen verschlechtern. Übertragungsfunktion und Offset werden vor und nach einer solchen Änderung, über Temperatur und nach dem Gehäuseeinbau gemessen.

Versorgung und Abblockung auslegen

Die Kernversorgung reicht von 1,71 bis 3,6 V; Vdd_IO bestimmt die digitalen Pegel. Die ST-Anwendungshinweise platzieren 100 nF Keramik und 10 µF Kapazität möglichst nahe an Vdd. Der keramische Rückweg bleibt kurz, und gepulste Lastströme nutzen nicht denselben schmalen Pfad.

Alle Spannungs- und Massezustände werden definiert. Laut Datenblatt kann Vdd abgeschaltet bleiben, während Vdd_IO anliegt, ohne den Kommunikationsbus zu blockieren; die Messkette ist dann jedoch aus. Software muss nach Teilversorgung zwischen Busantwort und gültiger Beschleunigung unterscheiden.

ST nennt ultraniedrigen Betrieb bis 2 µA unter festgelegten Bedingungen; für Power-down stehen 0,5 µA im Datenblatt. Diese Punkte ersetzen keine Batteriebilanz. Gewählte Rate, Interrupts, Pull-ups, Host-Wecken, Funk und Reglerverlust werden im typischen Nutzungszyklus gemessen.

I2C oder SPI korrekt umsetzen

Bei I2C wird CS auf High gelegt und SDO/SA0 wählt eine von zwei Adressen. Externe Pull-ups werden aus Vdd_IO, Buskapazität und Anstiegszeit dimensioniert. Teilen zwei Sensoren einen Bus, müssen Adressierung und Einschaltfolge eindeutig bleiben.

SPI arbeitet mit drei oder vier Leitungen. Modus, Mehrbyte-Lesen, Chip-Select-Zeit und bidirektionale Datenleitung im Dreidrahtbetrieb werden geprüft. Signale werden direkt am Sensor bewertet.

Beschleunigungsdaten liegen in Registerpaaren. Die Schnittstelle stellt 16-Bit-Ausgabefelder bereit, doch die effektive Messauflösung beträgt je nach Modus 8, 10 oder 12 Bit. Datenlage, kohärentes Lesen beider Bytes, Block-Update, Vorzeichenerweiterung und Empfindlichkeit müssen zur aktiven Konfiguration passen.

Auflösung, Bereich, Rate und Filter abstimmen

Die vier Bereiche sind ±2, ±4, ±8 und ±16 g. ±2 g bietet im hochauflösenden Modus die feinste nominale Empfindlichkeit; größere Bereiche schaffen Stoßreserve. Reale Spitzen und das gemessene Rauschen bestimmen die Wahl.

Über alle Betriebsarten reichen die Datenraten von 1 Hz bis 5,376 kHz. Die höchste Einstellung gehört zum stromsparenden Betrieb, während Normal- und Hochauflösungsbetrieb andere Obergrenzen besitzen. Modus, Rate, effektive Auflösung, Anti-Aliasing und Strom sind deshalb eine gemeinsame Konfiguration.

Ein Hochpass kann Schwerkraft oder langsames Wandern für Ereignisse entfernen, ändert aber die Bedeutung der Daten. Ein ruhender Sensor zeigt dann auf der vertikalen Achse eventuell nahezu null statt ungefähr 1 g. Gefilterte Pfade, Rücksetzen der Referenz und Zugriff auf Rohdaten werden dokumentiert.

Ereignisse stromsparend per Interrupt erkennen

Zwei programmierbare Trägheits-Interrupts unterstützen Aufwecken und freien Fall; 6D/4D-Orientierung und Klickerkennung sind ebenfalls vorhanden. Schwelle, Dauer, Achsen, Polarität, Halteverhalten und Pinzuordnung werden gemeinsam festgelegt. Quellregister werden in der zum Haltebetrieb passenden Reihenfolge gelesen.

Die Schlaf-Aufwach-Funktion wechselt zwischen einem stromsparenden 10-Hz-Zustand und dem voreingestellten Normal- oder Hochauflösungszustand. Übergangszeit, Einschwingen und erste gültige Probe werden geprüft. Vibration nahe der Schwelle darf keinen dauernden Wechsel auslösen.

