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最新 MEMS 惯性模块,有助于克服应用程序开发所面临的挑战


作者:意法半导体Jay Esfandyari    时间:2018/7/25 20:46:25  来源:   

1.前言

采用微机电系统 (MEMS) 的惯性测量单元 (IMU) ,其定义就是一种系统级封装芯片 (SiP) 。 其中包含一个加速仪机械感测组件、一个陀螺仪机械感测组件,还有一个能把加速和角速度转换成可读取格式的电子电路系统(也就是所谓的「脑部」)。 MEMS惯性测量单元已经发展了几十年,已应用于部分利基市场。 不过一直要到MEMS技术达到一定成熟度,能支持低成本小型装置,这类惯性测量单元广泛建置在各种应用的情况才得以大幅增加。

 

虽然对于简单动作侦测、计步以及直式/横式屏幕等需求没那么高的应用来说,这类惯性测量单元的效能表现已相当令人满意,传感器应用在可携式、穿戴式与物联网装置崛起后,市场急迫须要进一步提升效能并降低电流消耗。 最新一代的MEMS惯性测量单元能满足这些需求。


接下来我们将讨论 MEMS 惯性测量单元的最新技术进展,介绍这类产品如何协助硬件与软件工程师缩短开发时程,克服长期以来所面临的挑战。

 

2.现代惯性测量单元如何满足新兴应用充满挑战性的需求?

 

新兴 MEMS 传感器应用的要求极高。 这代表现代的惯性测量单元必须尽量减少体积和耗电,同时还要提供高敏感度、卓越的准确度、高分辨率和超低噪声位准。 下图为一款2.5x3x0.8微型封装现代惯性测量单元的结构图。

 

图 1 :一款现代惯性测量单元的结构图(系统级封装);尺寸: 2.5x3x0.86 mm ;封装: LGA-14

 

除了上述要求,最新款惯性测量单元还提供嵌入式运算法以协助工程人员缩短设计与开发时间。 表1列出一款现代惯性测量单元的主要参数及功能。

 

参数

说明

输出

1辅助串行外围接口 (SPI) , 1 SPI/I2C

封装 [mm3]

LGA, 2.5x3x0.83 14L

光学防抖(OIS) 功能

全面支持 OIS/ EIS

温度传感器

电子防抖 (EIS) /光学防抖的辅助串行外围接口

电流消耗总量 [mA]

0.65 (高效能模式)

0.45 (正常模式,输出数据速率 =200Hz )

0.29 (低耗电模式,输出数据速率 =50Hz )

线性加速敏感度 (mg/LSB)

0.061 ( 典型值 @ FS = ±2 )

角速度敏感度 (mdps/LSB)

4.375 ( 典型值 @ FS = ±125 )

高效能模式下加速噪声密度 (μg/√Hz)

90 ( 典型值 @ FS = ±2 )

陀螺仪噪声密度 (mdps/√Hz)

<4 (高效能模式下典型值)

角速度典型零速率电平变化 vs. 温度 (dps/°C)

±0.015 ( 典型值 )

输出数据速率 [Hz]

加速仪: 1 to 6664

陀螺仪: 13 to 6664

FIFO 深度 (Kbytes)

<4 (高效能模式下典型值)

嵌入式数字功能

自由掉落、唤醒、 6D 定向、单击与双击、活动/无活动、计步器、传感器同步、数据收集、光学防手震

表1:现代惯性测量单元的主要规格; mdps 指每秒毫度

 

我们将讨论以上表格里的部分功能,解释它们如何协助工程人员设计出适合他们产品的惯性测量单元,加速开发出各种应用。

 

2.1 装置接口

有两种接口 ( SPI 和 I2C ) 可提供设计人员更多弹性来读取传感器数据。 此外惯性测量单元也同时使用陀螺仪和加速仪,来支持光学防抖(OIS)和电子防抖(EIS)应用。 因此,还有一个专用的辅助SPI接口来输出光学防手震数据。

 

2.2影像稳定意:电子防抖和光学防抖

MEMS 惯性测量单元最主要的好处之一,就是它的效能表现适合用在挑战度高的光学防抖和电子防抖应用。 图2a和2b解释了光学防手震联机是如何作用。

 

图2a:透过专用 SPI 接口输出光学防抖数据

 

在图 2a 里面,装置可透过专用的 SPI 接口输出光学防抖数据。 它能为光学防抖应用提供专用的可配置信号处理路径。 用户接口(UI)信号处理路径完全独立于光学防抖的部分之外,可透过嵌入装置内部的FIFO功能加以读取。

 

      

图2b:光学防抖数据可直接或通过嵌入式 FIFO ,传送到应用程序处理器

 

图2b说明了惯性测量单元所提供的第二种解决方案。 光学防手震应用的传感器数据,可直接传送到主板上的应用程序处理器(AP)。 它也可以将数据储存在嵌入式FIFO,然后从FIFO读取所有数据表单再提供给应用程序处理器。

 

2.3 惯性测量单元提供低噪声,可改善复杂应用程序的准确度

对很多应用来说,传感器数据的噪声位准必须非常低。 然而以下两种极受欢迎应用所需要的惯性测量单元,则必须提供极低噪声位准和高度的零偏稳定性(bias stability)。

 

增强现实( AR ): 由于近年来 MEMS 惯性测量单元技术有所进展,便携设备开始对增强现实功能产生浓厚兴趣。 增强现实功能,是将图像、音频和其他感测强化功能重迭在现实环境上以进行互动,并实时显示在屏幕上以便互动与操纵。

 

室内定位: 想在 GPS 数据不足或缺乏,无法提供正确及可靠定位数据的地方建立室内定位功能,这时 MEMS 惯性测量单元就会扮演重要角色。 行人航位推算(PDR)是室内定位功能的主要构件,主要是靠传感器提供正确数据,才能计算新的位置和方位。 惯性测量单元的效能和准确度,对行人航位推算解决方案的准确度来说是相当关键的。

