La carte d’extension X-NUCLEO-IKS01A3 et les MEMS
Les cartes d’extension X-NUCLEO
En plus des cartes de prototypage NUCLEO, DOSCOVERY et EVAL, STMicroelectronics (ST) propose également une large gamme de cartes d’extension X-NUCLEO. Ces cartes sont le plus souvent conçues pour se placer sur les connecteurs Arduino des cartes NUCLEO et offrir ainsi la possibilité de mettre en œuvre toutes sortes de composants électroniques conçus et fabriqués par ST au-delà des microcontrôleurs STM32 : capteurs, émetteurs-récepteurs RF, composants de contrôle moteurs, etc.
Parmi toutes les cartes d’extension X-NUCLEO, nous avons pris le parti d’en sélectionner une en particulier qui fait l’objet de développements dans la section sur MicroPython : la X-NUCLEO-IKS01A3.
Présentation de la X-NUCLEO-IKS01A3
La carte d’extension X-NUCLEO-IKS01A3 fait la démonstration de plusieurs capteurs MEMS (pour Systèmes Micro-Electro-Mécaniques) de STMicroelectronics :
- LSM6DSO : Accéléromètre 3D + Gyroscope 3D
- LIS2MDL : Magnétomètre 3D
- LIS2DW12 : Accéléromètre 3D
- LPS22HH : Baromètre (260 à 1260 hPa)
- HTS221 : Capteur d’humidité relative
- STTS751 : Capteur de température de précision (–40 °C à +125 °C)
Les photos qui suivent montrent :
- Une X-NUCLEO-IKS01A3 connectée (par les connecteurs Arduino) sur une NUCLEO-WB55 (à gauche).
- La liste et la position des différents capteurs installés sur une X-NUCLEO-IKS01A3 (à droite).
X-NUCLEO-IKS01A3 sur NUCLEO-WB55 | Capteurs de la X-NUCLEO-IKS01A3 |
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Une fois la carte d’extension placée sur les connecteurs Arduino, ses capteurs sont raccordés au bus I2C de la carte NUCLEO-WB55. Lorsque vous la branchez assurez-vous de bien respecter le marquage des connecteurs (i.e. le bon alignement avec les connecteurs Arduino) : CN9 -> CN9, CN5 -> CN5, etc.
La carte d’extension X-NUCLEO-IKS01A3 dispose également d’un emplacement au format DIL 24 broches pour lui ajouter des capteurs I2C supplémentaires (par exemple, le gyroscope A3G4250D).
Précisions sur les capteurs MEMS
Les capteurs MEMS ont révolutionné les applications électroniques et sont à la base – avec des capteurs d’image et de distance sans cesse plus performants – de nombreuses fonctions incontournables des smartphones et des objets connectés en général. Ils sont également les composants clés des centrales inertielles des drones et des casques et manettes de réalité virtuelle. Une excellente introduction aux technologies MEMS est disponible dans cette fiche EDUSCOL.
Les MEMS les plus communs sont :
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L’accéléromètre tridimensionnel. Ce MEMS mesure les accélérations (ax, ay, az) appliquées selon trois axes orthogonaux (x, y, z), exprimées en millivolts par g (mV/g). Si l’objet sur lequel il est fixé est immobile et posé sur le sol (terrestre), l’accéléromètre mesurera l’accélération de la gravité, dirigée vers le centre de la Terre, constante et d’intensité 1g ou encore 9.81 m/s2. Si son support se déplace, l’accéléromètre mesurera en plus les accélérations dynamiques du mouvement, les vibrations, etc. Un accéléromètre est donc très sensible aux signaux parasites, encore appelés bruit.
L’accéléromètre 3D est adapté aux applications comme la détection de mouvement, la reconnaissance de mouvement, l’orientation d’affichage et la détection de chute libre. -
Le gyroscope tridimensionnel. Ce MEMS mesure les vitesses angulaires de rotation (gx, gy, gz) autour de trois axes orthogonaux (x, y, z), exprimées en radians par seconde (rad/s). Il est très précis pour détecter des désorientations et est insensible au bruit, mais son utilisation pour calculer des angles de rotation est délicate car elle nécessite d’intégrer (sommer) au cours du temps les vitesses angulaires. Cette technique cumule rapidement les erreurs de mesure ; on dit que le gyroscope dérive.
Le gyroscope 3D est adapté aux applications comme le contrôle de mouvement, les appareils électroménagers et la robotique. Pour des applications plus exigeantes, pour stabiliser un drone par exemple, on devra le coupler avec un accéléromètre 3D et avoir recours à des algorithmes de fusion de données. -
Le magnétomètre tridimensionnel. Ce MEMS mesure l’intensité du champ magnétique (mx, my, mz) autour de trois axes orthogonaux (x, y, z), exprimées en milli gauss (mg) ou en microteslas (µT). Ces capteurs sont très sensibles aux matériaux qui les environnent et doivent généralement être calibrés.
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Le capteur de pression. Ce MEMS mesure la pression atmosphérique absolue, exprimée en millibars (mbar) ou en hectopascals (hPa, identique au mbar). Sa précision étonnante permet de détecter des variations de pression correspondant à des variations d’altitude de quelques centimètres. Il est donc utilisé non seulement pour des mesures de pression en météo mais aussi pour des applications d’altimétrie (calculs de vitesses ascensionnelles, altimètres de randonnée, etc.).
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Le capteur de température. Ce MEMS mesure la température ambiante, exprimée en degrés Celsius (°C). La mise en œuvre d’une mesure de température fiable, notamment lorsqu’on souhaite utiliser le résultat pour des mesures environnementales, est très délicate.
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Le capteur d’humidité relative. Ce MEMS donne une estimation de l’humidité relative, exprimée en pourcentage (%). À 100 % d’humidité relative, l’eau en suspension dans l’air se condense et apparaît sous forme de gouttelettes (brouillard). Avec un taux d’humidité moindre, l’air qui s’assèche devient de plus en plus limpide. Le taux d’humidité relative correspond peu ou prou à la probabilité de condensation de l’eau en suspension dans l’air à température et pression données.
Orientation des axes des accéléromètres, magnétomètres et gyroscopes
Le schéma ci-dessous précise comment sont définis les axes x, y et z pour le LIS2MDL (magnétomètre), le LIS2DW12 (accéléromètre) et le LSM6DSO (accéléromètre et gyroscope) soudés sur la X-NUCLEO-IKS01A3. Ces informations sont indispensables à la bonne programmation de tous les algorithmes exploitant ces MEMS.
