Pololu L3GD20H 3-Axis Gyro Carrier with Voltage Regulator

Diese Platine ist ein kompaktes (0.4″ × 0.9″) Breakout-Board für das digitale 3-Achsen-Gyroskop L3GD20H von ST; wir empfehlen daher, vor der Verwendung dieses Produkts das L3GD20H-Datenblatt (3MB pdf) sorgfältig zu lesen. Der L3GD20H ist ein hervorragender IC, doch sein kleines, anschlussloses LGA-Gehäuse macht ihn für typische Studierende oder Bastler schwer verwendbar. Außerdem arbeitet er mit Spannungen unter 3.6 V, was die Anbindung an Mikrocontroller mit 5 V erschweren kann. Diese Trägerplatine löst diese Probleme durch zusätzliche Elektronik, darunter ein 3.3 V Spannungsregler und Pegelwandlerschaltungen, und bleibt dabei so kompakt wie möglich. Die Platine wird mit allen SMD-Bauteilen bestückt geliefert, einschließlich des L3GD20H, wie auf dem Produktbild gezeigt.

Der L3GD20H bietet gegenüber dem älteren L3GD20 zahlreiche Verbesserungen, darunter höhere Genauigkeit und Stabilität, geringeren Stromverbrauch und eine deutlich kürzere Anlaufzeit – alles in einem kleineren Gehäuse, wodurch auch die Trägerplatine insgesamt kleiner ausfällt. Der L3GD20H bietet außerdem einen größeren Bereich wählbarer Ausgangsdatenraten, einschließlich niedrigerer Frequenzen, die sich besser für die Erkennung menschlicher Gesten eignen, und verfügt über einen Data-Enable-Pin (DEN), mit dem Messungen mit externen Triggern synchronisiert werden können. Die L3GD20H-Trägerplatine ist aufgrund der unterschiedlichen Pinbelegung und Sensorausrichtung zwar kein direkter Ersatz für die L3GD20-Trägerplatine, sollte sich mit entsprechend angepasster Verdrahtung aber dennoch als Ersatz verwenden lassen; da beide ICs dieselbe Registerstruktur und I²C-Geräteadresse haben, sollte sich Code für den einen leicht auf den anderen portieren lassen.

Der L3GD20H bietet zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten, darunter drei wählbare Drehratenempfindlichkeiten, sieben wählbare Ausgangsdatenraten, sieben verschiedene integrierte FIFO-Modi zum Puffern der Ausgangsdaten und ein programmierbares externes Interrupt-Signal. Die drei Winkelgeschwindigkeitswerte stehen über eine digitale Schnittstelle zur Verfügung, die wahlweise im I²C- oder SPI-Modus betrieben werden kann.

Die Trägerplatine enthält einen Low-Dropout-Linearregler, der die vom L3GD20H benötigten 3.3 V bereitstellt, sodass der Sensor mit 2.5 V bis 5.5 V versorgt werden kann. Der Reglerausgang ist am VDD-Pin verfügbar und kann externe Geräte mit knapp 150 mA versorgen. Das Breakout-Board enthält außerdem eine Schaltung, die die beiden I²C-Leitungen (bzw. die SPI-Takt- und Dateneingangsleitung) auf denselben Logikpegel wie die angelegte VIN umsetzt, was die Anbindung an 5 V Systeme vereinfacht; der Pinabstand von 0.1″ ermöglicht die einfache Verwendung mit handelsüblichen lötfreien Breadboards und Lochrasterplatinen im 0.1″-Raster.

Für Sensorfusionsanwendungen kombinieren unsere inertialen Messeinheiten MinIMU-9 v2 und AltIMU-10 den älteren L3GD20 mit einem 3-Achsen-Beschleunigungssensor und Magnetometer LSM303DLHC auf einer einzigen Platine und liefern so neun unabhängige Messwerte, aus denen sich eine absolute Ausrichtung berechnen lässt. Das AltIMU-10 enthält zusätzlich einen Drucksensor LPS331AP, mit dem sich die Höhe berechnen lässt.

Technische Daten

Eine gerade 10×1 Stiftleiste im 0.1″-Raster und eine abgewinkelte 9×1 Stiftleiste im 0.1″-Raster sind im Lieferumfang enthalten, wie im Bild unten gezeigt. Sie können die gewünschte Stiftleiste an die Platine löten, um sie mit eigenen Kabeln oder lötfreien Breadboards zu verwenden, oder für kompaktere Installationen Drähte direkt an die Platine löten.