Ein Ereignissatz aus endgültiger Hardware enthält normale Handhabung, Transport, Steckvorgang, Summerbetrieb, Tastendruck, Sollbewegung und ähnliche Nicht-Ereignisse. Falsche Auslösung und übersehene Erkennung werden über mehrere Geräte und Temperaturen getrennt bewertet.

FIFO und Datenbereitschaft gezielt verwenden

Das FIFO speichert 32 Stufen und unterstützt Bypass, FIFO, Stream und Stream-zu-FIFO. Es senkt die Servicehäufigkeit oder bewahrt Proben um ein Ereignis. Modus, Trigger, Schwelle, Leselänge und Überlaufreaktion werden genau beschrieben. Überschreiben alter Werte und Anhalten bei vollem Speicher haben unterschiedliche Aussagekraft.

Das Datenbereitschaftssignal zeigt einen neuen Dreiachsensatz an. Die Servicezeit muss trotzdem zu Datenrate und Busgeschwindigkeit passen. Bei zu langsamer Abfrage werden Überlaufstatus und Datenlücken ausdrücklich behandelt.

Jeder Datensatz erhält ein bekanntes Abtastintervall. Da der LIS3DH weniger Zeitstempelfunktionen als manche neuere IMU besitzt, werden Interruptlatenz und Jitter des Hosts gemessen. Fehlende Sätze werden markiert.

Die endgültige Baugruppe kalibrieren und testen

Empfindlichkeit und Null-g sind werkseitig kalibriert, doch Leiterplatte und Gehäuse erfordern Systemprüfungen. Sechs statische Lagen liefern Offset, Empfindlichkeitsvergleich und Achsausrichtung. Der Test wird nach der Montage und über den Produkttemperaturbereich wiederholt.

Der Selbsttest wird nach ST-Ablauf und Grenzwerten bei Start oder Fertigung durchgeführt. Die Antwort wird nach Achse und Modus gespeichert. Ein Bestehen zeigt die Wirkung des elektrostatischen Stimulus; die Anwendungsgenauigkeit verlangt weitere physikalische Kalibrierung.

Ereignisprodukte prüfen Schwelle und Dauer. Messprodukte vergleichen Amplitude und Frequenz mit kontrollierter Bewegung oder Schwingung. Summer, Funk, Steckerhandhabung, Batterieeinsetzen und Gehäusedruck werden bei Rohdaten- und Spannungsaufzeichnung getestet.

Identität und Ersatzrisiko beherrschen

ST führt LIS3DH und LIS3DHTR derzeit als aktiv und in Serienfertigung. Quelle und Prüftag werden festgehalten, da sich der Lebenszyklus ändern kann. Vollständiger Suffix, LGA-16, Tape-and-Reel, Temperaturbereich und freigegebener Herstellerbezug gehören zur Bauteilkontrolle.

Ein ähnlicher Beschleunigungssensor kann andere Pads, Achsen, Spannungen, Register, Auflösungen, Filter, Interrupts oder FIFO-Eigenschaften besitzen. Ein Ersatz erfordert Prüfung von Schaltung, Leiterplatte, Treiber, Kalibrierung, Ereignisschwellen und Gesamtgerät.

Abschließende Prüfpunkte:

• Das 3 x 3 x 1 mm große LGA-16, Pin 1, Achsen und Lötverfahren folgen aktuellen ST-Unterlagen.
• Die steife Lage ist von Platinenbiegung, Summer, Steckkraft und hohen Strömen getrennt.
• Vdd, Vdd_IO, lokale 100 nF und 10 µF, Pull-ups und Teilversorgung sind getestet.
• Bereich, Modus, effektive Auflösung, Rate, Filter, Datenlage und Umrechnung stimmen überein.
• Interrupts, Zustandswechsel, FIFO, Datenbereitschaft, Überlauf, Selbsttest und Kalibrierung bestehen auf Endhardware.
• Exakter Bestellsuffix und aktueller Herstellerstatus sind ohne unbelegte Lieferangabe dokumentiert.