「ルネサス＋アナログ・デバイセズ」だから実現できる“超ロー・パワー”の加速度センサー・ソリューション：ソリューションコラム第3回
ソリューションコラム第3回では、ルネサス エレクトロニクスとアナログ・デバイセズが提供するソリューションの具体例を紹介します。ワイヤレス・センサーやモーション・スイッチのアプリケーションにおいて、加速度センサーとマイコンを組み合わせて実現する「動き検出」のソリューションです。それぞれの製品はどのような特徴を備えているのか、両製品を組み合わせることでシステム・レベルではどのような効果が得られるのか、そしてそれらをソリューションとして提供することの意味とは何なのか。本稿ではこれらの点を明らかにします。
今回紹介するのは、加速度センサーを使用して動き検出/傾き検出を行うアプリケーション向けのソリューションです。例えば、石油や天然ガスを運ぶためのパイプライン。その安全性について管理を行うには、地震や盗難などによって発生する衝撃や振動を検出する仕組みを設けることが有効でしょう。このようなシステムを実現するには、動きを検出する加速度センサーと、加速度センサーからのデータを受け取って処理/制御を行うマイコンが必要になります。本稿で紹介するのは、そのためのソリューションです。加速度センサーで衝撃や振動が発生したことを検出したら、その情報をマイコンで処理し、RF回路によってその情報を無線で伝えるワイヤレス・センサーのシステムを構築すれば、安全性の管理が非常に容易になります。同様に、オフィスビルや官公庁舎などの建築物、道路や橋脚などの構造物などに対する衝撃/振動を監視するインフラ・モニターもこのソリューションの対象です。あるいは、牧場で飼育されている牛などを個々に監視するための生体モニターも1つの例となります。加えて、M2MシステムやRFIDシステムなども含め、動きを検出し、それをトリガーとして何らかの機能を実現する用途が本ソリューションの対象となります。さらには、加速度の値を常に取得し続けるのではなく、閾値を超える動きの有無だけを検出し、それによって機能のオン/オフ切り替えを行うモーション・スイッチのアプリケーションなども典型的な活用例です。
本稿で紹介するソリューションにはもう1つのポイントがあります。上記のようなアプリケーションに共通するのは、携帯電話/スマートフォンのように、随時、充電が可能な環境にある機器に搭載するのではなく、加速度センサーを利用したモニター装置自体は容量の限られた電池で長期間に渡って駆動するという点です。ワイヤレス・センサーやモーション・スイッチをはじめとするこの種の用途では、システムの構成要素が消費する電力を少なく抑え、電池での駆動期間を可能な限り延伸して、電池交換に伴う煩雑さとコストを低減することが重要です。この要求に応えることが可能なのが、本稿で紹介する加速度センサー・ソリューションです。
このソリューションで使用するのは、アナログ・デバイセズの3軸MEMS加速度センサー「ADXL362」です（図1）。この製品では±2g、±4g、±8gから測定範囲を選択でき、その分解能は±2gを選んだ場合で1mg/LSBとなります。動作電源電圧は1.6V〜3.5Vなので、3V出力のコイン型電池で駆動できます。動き（モーション）や衝撃から生じる動的加速度と、傾斜などの静的加速度の両方を測定することが可能であり、ワイヤレス・センサーやモーション・スイッチの用途に最適です。また、環境モニターなどの用途で重宝する温度センサーも内蔵しています。
ADXL362の最大の特徴は、消費電流が極めて少ないことです。電源電圧が2.0Vのとき、通常の測定モードで出力データ・レート（サンプリング・レート）を100Hzとした場合、消費電流は1.8μAとなります。これは、他社の同等品と比較して、わずか1/10程度の値です。また、6Hzの出力データ・レートで動作するウェークアップ・モードでは、消費電流を270nAまで抑えることができます。そして、スタンバイ・モードにおける消費電流もわずか10nAです。これらのモードを個々のアプリケーションの性質に応じて使い分けることで、システムとしての消費電力を最少化することが可能になります。各モードの概要をまとめると、それぞれ以下のようになります。
- 測定モード：加速度のセンシングを継続して行う通常の動作モード。出力データ・レートは12.5Hz〜400Hzの範囲で設定できる。データ・レートが400Hzの場合でも、消費電流は3μA未満に抑えられる
- ウェークアップ・モード：1秒間に6回（6Hzの出力データ・レート）だけ加速度を検出するモード。消費電流が270nAまで低減されるので、モーション・スイッチ型の低消費電力システムに適している。また、動きを検出した後の動作として、測定モードに切り替えたり、マイコンに割り込み信号を送出したりといった設定を行うことも可能となっている
- スタンバイ・モード：このモードでは測定が中断され、消費電流が10nAまで低下する。加速度センサーが外部からのトリガーを受け取ったときのみ測定動作を行えばよいタイプのアプリケーションであれば、このモードを活用することで、システムとしての消費電力を大幅に削減できる
閾値判定によるモーション検出機能
