Desarrollo de un simulador de un acelerómetro de tres (3) ejes microelectromecánicos (MEMS) = Development of a software-controlled 3-Axis MEMS accelerometer

Abstract

El trabajo que se presenta consiste en la caracterización de un acelerómetro MEMS MPU6050 y la implementación de un simulador de acelerómetro MEMS en la FPGA de una placa de evaluación integrada denominada myRIO, con una secuencia de prueba y verificación de modos. A partir de la búsqueda de información se establece un método para caracterizar el sensor mediante la fuerza centrífuga. Al sensor se le extraen datos de aceleración para obtener su comportamiento. Por medio de la programación en Python de una Raspberry Pi se almacenan los datos de aceleración, revoluciones por minuto y temperatura del sensor en una memoria USB. Con estos datos se obtiene la respuesta del sensor. Se implementó una API para comunicar al usuario con el simulador de un acelerómetro MEMS de 3 ejes , el cual puede trabajar en un rango de aceleraciones entre 0g y 200g. El sistema simulado corre en una FPGA y trabaja con rangos de temperatura de -40 a 85 °C. Se desarrolló una comunicación mediante el protocolo SPI, el cual envía y recibe datos de la FPGA donde se encuentra el sistema simulado. El simulador en la FPGA posee tres modos de falla que se asocian a fallas reales de los dispositivos MEMS. Se logra obtener la respuesta del sensor en modo de trabajo, ante una aplicación de un sistema de aceleración centrífuga. La respuesta ante el cambio de temperatura del sistema simulador no sobrepasa los 0.001V con lo que se logra obtener una respuesta estable para cambios de temperatura. Para el error por comunicación se obtiene una respuesta fija de 0.5mv, la respuesta del error mecánico en la masa de prueba es de 0.7mV, el error por vibración da una respuesta de 1V. Del sistema de caracterización se obtienen valores de aceleración desde 0.010g hasta 16g en el MPU6050. El cambio de aceleración en el eje X tiene un promedio de 15.596g, en el eje Y de 15.277g y el eje Z de 15.241g. En 0 RPM se tiene para el eje X un cambio de 0.002g, para el eje Y una disminución de 0.017g y para el eje Z una disminución de 0.951g. Finalmente, se realiza un análisis de costos de la implementación y se adjuntan los manuales realizados para los sistemas implementados.

The given work describes the characterization of a MEMS accelerometer model MPU6050, and the implementation of an accelerometer simulator on the myRIO FPGA. First of all, a research is done in order to establish methods and parameters necessary for the characterization in a centrifuge application. The MPU6050 sensor is accelerated in order to get data thru the Raspberry Pi. The data from the senor was saved in a USB device in order to access it faster. An API interface was implemented in order to configure the simulation parameters, the simulation works in a range from 0g to 200g, and in a temperature range from -40 to 85oC. The communication protocol implemented is SPI, which can send and receive data from the FPGA. The simulator has a response similar to a centrifuge application. The 3 failure modes are related to real failures associated with MEMS devices. In working mode, the simulation generates a valid response, and when a temperature change has been applied the deviation does not surpass 0.001V. For the failing mode in the simulation, the communication error has a fixed value of 0.5mV, the proof mass failure has a 0.7mV response and the vibration error has a 1V response. The MPU6050 sensor acceleration values goes from 0.010g to 16g. The mean value for the X axis is 15.596g, for the Y axis is 15.277 and for the Z axis is 15.241g. At 0 RPM the X-axis has a deviation of 0.002g, the Y-axis of 0.017g, and the Z-axis a 0.0951g deviation. Finally, a cost analysis is implemented and the necessary documents and manuals are attached to this document.