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最新 MEMS 慣性模塊如何幫助克服應用開發挑戰

發布時間：2017-05-10 來源：Jay Esfandyari 責任編輯：wenwei

【導讀】基於 MEMS 的慣性測量裝置 (IMU) 可定義為係統級封裝。它包括加速計機械感測元件、陀螺儀機械感測元件以及電子電路（“大腦”），以便將加速度和角速度轉換為可讀格式。 MEMS IMU 的開發已達數十年，並且已經應用在特定利基市場。但是，隻有 MEMS 技術成熟到能夠實現低成本、小規格設備的程度，這些 IMU 在各種應用中的實施規模才會急劇攀升。

雖然這些 IMU 的性能在要求不高的應用中可滿足使用預期（如簡單運動檢測、計步和縱向/橫向顯示），但隨著便攜式、可穿戴和物聯網 (IoT) 設備中傳感器應用的出現，便迫切需要進一步提升性能並減少電流消耗。最新一代的 MEMS IMU 滿足這些需求。

在下麵的文章中，我們將回顧 MEMS IMU 的最新進展，闡述這些進展如何幫助硬件和軟件工程師縮短開發時間並克服他們一直麵臨的挑戰。

現代 IMU 如何滿足新興應用的苛刻要求？

新興 MEMS 基於傳感器的應用要求非常苛刻。這意味著現代 IMU 規格必須盡可能小、功耗盡可能少，同時提供高靈敏度、出色的精度、高分辨率和極低的噪聲水平。下圖顯示了極小 2.5 x 3 x 0.8 封裝中的現代 IMU 的結構。

最新 MEMS 慣性模塊如何幫助克服應用開發挑戰

圖 1：現代 IMU 結構（係統級封裝）規格： 2.5 x 3 x 0.86 mm，封裝： LGA-14。

除了上述要求，最新 IMU 還提供了嵌入式算法幫助工程師縮短設計和開發時間。表 1 重點介紹了現代 IMU 的主要參數和特性。

最新 MEMS 慣性模塊如何幫助克服應用開發挑戰

表 1：現代 MEMS IMU 的主要規格；mdps：毫度/秒。

讓我們回顧上表中的一些特性，從而說明這些特性如何幫助工程師在產品中設計 IMU 並更快地開發應用。

設備接口

兩種接口（SPI 和 I2C）可為設計人員提供更大的靈活性來讀取傳感器數據。此外，IMU 使用陀螺儀和加速計支持光學防抖 (OIS) 和電子穩像 (EIS) 應用。因此，還有專用輔助 SPI 接口來輸出 OIS 數據。

圖像穩定： EIS 和 OIS

MEMS IMU 的一個重要進步就是其性能可適用於十分苛刻的 OIS 和 EIS 應用。圖 2a 和 2b 顯示了 OIS 連接如何作用的原理圖。

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圖 2a： OIS 數據通過專用 SPI 接口輸出。

在圖 2a 中，設備可通過專用 SPI 接口輸出 OIS 數據。它為 OIS 應用提供專用可配置信號處理路徑。用戶界麵 (UI) 信號處理路徑完全獨立於 OIS 部分，並且可通過設備內嵌的 FIFO 功能讀取。

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圖 2b： OIS 數據直接或通過嵌入式 FIFO 發送到應用處理器。

圖 2b 說明了 IMU 中可用的第二種方案。 OIS 應用的傳感器數據可直接發送到係統板上的應用處理器 (AP)。此外，也可以將數據保存在嵌入式 FIFO 中，然後從 FIFO 將整個數據集讀取到 AP。

IMU 實現低噪聲以改進苛刻應用中的精度

許多應用都要求噪聲很低的傳感器數據。但是，下麵兩種應用屬於目前最熱門的應用，要求 IMU 噪聲極低和零偏穩定性較高。

增強現實 (AR)：由於近期 MEMS IMU 的改進，AR 在便攜式設備中的應用受到了極大關注。 AR 功能的實現方式是通過在真實的環境中疊加圖形、音頻和其他感應增強並實時顯示出來，從而實現交互性和可操控性。

室內定位：在 GPS 數據訪問能力下降或不可用而無法提供精確可靠定位的情況下，MEMS IMU 在實現室內定位中發揮著重要作用。行人航位推算 (PDR) 是室內定位的主要基本要素，主要依賴傳感器提供精確數據，以便能夠計算新位置和方向。 IMU 的性能和精度對 PDR 解決方案的精度至關重要。

最新 IMU 通過提供極低噪聲的陀螺儀和加速計解決了這一問題。上麵的表 1 描述了加速計和陀螺儀的低噪音水平。

嵌入式算法幫助縮短設計和開發時間

MEMS IMU 中的嵌入式特性消除了某些應用的代碼開發需求。這些特性將軟件工程師從嵌入式應用代碼編寫工作中解放出來，這有助於縮短應用開發周期。例如，計步器應用需要硬件和軟件工程師花費數月甚至數年的時間來開發代碼並進行測試。但是，通過帶嵌入式計步器算法的 MEMS IMU，可在很大程度上減少這些工作，工程師隻需在設備寄存器中配置計步器應用相關的參數。

