Konzipierung, Implementierung und Inbetriebnahme eines drahtlosen Inertialsensormoduls

Am Fachgebiet „Architekturen und Systeme“ des Instituts für Mikroelektronische Systeme werden VLSI-Architekturen für Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung mit besonderen Anforderungen an Echtzeitfähigkeit und Verlustleistung konzipiert und implementiert. Die vorliegende Aufgabenstellung steht im Kontext von zwei aktuellen Forschungsarbeiten des Instituts: Navigation in der Tiefbohrtechnik sowie sensorgestützte Sonifikation des menschlichen Bewegungsapparates. Die Daten der zu erstellenden Sensorplattform sollen für weitere Arbeiten an den beiden Projekten eingesetzt werden. Sowohl in der Tiefbohrtechnik als auch in der Medizintechnik nehmen Sensoren zur Bewegungserfassung eine zentrale Rolle ein: Für die Erschließung geothermischer Ressourcen werden Bohrwerkzeuge benötigt, die bei Umgebungstemperaturen bis 250 °C zuverlässige Informationen über die aktuelle Positionierung des Bohrkopfes unter Tage ermitteln und zur Bodenstation senden. Hierfür werden insbesondere Magnetfeld- und Beschleunigungssensoren von einem integrierten Mikroprozessor ausgewertet. Die Sensorplattform soll dabei die Sensoren im Bohrwerkzeug nachbilden und zur funktionalen Verifikation eines derzeit auf einem FPGA emulierten Hochtemperatur-ASIC verwendet werden. Die auditive Darstellung (Sonifikation) von Armbewegungen in der Medizintechnik erfordert eine genaue Bewegungserfassung. Das Ziel ist die akustische Rückmeldung der Position des Handgelenks im 3D-Raum an den Benutzer. Nach der Erfassung durch Inertialsensoren und weiteren Verarbeitungsschritten, wie z.B. eine Filterung zur Reduktion des Driftens der Sensoren, erfolgt die Sonifikation ausgewählter Bewegungsparameter. Die Sonifikation der Bewegungsabläufe soll im weiteren Projektverlauf optimiert werden, so dass ein Wiedererlernen komplexer Bewegungsparameter unterstützt wird. Ein mögliches Anwendungsgebiet hierfür stellt die Rehabilitation von Schlaganfall-Patienten dar. Für die beiden Forschungsarbeiten soll im Rahmen dieser Arbeit ein drahtloses Sensormodul erstellt werden. Daher besteht die Aufgabe zunächst darin, geeignete Sensoren zur Erfassung der Erdmagnetfeldstärke, Beschleunigung, Temperatur und Druck sowie Gyroskope auszuwählen und für deren Aufbau ein Boardlayout zu erstellen. Darüber hinaus soll eine Baugruppe integriert werden, welche die jeweiligen Sensorwerte digitalisiert und über einen drahtlosen Kanal zu einem Host-PC überträgt. Bei der Konzipierung des Kommunikationsprotokolls ist auf eine geringe Latenz zu achten. Durch die Inbetriebnahme des Sensormoduls soll die Funktionsfähigkeit der gefundenen Lösung präsentiert werden. Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des Sensormoduls soll ein Verfahren erarbeitet werden, welches die Messgenauigkeit, maximale Samplingrate und Latenz bestimmt. Darüber hinaus ist die Übertragungsqualität in Abhängigkeit der Entfernung und Anzahl Kommunikationspartner zu evaluieren.