最新MEMS慣性模塊,有助于克服應(yīng)用程序開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)
1. 前言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201807/389607.htm采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的慣性測量單元 (IMU) ,其定義就是一種系統(tǒng)級封裝芯片 (SiP) 。 其中包含一個(gè)加速儀機(jī)械感測組件、一個(gè)陀螺儀機(jī)械感測組件,還有一個(gè)能把加速和角速度轉(zhuǎn)換成可讀取格式的電子電路系統(tǒng)(也就是所謂的「腦部」)。 MEMS慣性測量單元已經(jīng)發(fā)展了幾十年,已應(yīng)用于部分利基市場。 不過一直要到MEMS技術(shù)達(dá)到一定成熟度,能支持低成本小型裝置,這類慣性測量單元廣泛建置在各種應(yīng)用的情況才得以大幅增加。
雖然對于簡單動(dòng)作偵測、計(jì)步以及直式/橫式屏幕等需求沒那么高的應(yīng)用來說,這類慣性測量單元的效能表現(xiàn)已相當(dāng)令人滿意,傳感器應(yīng)用在可攜式、穿戴式與物聯(lián)網(wǎng)裝置崛起后,市場急迫須要進(jìn)一步提升效能并降低電流消耗。 最新一代的MEMS慣性測量單元能滿足這些需求。
接下來我們將討論 MEMS 慣性測量單元的最新技術(shù)進(jìn)展,介紹這類產(chǎn)品如何協(xié)助硬件與軟件工程師縮短開發(fā)時(shí)程,克服長期以來所面臨的挑戰(zhàn)。
2. 現(xiàn)代慣性測量單元如何滿足新興應(yīng)用充滿挑戰(zhàn)性的需求?
新興 MEMS 傳感器應(yīng)用的要求極高。 這代表現(xiàn)代的慣性測量單元必須盡量減少體積和耗電,同時(shí)還要提供高敏感度、卓越的準(zhǔn)確度、高分辨率和超低噪聲位準(zhǔn)。 下圖為一款2.5x3x0.8微型封裝現(xiàn)代慣性測量單元的結(jié)構(gòu)圖。
圖 1 :一款現(xiàn)代慣性測量單元的結(jié)構(gòu)圖(系統(tǒng)級封裝);尺寸: 2.5x3x0.86 mm ;封裝: LGA-14
除了上述要求,最新款慣性測量單元還提供嵌入式運(yùn)算法以協(xié)助工程人員縮短設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)間。 表1列出一款現(xiàn)代慣性測量單元的主要參數(shù)及功能。
表1:現(xiàn)代慣性測量單元的主要規(guī)格; mdps 指每秒毫度
我們將討論以上表格里的部分功能,解釋它們?nèi)绾螀f(xié)助工程人員設(shè)計(jì)出適合他們產(chǎn)品的慣性測量單元,加速開發(fā)出各種應(yīng)用。
2.1 裝置接口
有兩種接口 ( SPI 和 I2C ) 可提供設(shè)計(jì)人員更多彈性來讀取傳感器數(shù)據(jù)。 此外慣性測量單元也同時(shí)使用陀螺儀和加速儀,來支持光學(xué)防抖(OIS)和電子防抖(EIS)應(yīng)用。 因此,還有一個(gè)專用的輔助SPI接口來輸出光學(xué)防手震數(shù)據(jù)。
2.2影像穩(wěn)定意:電子防抖和光學(xué)防抖
MEMS 慣性測量單元最主要的好處之一,就是它的效能表現(xiàn)適合用在挑戰(zhàn)度高的光學(xué)防抖和電子防抖應(yīng)用。 圖2a和2b解釋了光學(xué)防手震聯(lián)機(jī)是如何作用。
圖2a:透過專用 SPI 接口輸出光學(xué)防抖數(shù)據(jù)
在圖 2a 里面,裝置可透過專用的 SPI 接口輸出光學(xué)防抖數(shù)據(jù)。 它能為光學(xué)防抖應(yīng)用提供專用的可配置信號處理路徑。 用戶接口(UI)信號處理路徑完全獨(dú)立于光學(xué)防抖的部分之外,可透過嵌入裝置內(nèi)部的FIFO功能加以讀取。
圖2b:光學(xué)防抖數(shù)據(jù)可直接或通過嵌入式 FIFO ,傳送到應(yīng)用程序處理器
圖2b說明了慣性測量單元所提供的第二種解決方案。 光學(xué)防手震應(yīng)用的傳感器數(shù)據(jù),可直接傳送到主板上的應(yīng)用程序處理器(AP)。 它也可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在嵌入式FIFO,然后從FIFO讀取所有數(shù)據(jù)表單再提供給應(yīng)用程序處理器。