Die Platine hat ein Befestigungsloch für #2- und M2-Schrauben (nicht im Lieferumfang).

Verwendung des L3GD20H

Unabhängig von der für die Kommunikation mit dem L3GD20H verwendeten Schnittstelle sollte der VIN-Pin an eine Quelle mit 2.5 V bis 5.5 V und GND an 0 Volt angeschlossen werden. (Wenn Sie das Gyroskop in einem 3.3 V System verwenden, können Sie alternativ VIN unbeschaltet lassen und den integrierten Regler umgehen, indem Sie 3.3 V direkt an VDD anlegen.)

Für den Betrieb des L3GD20H im I²C-Modus (Standardmodus) sind mindestens zwei Logikverbindungen erforderlich: SCL und SDA. Diese sollten mit einem I²C-Bus verbunden werden, der mit demselben Logikpegel wie VIN arbeitet. Die Pins sind mit integrierten Pegelwandlern verbunden, sodass sie auch bei Spannungen über 3.3 V sicher verwendet werden können.

Für den Betrieb des L3GD20H im SPI-Modus werden typischerweise vier Logikverbindungen verwendet: SPC, SDI, SDO und CS. Diese sollten mit einem SPI-Bus verbunden werden, der mit demselben Logikpegel wie VIN arbeitet. Die SPI-Schnittstelle arbeitet standardmäßig im 4-Draht-Modus mit SDI und SDO an getrennten Pins, kann aber auch für den 3-Draht-Modus konfiguriert werden, bei dem sich SDO einen Pin mit SDI teilt.

L3GD20H 3-Achsen-Gyroskop-Trägerplatine mit Spannungsregler, beschriftete Draufsicht. L3GD20H 3-Achsen-Gyroskop-Trägerplatine mit
Spannungsregler auf einem Breadboard

Pinbelegung

• VIN: Dies ist der Hauptanschluss für die Stromversorgung; er sollte mit 2.5 V bis 5.5 V versorgt werden. Die Pegelwandler an SCL/SPC und SDA/SDI ziehen die High-Pegel des I²C- und SPI-Busses auf diesen Pegel.
• GND: Der Masseanschluss (0 V) Ihrer Stromversorgung. Ihre I²C- bzw. SPI-Steuerquelle muss ebenfalls eine gemeinsame Masse mit dieser Platine haben.
• VDD: Geregelter 3.3 V Ausgang. Knapp 150 mA stehen zur Versorgung externer Komponenten zur Verfügung. (Wenn Sie den internen Regler umgehen möchten, können Sie diesen Pin stattdessen als 3.3 V Eingang verwenden und VIN unbeschaltet lassen.)
• SCL/SPC: Pegelgewandelte I²C/SPI-Taktleitung: HIGH ist VIN, LOW ist 0 V
• SDA/SDI: Pegelgewandelte I²C-Datenleitung und SPI-Dateneingangsleitung (dient im 3-Draht-Modus auch als SDO): HIGH ist VIN, LOW ist 0 V
• SDO SPI: Datenausgangsleitung im 4-Draht-Modus: HIGH ist VDD, LOW ist 0 V. Wird außerdem als Eingang mit 3.3V-Logikpegel zur Festlegung der I²C-Slave-Adresse verwendet (siehe unten). Dieser Pin ist nicht pegelgewandelt und nicht 5V-tolerant.
• CS SPI: Freigabe (Chip Select). Standardmäßig auf VDD gezogen, um die I²C-Kommunikation zu aktivieren; auf Low legen, um die SPI-Kommunikation zu starten.
• DRDY/INT2: Data-Ready-Anzeige, ein Ausgang mit 3.3V-Logikpegel. HIGH (3.3 V) zeigt an, dass Drehratendaten gelesen werden können. Kann auch als FIFO-Interrupt konfiguriert werden. Dieser Ausgang ist nicht pegelgewandelt.
• INT1: Programmierbarer Interrupt, ein Ausgang mit 3.3V-Logikpegel. Dieser Ausgang ist nicht pegelgewandelt.
• DEN: Data-Enable-Trigger, ein Eingang mit 3.3V-Logikpegel. Dieser Eingang ist nicht pegelgewandelt und nicht 5V-tolerant.