現代 MEMS IMU 的設計能夠與 Android 完全兼容，同時具有下列片載功能：

事件檢測中斷（完全可配置）

IMU 提供事件檢測中斷，幫助工程師在無需開發代碼的情況下實現一係列應用。嵌入式事件檢測中斷包含下列內容：

自由落體：僅使用加速計數據。如果全部三個軸上的加速度都低於預設閾值，則生成中斷。
喚醒：當至少一個軸上的加速度超過預設的閾值時，就生成中斷。
6D 和 4D 方向檢測：僅使用加速計數據，同時能夠檢測空間中的設備方向，為手持設備輕鬆實現節能程序和自動圖像旋轉。當設備從一個方向切換到另一個方向時，就生成中斷。要識別方向改變，需要滿足下列條件：

一個軸高於閾值，兩個軸低於閾值（已知區）。
已知區與之前的區不一樣。

閾值可通過嵌入在 IMU 中的專用寄存器進行配置。

單擊和雙擊：設備可配置為受到任意方向輕擊（一次或兩次）時在專用引腳上輸出中斷信號。開發人員可配置雙擊識別的閾值和兩個事件之間的時間。單擊和雙擊功能的建議輸出數據速率 (ODR) 為 400 Hz 和 800 Hz。
喚醒至休眠：狀態識別 ACTIVE/SLEEP（活動/睡眠，也稱為活動/非活動）的變化。用戶設置 ODR 後，如果所有三個軸上的加速度數據在規定時間段內都低於指定閾值，設備進入“喚醒至休眠”模式（設備處於最低 ODR 12 Hz）。設備處於休眠（非活動）模式且至少一個軸的加速度超過閾值時，設備將進入“休眠至喚醒”模式（也稱為“喚醒”）。

所有這些功能都是並行的，並在 ODR 低於1600 Hz 的情況下正確運行。每個事件都能生成一個可驅動至設備的兩個中斷引腳（INT1 和 INT2）的中斷信號。

擁有極低功耗和高性能的特定 IP 塊

為了進一步降低係統的總電流消耗和極大節省開發人員的開發時間，新 IMU 包含一些嵌入式 IP 塊。下麵是兩個廣泛使用的功能：

計步器功能：步檢測器和步計數器： 嵌入式計步器僅使用加速計數據。該裝置可在檢測到腳步時生成中斷。它會計算步事件，最多可保存 65535 步（16 位）。步數重置和算法重置相互獨立。最小閾值和工作滿量程範圍均可進行配置。
傾斜： 傾斜功能已在硬件中實現，僅使用加速計數據來達到超低功耗和穩健性目標。所依據的工作原理是：設備傾斜程度每次發生變化時便會觸發事件。為了實現更定製化的用戶體驗，傾斜功能可通過以下方式配置：

事件的可編程平均窗口/持續時間。
生成中斷事件的可編程角度閾值（默認 35°）。

設備激活至少兩秒後，傾斜改變至少 35 度時，此事件就生成中斷。傾斜功能可用於不同場景。例如，手機放在口袋中，當手機持有者從坐姿變為站立或從站立變為坐姿時，就會觸發中斷。但是，手機放在口袋中走路、跑步或爬樓梯時不會觸發中斷。

IMU 作為傳感器中樞

最新 IMU 的一個主要優勢就是嵌入式傳感器中樞功能。 IMU 提供硬件靈活性，可將具有不同模式連接的引腳連接到外部傳感器，以便擴展 IMU 的功能。傳感器中樞可使用最多六個傳感器：兩個內部傳感器（加速計和陀螺儀）和四個外部傳感器。下麵的框圖說明了 IMU 作為傳感器中樞的情形。 IMU 提供一個主控 I2C 配置，用於連接到外部傳感器並收集數據。所收集的兩個內部傳感器數據可同時存儲在嵌入式 FIFO 中。兩種方法可用於觸發主控 I2C 從外部傳感器收集數據：

與內部數據就緒信號同步（XL 或陀螺儀）。
與其中一個傳感器的外部信號同步（專用 PAD）。

此傳感器中樞功能的優勢包括數據一致性、數據同步、更容易放置和布線，以及更低的總係統功耗。

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圖 3： MEMS IMU 可用作傳感器中樞，將多個傳感器的數據發送到中央處理器。

總結

最新基於 MEMS 的 IMU 實現了重大改進，幫助係統設計人員和應用開發人員極大縮短了設計和開發時間。這種 IMU 的價格已經下降了很多，但性能和嵌入式特性卻得到了極大改進。新式 IMU 可以讓硬件和軟件工程師想出更多新應用的點子。下一代 MEMS IMU 將繼續引進其他特性並改進性能，以滿足係統工程師和應用開發人員日益增長的期望。

本文來源於Digi-Key。

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