2.3 慣性測量單元提供低噪聲,可改善復(fù)雜應(yīng)用程序的準(zhǔn)確度
對很多應(yīng)用來說,傳感器數(shù)據(jù)的噪聲位準(zhǔn)必須非常低。 然而以下兩種極受歡迎應(yīng)用所需要的慣性測量單元,則必須提供極低噪聲位準(zhǔn)和高度的零偏穩(wěn)定性(bias stability)。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)( AR ): 由于近年來 MEMS 慣性測量單元技術(shù)有所進(jìn)展,便攜設(shè)備開始對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能產(chǎn)生濃厚興趣。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能,是將圖像、音頻和其他感測強(qiáng)化功能重迭在現(xiàn)實(shí)環(huán)境上以進(jìn)行互動(dòng),并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上以便互動(dòng)與操縱。
室內(nèi)定位: 想在 GPS 數(shù)據(jù)不足或缺乏,無法提供正確及可靠定位數(shù)據(jù)的地方建立室內(nèi)定位功能,這時(shí) MEMS 慣性測量單元就會(huì)扮演重要角色。 行人航位推算(PDR)是室內(nèi)定位功能的主要構(gòu)件,主要是靠傳感器提供正確數(shù)據(jù),才能計(jì)算新的位置和方位。 慣性測量單元的效能和準(zhǔn)確度,對行人航位推算解決方案的準(zhǔn)確度來說是相當(dāng)關(guān)鍵的。
最新型的慣性測量單元提供低噪聲陀螺儀與加速儀,以此解決這方面的問題。 從前面的表1可看出加速儀和陀螺儀的低噪聲位準(zhǔn)。
2.4 嵌入式運(yùn)算法有助于縮短設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間
MEMS 慣性測量單元的嵌入式特性,讓部分應(yīng)用可以免除程序代碼開發(fā)的必要。 有了這些功能,軟件工程師便不必為了嵌入應(yīng)用撰寫程序代碼,有助于縮短應(yīng)用程序開發(fā)周期。 舉例來說,過去計(jì)步器應(yīng)用程序需要硬件和軟件工程師花上好幾個(gè)月、甚至數(shù)年開發(fā)程序代碼并進(jìn)行測試。 然而現(xiàn)在只要利用嵌入了計(jì)步器運(yùn)算法的MEMS慣性測量單元就能大幅減少這方面的工作,工程師只需在裝置緩存器中設(shè)定計(jì)步器應(yīng)用程序相關(guān)參數(shù)即可。
現(xiàn)代 MEMS 慣性測量單元的設(shè)計(jì),已完全適用于 Android 系統(tǒng)并提供以下晶載功能:
2.4.1事件偵測中斷(完全可組態(tài))
慣性測量單元提供事件偵測中斷功能,可幫助工程師建置各種應(yīng)用而無需開發(fā)任何程序代碼。 嵌入的事件偵測中斷如下:
自由掉落: 只利用加速儀數(shù)據(jù)。 如果所有三個(gè)軸的加速都低于預(yù)先設(shè)定的臨界值,就會(huì)產(chǎn)生中斷。
喚醒: 當(dāng)至少一個(gè)軸的加速超過預(yù)先設(shè)定的臨界值,就會(huì)產(chǎn)生中斷。
6D 與 4D 定向偵測: 只利用加速儀數(shù)據(jù),而且有能力偵測裝置在空間中的方位,讓節(jié)能程序?qū)嵤┢饋砀鼮楹喴?,手持裝置也能自動(dòng)進(jìn)行影像旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)裝置從一個(gè)方位換到不同方位,就會(huì)產(chǎn)生中斷。 為了辨識方位的變化,必須符合以下狀況:
· 有一軸高于臨界值,兩軸低于臨界值(已知區(qū)域)
· 已知區(qū)域和先前不同。
可通過嵌入慣性測量單元的專用緩存器來配置臨界值。
單擊與雙擊: 裝置經(jīng)過配置后,只要任何方向遭到敲擊(單次或雙次)就會(huì)在專用針腳上輸出中斷訊號。 開發(fā)人員可自行配置臨界值和用來辨識雙擊的兩個(gè)事件間隔時(shí)間。 建議的單擊和雙擊輸出速率(ODR)為400Hz和800Hz。