上記のとおり、ADXL362は各モードにおける基本性能として極めて少ない消費電力を実現しています。それだけではなく、ADXL362にはシステムとしての消費電力を抑えるための仕組みがほかにも用意されています。その1つが、アクティブ/インアクティブ状態の検出機能です。この機能は、測定モードとウェークアップ・モードにおいて使用できます。
アクティブ状態とは、閾値（レジスタによる設定が可能）を上回る加速度が存在する状態のことです。一方のインアクティブ状態は、閾値を上回る加速度が存在しない状態のことを意味します。この機能を使うことにより、それぞれの状態が検出された際に、マイコンに対して割り込み信号を送出するといった設定が行えます。これにより、閾値を上回る動きを検出したときにシステムをオンにするといったモーション・スイッチの動作を実現することができます。
FIFOの活用でシステムの消費電力を削減
ADXL362は512段×2のFIFOを備えていることも特徴とします。これは、データ・バッファとして使用するもので、3軸加速度のデータと温度のデータを保存することができます。動きが発生するたびにマイコンにデータを読み込むのではなく、FIFOにある程度のデータがたまったら1回読み込むという使い方をすることで、マイコンを長くスリープ状態に置くことができ、システムとしての消費電力を抑えることが可能になります。
このソリューションで、上記の加速度センサーADXL362と組み合わせて使用するのが、ルネサス エレクトロニクスのマイコン「RL78/G13」です（図2）。「RL78ファミリ」では、ローエンド・モデルでありながら、32MHzの動作周波数と1.27DMIPS/MHzの処理性能が実現されています。また、さまざまな周辺機能や安全性確保のための付加機能を備えている、メモリー容量や端子数が異なる300種もの製品ラインアップが用意されているといった特徴があります。その中でも、RL78/G13は汎用用途向けの標準品として位置づけられています。
RL78/G13の最大の特徴も、ADXL362と同じく消費電力が極めて少ないことです。130nmプロセスを採用し、回路の最適化を行うことにより、同等製品の中ではトップクラスの低消費電力化を実現しています。動作時の消費電流が70μA/MHz、時計動作電流（スリープ状態の消費電流）が0.7μA、ストップ電流が0.52μAと、いずれも世界最少レベルの値を達成しています。さらに、システム・クロックを停止したストップ・モードからCPUを起動することなく、周辺機能を動作させることが可能なSNOOZEモードも備えています。このモードでは、間欠動作時の平均電力を大幅に削減することができます。この低消費電力という特徴から、RL78/G13はワイヤレス・センサーやモーション・スイッチの用途にも非常に適した製品となっています。
ここでは、加速度センサーのADXL362とマイコンのRL78/G13を使用するソリューションの活用例として、モーション・スイッチを利用するアプリケーションを紹介します。図3は、加速度センサー、マイコンに加えて、特定消費電力無線機向けRF部（注：ルネサスとアナログ・デバイセズによるHEMS向け特定小電力無線ソリューションは後日紹介する予定です）で構成した典型的なシステムの概念図です。加速度センサーとマイコンとの間のデータ転送は、SPIによって行います。図のRF部はワイヤレス・センサーのアプリケーションを想定してのものですが、実際には、RF部の代わりにブザーを配置して動きを検出したときにアラーム音を発する、あるいはRF部の代わりにディスプレイを配置して動きを検出したときに表示を変化させるといったケースもあるでしょう。
このシステムでは、加速度センサーを測定モードで使用し、アクティブ状態/インアクティブ状態を検出したら割り込み信号（INT）を送出するように設定しているものとします。一方、マイコンとRF部は通常はスリープ状態にしておきます。加速度センサーがアクティブ状態を検出（動きを感知）すると、割り込み信号が送出され、それを受けたマイコンが起動します。マイコンはRF部に起動信号を送出するとともに、加速度センサーのFIFOから加速度データ/温度データを読み出します。そのうえで、それらのデータを基に状態判定の処理を行い、RF部経由で結果をワイヤレス送信します。動きがなくなったら、加速度センサーによってインアクティブ状態が検出され、割り込み信号によって、マイコンとRF部は再びスリープ状態に戻ります。
このシステムでは、アクティブ状態を検出したときの加速度センサーの消費電流が2μA、マイコンの消費電流が70μA/MHzです。一方、マイコンとRF部がスリープ状態になったときには、加速度センサーの消費電流は2μAのままで、マイコンの消費電流は0.7μAに低下します。RF部に相当する部分の消費電流にもよりますが、動きが検出される頻度の少ない状態監視モニターなどの用途では、容量が220mAhrのコイン型電池（CR2032）を使用したとして、8年間は電池交換が不要になる計算です。
ここでは、モーション・スイッチ型で動作するワイヤレス・センサーのアプリケーションとして、加速度センサーの測定モードとアクティブ/インアクティブ状態の検出機能を使う例を示しました。実際には、アプリケーションの性質に応じて、ウェークアップ・モードやスタンバイ・モード、アクティブ/インアクティブ状態の検出機能を適切に使用することで、さらに長期間、電池を交換することなくシステムを稼働させることができます。このように、本ソリューションを利用すれば、待機時の消費電流を最少化しつつ、動きが生じたときの素早く正確な起動/測定を行うことが可能になるのです。
