在消费电子设备中集成MEMS运动处理方案云母电容器

在消费电子设备中集成MEMS运动处理方案

在消费电子设备中集成MEMS运动处理方案 2011年12月03日 来源： 对设备在三维空间中的运动进行测量及智能处理的运动处理技术，将是下一个重大的革命性技术，会对未来的手持消费电子设备、人机接口、及导航和控制产生重大影响。这场变革的推动力量是基于微机电系统(MEMS)的消费级惯性测量单元(IMU)。与六轴运动处理技术相结合，这些器件可为手持消费电子产品的导航和控制提供更简单并符合直觉的用户接口，从而解决这些复杂设备使很多用户感到困惑的操作复杂性问题。这种基于MEMS运动处理的六轴控制得以实现的关键器件是最近推出的体积更小、成本更低、性能更高、可与现有的三轴MEMS加速度计相结合三轴MEMS陀螺仪。本文将给出一个六轴运动处理方案，并探讨把这种技术整合到日用消费电子系统中时需要考虑的关键问题。在使用六轴运动处理实现新的设计时，确保符合本文给出的四个关键因素可提高整合效率，并使最终的用户设备具有卓越的性能。运动处理应用在电子娱乐展览会(E3)上，三大游戏机品牌都展示了为其当前或下一代系统开发的运动驱动型人机接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六轴运动处理方案。一些游戏软件开发商迅速推出了可利用六轴运动处理功能的新游戏：任天堂将在2009年7月推出Wii Sports游戏的续篇Wii Sports Resort。早期的产品评估显示，使用运动处理技术实现的屏幕游戏控制对控制器运动有较高的跟踪精度，并实现了1:1跟踪。由于消费者已接受了三轴加速度计所提供的新特性，手机将是运动处理的下一个前沿领域。苹果公司的iPhone就是一个很好的例子。目前，苹果在继续开发独特的运动传感应用，包括为其iPhone3.0增加在复制和粘贴过程中通过晃动撤消操作的shake-to-undo(晃动撤消)功能等。向未来的手机和其它手持消费电子系统增加六轴运动处理可以以更高的精度、准确度和反应能力向软件开发商提供手机在三维空间的绝对位置，进而使之具有控制台游戏性能。这是一个快速变化的环境，在过去，带有传统的按钮和滑轮的产品率先上市曾经是设计取胜的关键；而今，成功将取决于谁可以创造出最有吸引力的用户体验，因为依靠六轴运动处理，复杂的控制和导航指令现在可用普通的手势动作来执行。运动处理方案提供运动处理能力的关键技术，就是传统上用于测量绝对旋转速率的陀螺仪。振动质量陀螺仪利用科氏加速度在一个结构的两个共振模式之间产生的能量传递，科氏加速度出现在旋转参照坐标系中，并与旋转角速度成正比，参见图1。陀螺仪通过测量科氏加速度来获得角速度(Ω)。

图1：科氏加速度出现在旋转参照平面中，与旋转速率成正比

振动调谐音叉质量陀螺仪通常包含一对振幅相等、方向相反的振动质量块。当陀螺仪旋转时，科氏力引起与旋转角速度成正比的正交振动力。好的陀螺仪设计应具有较高的科氏加速度和较低的机械噪声。要获得较大的科氏加速度要求惯性质量具有较高的速度(这个速度是在静电力驱动下产生的)，要获得高灵敏度要求集成电路(IC)放大倍数较低以降低噪声。虽然加速度计可为简单的方位和倾斜应用提供基本的运动传感，但在光学图像稳定(OIS)等更复杂的应用中，却存在一些影响加速度计操作和性能的限制。加速度计只能提供线性和向心加速度、重力和振动的总和。需要增加陀螺仪才能提取加速度的线性运动信息的某个分量。在运动处理方案中，陀螺仪必须精确地测量角速度旋转运动。为校正加速度计的旋转误差，一些厂商使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能。这些器件确定手持设备相对于磁北方向的旋转运动，并通常用于调整地图的显示方向以使之与用户当前面对的方向相对应。磁力计无力实现快速旋转测量(大于5赫兹)，而且，在存在外部磁场时(如存在扬声器、音频耳机)，甚至当设备周围存在铁磁材料时，数据易于受到污染。陀螺仪是唯一提供准确、无延迟的旋转测量，且不受磁、重力或其他环境因素的任何外力影响的惯性传感器。基于硅MEMS的技术不但带来了可满足消费电子产品成本要求的新型MEMS陀螺仪，而且有望达到具有挑战性的每轴低于$1.00美元的行业成本目标，另外，这种新型陀螺仪也满足手机、游戏控制器、遥控器和便携导航设备对封装尺寸和旋转传感精度的要求。体积小、性能高、成本低的MEMS陀螺仪及其配套的MEMS加速度计已经使运动处理方案成为现实。既需要陀螺仪，也需要加速度计要满足最终用户的功能预期，需要获得三轴旋转运动和三轴直线运动的信息。一个常见的误解是，要使手持系统具有运动处理功能，工程师需要加入陀螺仪或加速度计，即只需二选一。确实，已经有业界分析师提出这样的问题，“哪一个将在运动传感器竞赛中获胜？” 事实上，要准确地描述线性和旋转运动，需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用陀螺仪和加速度计的方案。在跟踪倾斜和旋转运动时，加速度计在设备不运动时提供更准确的加速度测量，而MEMS陀螺仪在设备运动时测量精度更高。如图2所示，传感器融合算法通常用来把加速度计和陀螺仪的数据相结合，从而在较宽的频带内实现准确的旋转测量。