喚醒到休眠: 利用狀態(tài)的變化辨識活動(dòng)/休眠(又稱作活動(dòng)/無活動(dòng))。 用戶設(shè)定輸出速率后,如果特定時(shí)間內(nèi)所有三軸的加速數(shù)據(jù)都低于特定臨界值,裝置就會(huì)進(jìn)入喚醒到休眠(Wake-to-Sleep)模式(裝置最低輸出速率12Hz )。 如果裝置進(jìn)入休眠(無活動(dòng))模式,且至少有一軸的加速超過臨界值,那么裝置就會(huì)進(jìn)入休眠到喚醒模式(又稱為喚醒)。
以上所有功能均可在低于 1600Hz 的輸出速率下并行且正確運(yùn)作。 每個(gè)事件都可透過裝置的兩個(gè)中斷針腳(INT1和INT2)產(chǎn)生中斷訊號。
2.4.2 能耗可忽略且效能極高的特定 IP 區(qū)塊
為了近一步降低系統(tǒng)現(xiàn)有整體能耗,同時(shí)大幅節(jié)省開發(fā)人員所需時(shí)間,新款的慣性測量單元還包含部分嵌入式 IP 區(qū)塊。 以下為兩種廣為使用的功能:
計(jì)步器功能:步伐偵測器和步伐計(jì)算器: 嵌入的計(jì)步器只利用加速儀數(shù)據(jù)。 它能在偵測到步伐時(shí)產(chǎn)生中斷。 還會(huì)計(jì)算步伐事件,最多能儲(chǔ)存65535步(16位)。 步伐數(shù)目的重設(shè)和運(yùn)算法重設(shè)是各自獨(dú)立的。 最低臨界值和操作全規(guī)模范圍均可自行配置。
傾斜: 傾斜功能已置于硬件中,只利用加速儀數(shù)據(jù)以同時(shí)達(dá)到超低能耗和穩(wěn)健度的目標(biāo)。 它的根據(jù)是,每次裝置傾斜度改變就會(huì)觸發(fā)事件。 若要客制化用戶體驗(yàn),可透過下列方式配置傾斜功能:
· 可程序的平均窗口/事件時(shí)間。
· 可程序的中斷事件產(chǎn)生角度臨界值(默認(rèn)為 35° )。
當(dāng)裝置啟動(dòng)至少兩秒后,傾斜度改變 35 度以上,事件就會(huì)產(chǎn)生中斷。 傾斜功能可用在不同情境。 舉例來說,當(dāng)手機(jī)放在口袋里,且用戶由坐姿改為站姿,或從站姿改為坐姿時(shí),就會(huì)觸動(dòng)中斷功能。 不過當(dāng)手機(jī)放在口袋中而用戶正在行走、跑步或爬樓梯,則不致觸動(dòng)中斷功能。
2.5 以慣性測量單元做為傳感器中樞
最新型慣性測量單元最主要的優(yōu)點(diǎn)之一,就是嵌入式的傳感器中樞功能。 慣性測量單元提供硬件彈性空間,能以不同模式鏈接針腳和外部傳感器,以此擴(kuò)充慣性測量單元的功能性。 傳感器中樞最多可提供6個(gè)傳感器使用:2個(gè)內(nèi)部傳感器(加速儀和陀螺儀)和4個(gè)外部傳感器。 下圖是以慣性測量單位做為傳感器中樞的圖解。 慣性測量單元提供主要的I2C組態(tài),以鏈接外部傳感器并收集數(shù)據(jù)。 兩個(gè)內(nèi)部傳感器所收集到的數(shù)據(jù),可同時(shí)儲(chǔ)存在嵌入式FIFO里。 有兩種選項(xiàng)可觸動(dòng)主要的I2C,從外部傳感器收集數(shù)據(jù):
1) 和內(nèi)部數(shù)據(jù)備妥(data-ready)信號(加速儀或陀螺儀)達(dá)成同步。
2) 跟來自其中一個(gè)傳感器的外部信號達(dá)成同步(專用PAD)。
這種傳感器中樞的優(yōu)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)連貫、數(shù)據(jù)同步、布局與選路更為簡易,而且能降低整體系統(tǒng)能耗。
3. 結(jié)論
采用 MEMS 的最新型慣性測量單元,不但功能大為提升,還能幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序開發(fā)人員大幅縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)間。 這類慣性測量單元的價(jià)格已大幅降低,效能和嵌入式功能卻大大提升。 新型的慣性測量單元已協(xié)助硬件和軟件工程師實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用概念。 新一代的MEMS慣性測量單元將繼續(xù)提供新增功能并提升效能,以滿足系統(tǒng)工程師和應(yīng)用程序開發(fā)人員越來越高的期待。
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