 

最新型的惯性测量单元提供低噪声陀螺仪与加速仪,以此解决这方面的问题。 从前面的表1可看出加速仪和陀螺仪的低噪声位准。

 

2.4 嵌入式运算法有助于缩短设计开发时间

 

MEMS 惯性测量单元的嵌入式特性,让部分应用可以免除程序代码开发的必要。 有了这些功能,软件工程师便不必为了嵌入应用撰写程序代码,有助于缩短应用程序开发周期。 举例来说,过去计步器应用程序需要硬件和软件工程师花上好几个月、甚至数年开发程序代码并进行测试。 然而现在只要利用嵌入了计步器运算法的MEMS惯性测量单元就能大幅减少这方面的工作,工程师只需在装置缓存器中设定计步器应用程序相关参数即可。

 

现代 MEMS 惯性测量单元的设计,已完全适用于 Android 系统并提供以下晶载功能:

 

2.4.1事件侦测中断(完全可组态)

惯性测量单元提供事件侦测中断功能,可帮助工程师建置各种应用而无需开发任何程序代码。 嵌入的事件侦测中断如下:

 

1.自由掉落: 只利用加速仪数据。 如果所有三个轴的加速都低于预先设定的临界值,就会产生中断。

2.唤醒: 当至少一个轴的加速超过预先设定的临界值,就会产生中断。

3.6D 与 4D 定向侦测: 只利用加速仪数据,而且有能力侦测装置在空间中的方位,让节能程序实施起来更为简易,手持装置也能自动进行影像旋转。 当装置从一个方位换到不同方位,就会产生中断。 为了辨识方位的变化,必须符合以下状况:

·  有一轴高于临界值,两轴低于临界值(已知区域)

·  已知区域和先前不同。

可通过嵌入惯性测量单元的专用缓存器来配置临界值。


4.单击与双击: 装置经过配置后,只要任何方向遭到敲击(单次或双次)就会在专用针脚上输出中断讯号。 开发人员可自行配置临界值和用来辨识双击的两个事件间隔时间。 建议的单击和双击输出速率(ODR)为400Hz和800Hz。


5.唤醒到休眠: 利用状态的变化辨识活动/休眠(又称作活动/无活动)。 用户设定输出速率后,如果特定时间内所有三轴的加速数据都低于特定临界值,装置就会进入唤醒到休眠(Wake-to-Sleep)模式(装置最低输出速率12Hz )。 如果装置进入休眠(无活动)模式,且至少有一轴的加速超过临界值,那么装置就会进入休眠到唤醒模式(又称为唤醒)。

 

以上所有功能均可在低于 1600Hz 的输出速率下并行且正确运作。 每个事件都可透过装置的两个中断针脚(INT1和INT2)产生中断讯号。


2.4.2 能耗可忽略且效能极高的特定 IP 区块 

为了近一步降低系统现有整体能耗,同时大幅节省开发人员所需时间,新款的惯性测量单元还包含部分嵌入式 IP 区块。 以下为两种广为使用的功能:

 

计步器功能:步伐侦测器和步伐计算器: 嵌入的计步器只利用加速仪数据。 它能在侦测到步伐时产生中断。 还会计算步伐事件,最多能储存65535步(16位)。 步伐数目的重设和运算法重设是各自独立的。 最低临界值和操作全规模范围均可自行配置。

 

倾斜: 倾斜功能已置于硬件中,只利用加速仪数据以同时达到超低能耗和稳健度的目标。 它的根据是,每次装置倾斜度改变就会触发事件。 若要客制化用户体验,可透过下列方式配置倾斜功能:

·  可程序的平均窗口/事件时间。

·  可程序的中断事件产生角度临界值(默认为 35° )。

 

当装置启动至少两秒后,倾斜度改变 35 度以上,事件就会产生中断。 倾斜功能可用在不同情境。 举例来说,当手机放在口袋里,且用户由坐姿改为站姿,或从站姿改为坐姿时,就会触动中断功能。 不过当手机放在口袋中而用户正在行走、跑步或爬楼梯,则不致触动中断功能。

 

2.5 以惯性测量单元做为传感器中枢

 

最新型惯性测量单元最主要的优点之一,就是嵌入式的传感器中枢功能。 惯性测量单元提供硬件弹性空间,能以不同模式链接针脚和外部传感器,以此扩充惯性测量单元的功能性。 传感器中枢最多可提供6个传感器使用:2个内部传感器(加速仪和陀螺仪)和4个外部传感器。 下图是以惯性测量单位做为传感器中枢的图解。 惯性测量单元提供主要的I2C组态,以链接外部传感器并收集数据。 两个内部传感器所收集到的数据,可同时储存在嵌入式FIFO里。 有两种选项可触动主要的I2C,从外部传感器收集数据:

1) 和内部数据备妥(data-ready)信号(加速仪或陀螺仪)达成同步。

2) 跟来自其中一个传感器的外部信号达成同步(专用PAD)。

 

这种传感器中枢的优点包括数据连贯、数据同步、布局与选路更为简易,而且能降低整体系统能耗。

 

3.结论

采用 MEMS 的最新型惯性测量单元,不但功能大为提升,还能帮助系统设计和应用程序开发人员大幅缩短设计和开发时间。 这类惯性测量单元的价格已大幅降低,效能和嵌入式功能却大大提升。 新型的惯性测量单元已协助硬件和软件工程师实现新的应用概念。 新一代的MEMS惯性测量单元将继续提供新增功能并提升效能,以满足系统工程师和应用程序开发人员越来越高的期待。

 

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