続いて、ここまでに述べた「加速度センサー＋マイコン」の機能をすぐに評価可能な、評価ボード「EVAL-ADXL362Z-DB」を紹介します。このボードは、図4に示すようなパーツで構成されています。もちろん、加速度センサーにはADXL362、マイコンにはRL78/G13を使用しています。本稿で紹介したとおり、両製品とも極めて消費電力が少ないので、この評価ボードも1個のコイン型リチウム電池で駆動することが可能です。実際には、ファームウェア（アプリケーション・ソフトウェア）を変更することにより、さまざまな機能を試すことができるのですが、ここでは、あらかじめ用意されているデモを紹介することにしましょう。
ここで紹介するのは、非常にシンプルな動作のモーション・スイッチ・アプリケーションの例です。このデモでは、評価ボードに動きや振動を加えると、加速度センサーがアクティブの状態を検出し、図5（a）のようなディスプレイ表示となります。動きや振動を加えるのをやめると、加速度センサーがインアクティブの状態を検出し、ディスプレイの状態が図5（b）のようになります。このように、加速度センサーを自律的に動作させることにより、極めてシンプルなモーション・スイッチのアプリケーションを実現することができます。
このサンプル以外にも、傾き検出、データ・ロガー、リアルタイム・データ・ビューワなどのサンプルが用意されています。いずれも、EVAL-ADXL362Z-DBのユーザーガイド（英語）のページからダウンロード可能です。またこのページには、評価用ボードの回路図、ボード基板のレイアウト、ボードの設定方法、マイコン用の開発環境「CubeSuite+」へのダウンロード・リンクなど、さまざまな設計情報/データが用意されています。それ以外の関連情報も含めて、本稿末尾の「関連リソース」の項にまとめましたので、そちらもご参照ください。
加速度センサーを使えば、動きや傾きの計測データを取得することができます。しかし、ワイヤレス・センサーやモーション・スイッチの用途をはじめとする実際のアプリケーションでは、計測データを取得しただけでは意味がありません。その後段のマイコンでデータを処理し、ユーザーにとって役に立つ、意味ある情報を抽出しなければ、アプリケーションとして機能させることはできないのです。そのため、わたしたちは、お客様に対し、加速度センサーとマイコンを1つにまとめたソリューションを提案することこそが重要だと考えています。そうすれば、お客様は、加速度センサーとマイコンそれぞれについて煩雑な調査を行う必要はありません。また両者を一緒に使用したときに生じた疑問点にはどのようにして対処すればよいのかといった不安を抱く必要もありません。両製品を組み合わせたソリューションについて、無料のサポート/コンサルティングを受けたいお客様は、以下のボタンよりSolutione-Edgeにお問い合わせください。
【関連リソース】
・加速度センサー「ADXL362」の紹介ページ
・加速度センサー「ADXL362」のデータシート（英語、pdf939kB）
・マイコン「RL78/G13」の紹介ページ
・マイコン「RL78/G13」のデータシート
・評価用ボード「EVAL-ADXL362Z-DB」の紹介ページ
・評価用ボード「EVAL-ADXL362Z-DB」のユーザーガイド
・評価用ボード「EVAL-ADXL362Z-DB」の購入
2012年11月14日（水）〜16（金）、パシフィコ横浜で、『Embedded Technology 2012/組込み総合技術展（ET 2012）』が開催されます。このET 2012では、ルネサス エレクトロニクスのブース（小間番号：B-25）内にSolution-Edgeのコーナーを設けます。まだ当サイトへの会員登録がお済みでない方、当日、Solution-Edgeのコーナーにご来場いただきましたら、どうぞ係の者にお声掛けください。当サイトへの会員登録をご承諾していただいた方に、もれなく「多機能定規」をプレゼントいたします。なお、会員登録については、お名刺を頂戴し当方で作業を行いますのでお手を煩わせることはございません。 お気軽にお申し付けください。
エンジニアの心をくすぐる『多機能定規』
多機能定規（MM023）は、ポッチャリ度、リラックス度、ウソ度を測定できる15cmの定規です。アナログ・デバイセズの加速度センサー「ADXL346」やルネサスのマイコン「RL78/G14」などを使って構成しました。どこにでもある定規と同じシンプルな形状でありながら、意外に凝った機能を備える“遊びごころ”満載のアイテムです。
【測定の仕組み】
・ポッチャリ度 … 人体の抵抗を測定し、体脂肪を推定します
・リラックス度 … 指先の温度を基にリラックス度合を推定します
・ウソ度 … 指先の汗による接触抵抗を基にウソ度を推定します
提供：ルネサス エレクトロニクス株式会社 ／ アナログ・デバイセズ株式会社
アイティメディア営業企画／制作：EDN Japan 編集部／掲載内容有効期限：2014年5月31日
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