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在消費(fèi)電子設(shè)備中集成MEMS運(yùn)動(dòng)處理方案

作者: 時(shí)間:2011-03-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
相機(jī)圖像穩(wěn)定、用戶接口和汽車導(dǎo)航系統(tǒng))成為現(xiàn)實(shí),但這些系統(tǒng)對(duì)信號(hào)帶寬的要求各不相同。例如,為了捕捉信號(hào)頻率最高到10赫茲的用戶游戲動(dòng)作,可能需要采樣速率達(dá)到200赫茲,根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則(要求濾掉所有頻率大于或等于采樣頻率一半的信號(hào)),要求低通濾波器(LPF)的截止頻率低于100赫茲。同樣,要采集最高到1赫茲的汽車導(dǎo)航方向信號(hào),要求采樣頻率達(dá)到10赫茲,并要求使用截止頻率小于5赫茲的低通濾波器。

多運(yùn)動(dòng)處理功能帶來了抗混疊挑戰(zhàn),適合游戲應(yīng)用的100赫茲低通濾波器對(duì)導(dǎo)航應(yīng)用而言可能會(huì)產(chǎn)生過大的噪聲,而5赫茲低通濾波器對(duì)游戲來說因?yàn)榻刂诡l率太低而可能會(huì)引發(fā)延遲。對(duì)于這些需要不同濾波器帶寬的應(yīng)用,解決方法是使用滿足最寬帶寬要求的抗混疊濾波器,而使用可編程數(shù)字濾波器來適應(yīng)對(duì)噪音有更嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

非集成運(yùn)動(dòng)處理方案(見圖3)可能需使用專用的微控制器,它連續(xù)地以100赫茲頻率采樣, 以截止頻率為5赫茲的數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波,并以10赫茲頻率輸出。該方案的缺點(diǎn)是微控制器帶來的額外成本,不適于成本敏感的消費(fèi)電子應(yīng)用。

圖3:使用多種運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的非集成方案,需要分立的固定頻率的低通濾波器。

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全集成型六軸運(yùn)動(dòng)處理方案(見圖4)自身包含信號(hào)處理功能,它在ADC模塊中包含固定頻率的抗混疊濾波器,并后接可編程數(shù)字LPF,無需外部信號(hào)調(diào)理和微控制器。

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圖4:帶有可編程信號(hào)調(diào)理的集成運(yùn)動(dòng)處理方案,不再需要固定頻率的外部低通濾波器

2:同步精度要求

陀螺儀角度是由采樣頻率與角速度測(cè)量結(jié)果決定的,同步精度直接影響陀螺儀角度的測(cè)量精度。下面的公式給出了角度測(cè)量結(jié)果與采樣速率和角速度之間的關(guān)系:

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該方程表明,陀螺儀的同步精度與角速度數(shù)據(jù)同樣重要;同步數(shù)據(jù)不精確將降低角度計(jì)算的準(zhǔn)確性。當(dāng)今的消費(fèi)電子系統(tǒng)要求微控制器提供更新顯示、報(bào)告觸摸屏事件或回應(yīng)電話呼叫等多種同步功能。由于有這些不同的同步要求,準(zhǔn)確的陀螺同步數(shù)據(jù)更新可能不會(huì)總是以期望的速率發(fā)生,這將對(duì)角度計(jì)算產(chǎn)生不利影響。

在當(dāng)代手機(jī)中,加速度計(jì)與羅盤相結(jié)合只提供最基本的運(yùn)動(dòng)傳感功能(如傾斜傳感和絕對(duì)位置),所以,并不進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)整合,也不關(guān)注同步不準(zhǔn)的問題。然而,隨著越來越多的手機(jī)配備多個(gè)傳感器(包括多軸運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)所需要的陀螺儀),需要能在加速度計(jì)和陀螺儀之間提供預(yù)校準(zhǔn)的同步計(jì)時(shí)功能從而省略微控制器的集成方案。例如,InvenSense六軸運(yùn)動(dòng)處理方案集成了三個(gè)直接與雙軸和單軸陀螺儀模擬輸出接口的高分辨率輔助ADC,以及針對(duì)多運(yùn)動(dòng)應(yīng)用而提供抗混疊功能的內(nèi)部可編程低通濾波器。

3:運(yùn)動(dòng)處理數(shù)據(jù)的同步

由于在手持消費(fèi)電子系統(tǒng)中包含多運(yùn)動(dòng)傳感器,需保證傳感器數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行,對(duì)于集成型運(yùn)動(dòng)處理方案來說,這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。同時(shí)采集加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)可達(dá)到更高的精度,但是,如果各個(gè)傳感器有各自不同的計(jì)時(shí)要求,可能就需要進(jìn)行插值運(yùn)算,這將增加運(yùn)動(dòng)算法的復(fù)雜性。

多運(yùn)動(dòng)傳感器所使用的提取數(shù)據(jù)方法可能不同,比如,你可能通過I(SUP/)2(/SUP)C接口以特定的采樣頻率從數(shù)字加速度計(jì)收集數(shù)據(jù),但這個(gè)數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)微控制器內(nèi)部的較低分辨率的ADC對(duì)模擬陀螺儀的輸出進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,這兩個(gè)數(shù)據(jù)可能不匹配。緊密集成的六軸運(yùn)動(dòng)處理方案的優(yōu)點(diǎn)是可確保所有的加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)正確同步并以較低的設(shè)計(jì)復(fù)雜度來獲得更高的精度。

4:頻率要求

最后一個(gè)需要考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是,工程師必須確保陀螺儀的驅(qū)動(dòng)器、傳感器和諧波頻率或任何其它成分的工作頻率不互相干擾,以便盡量減少傳感器融合輸出的失真。工作在5千赫以下并對(duì)聲音敏感的陀螺儀不能用在電視、視頻游戲、收音機(jī)、人類語言、警報(bào)器、汽車或聲響報(bào)警等音頻信號(hào)源附近。消費(fèi)電子系統(tǒng)中使用的揚(yáng)聲器通常工作在20赫茲到20千赫的范圍,OIS執(zhí)行器工作在500赫茲到4千赫范圍,這些設(shè)備不會(huì)干擾InvenSense集成運(yùn)動(dòng)處理器的驅(qū)動(dòng)頻率(X軸24千赫,Y軸27千赫和Z軸30千赫)。這些驅(qū)動(dòng)和傳感頻率的選擇綜合考慮了各種干擾因素,確保它們之間不會(huì)互相干擾,同時(shí)避開了音頻頻率范圍和相機(jī)OIS執(zhí)行系統(tǒng)的頻率范圍。

運(yùn)動(dòng)處理方案必須實(shí)現(xiàn)更高水平的集成,這里提出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可對(duì)全集成運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)并消除把它整合到消費(fèi)電子產(chǎn)品中的障礙。

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