Der obige Schaltplan zeigt die zusätzlichen Bauteile, die die Trägerplatine enthält, um die Verwendung des L3GD20H zu erleichtern, darunter den Spannungsregler, der die Versorgung der Platine mit 2.5 V bis 5.5 V ermöglicht, und die Pegelwandlerschaltung, die I²C- und SPI-Kommunikation mit demselben Logikpegel wie VIN ermöglicht. Dieser Schaltplan ist auch als PDF zum Herunterladen (174k PDF) verfügbar.

I²C-Kommunikation

Befindet sich der CS-Pin im Standardzustand (auf VDD gezogen), kann der L3GD20H über den I²C-Bus konfiguriert und seine Winkelgeschwindigkeitswerte abgefragt werden. Pegelwandler an der I²C-Taktleitung (SCL) und der Datenleitung (SDA) ermöglichen die I²C-Kommunikation mit Mikrocontrollern, die mit derselben Spannung wie VIN (2.5 V bis 5.5 V) arbeiten. Eine ausführliche Erklärung der I²C-Schnittstelle des L3GD20H finden Sie im Datenblatt (3MB pdf), und ausführlichere allgemeine Informationen zu I²C finden Sie in der I²C-Bus-Spezifikation von NXP (371k pdf).

Im I²C-Modus wird das niederwertigste Bit (LSb) der 7-Bit-Slave-Adresse des Gyroskops durch die Spannung am SDO-Pin bestimmt. Die Trägerplatine zieht SDO über einen 4.7 kΩ Widerstand auf VDD, wodurch das LSb 1 ist und die Slave-Adresse standardmäßig 1101011b lautet (dies ist dieselbe Slave-Adresse wie beim L3GD20). Falls die gewählte Slave-Adresse des Gyroskops mit einem anderen Gerät an Ihrem I²C-Bus kollidiert, können Sie SDO auf Low legen, um das LSb auf 0 zu setzen.

In unseren Tests der Platine konnten wir mit Taktfrequenzen bis 400 kHz mit dem Chip kommunizieren; höhere Frequenzen funktionieren eventuell, wurden aber nicht getestet.

SPI-Kommunikation

Um mit dem L3GD20H im SPI-Modus zu kommunizieren, muss der CS-Pin (den die Platine über einen 4.7 kΩ Widerstand auf VDD zieht) vor Beginn eines SPI-Befehls auf Low gelegt und nach dem Ende des Befehls wieder auf High zurückgelassen werden. Pegelwandler an der SPI-Taktleitung (SPC) und der Dateneingangsleitung (SDI) ermöglichen die SPI-Kommunikation mit Mikrocontrollern, die mit derselben Spannung wie VIN (2.5 V bis 5.5 V) arbeiten.

Im standardmäßigen 4-Draht-Modus überträgt das Gyroskop Daten über eine eigene Datenausgangsleitung (SDO) an den SPI-Master. Ist die SPI-Schnittstelle stattdessen für den 3-Draht-Modus konfiguriert, dient die SDI-Leitung auch als SDO und wird vom L3GD20H getrieben, wenn er Daten an den Master überträgt. Eine ausführliche Erklärung der SPI-Schnittstelle des L3GD20H finden Sie im Datenblatt (3MB pdf).

Beispielcode

Wir haben eine einfache Arduino-Bibliothek für den L3G geschrieben, mit der sich dieser Sensor einfach an einen Arduino anbinden lässt. Die Bibliothek erleichtert die Konfiguration des L3GD20H und das Auslesen der Gyroskop-Rohdaten über I²C.

Hinweise zum Protokoll

Das Datenblatt enthält alle Informationen, die Sie zur Verwendung dieses Sensors benötigen, doch das Herausfiltern der wichtigen Details kann etwas Zeit kosten. Hier einige Hinweise zur Kommunikation mit dem L3GD20H und zu seiner Konfiguration, die Ihnen hoffentlich einen schnelleren Einstieg ermöglichen:

Abmessungen

• Größe: 0.4″ × 0.9″ × 0.1″¹
• Gewicht: 0.6 g¹

Allgemeine Daten

• Schnittstelle: I²C, SPI²
• Minimale Betriebsspannung: 2.5 V
• Maximale Betriebsspannung: 5.5 V
• Achsen: Nicken (x), Rollen (y) und Gieren (z)
• Messbereich: ±245, ±500 oder ±2000°/s³
• Versorgungsstrom: 6 mA