图2：传感器融合算法把加速度计和陀螺仪的数据相结合，可覆盖更宽的运动信号频率范围

选择适当的运动处理方案需仔细分析多种因素，包括设备的满量程范围、灵敏度、偏移性能、噪音、交叉轴灵敏度，以及温度、湿度和机械加速度震动对产品的影响。接下来我们着重讨论在消费电子系统中联合使用这些传感器时需要考虑的四个关键因素。

在设计运动处理系统时需要考虑的因素要在消费电子应用中实现六轴运动处理功能，工程师面临着选择要么把来自不同厂商的陀螺仪和加速度计组装起来、要么选择由纵向集成的运动处理供应商所提供的全集成方案。每种方法都有优点和挑战，在选择运动处理时，应考虑以下有关互操作性的因素：1. 为最大限度地增大运动处理功能的价值，设计应包含多种应用，如GPS导航方位协助、移动游戏和基于运动的用户接口。这些应用对陀螺数据采样速率的要求各不相同，须使用针对特定应用设计的低通滤波器(LPF)来防止混叠以保证运动数据的准确性。2. 由于要通过数学积分来确定陀螺仪的角度，必须有准确的同步数据。3. 对加速度计和陀螺仪数据同步采样以确保高质量的位置坐标信息。4. 应保证陀螺仪的驱动、传感和谐波频率相互间不干扰，也不与系统内的任何其它频率相互干扰。通常在陀螺仪和加速度计的产品选型指南上可找到其核心规格参数，但有必要把传感器指标与其典型应用结合起来。表1给出了各种模拟陀螺仪应用对满量程范围(以度/秒(dps)为单位)和灵敏度(以毫伏/dps为单位)的要求。在运动处理方案中也常常使用数字加速度计，其满量程范围用额定g值给出，灵敏度以LSB/g给出。

表1：不同应用的陀螺仪灵敏度和满量程范围的典型值

1：滤波要求由于噪声和信号带宽要求通常随所进行的动作发生变化，运动应用系统一般要求具有灵活的滤波功能。主要使用的滤波技术可分成两类：在模拟域，通常由模数转换器(ADC)抗混叠滤波器或RC(阻容)电路来完成；在数字域，在ADC之后由数字处理器完成。总是需要模拟滤波器以便防止产生混叠信号。对于不同带宽的运动处理应用，最佳选择是在模拟滤波的后面包含可编程数字滤波器。一些游戏应用有不同的带宽要求，例如，某些体育类游戏通常包含要求快速运动，因而要求更宽的带宽，而对于其它需要绘图或对屏幕菜单选项做出选择的游戏，则必须达到更高的精度，这时，应优先选择带宽较窄和噪声较低的滤波器。具有运动处理功能的移动设备可使多种应用系统(如游戏机、相机图像稳定、用户接口和汽车导航系统)成为现实，但这些系统对信号带宽的要求各不相同。例如，为了捕捉信号频率最高到10赫兹的用户游戏动作，可能需要采样速率达到200赫兹，根据奈奎斯特准则(要求滤掉所有频率大于或等于采样频率一半的信号)，要求低通滤波器(LPF)的截止频率低于100赫兹。同样，要采集最高到1赫兹的汽车导航方向信号，要求采样频率达到10赫兹，并要求使用截止频率小于5赫兹的低通滤波器。多运动处理功能带来了抗混叠挑战，适合游戏应用的100赫兹低通滤波器对导航应用而言可能会产生过大的噪声，而5赫兹低通滤波器对游戏来说因为截止频率太低而可能会引发延迟。对于这些需要不同滤波器带宽的应用，解决方法是使用满足最宽带宽要求的抗混叠滤波器，而使用可编程数字滤波器来适应对噪音有更严格要求的应用。非集成运动处理方案(见图3)可能需使用专用的微控制器，它连续地以100赫兹频率采样， 以截止频率为5赫兹的数字低通滤波器进行滤波，并以10赫兹频率输出。该方案的缺点是微控制器带来的额外成本，不适于成本敏感的消费电子应用。图3：使用多种运动传感器实现的非集成方案，需要分立的固定频率的低通滤波器。

全集成型六轴运动处理方案(见图4)自身包含信号处理功能，它在ADC模块中包含固定频率的抗混叠滤波器，并后接可编程数字LPF，无需外部信号调理和微控制器。

图4：带有可编程信号调理的集成运动处理方案，不再需要固定频率的外部低通滤波器

2：同步精度要求陀螺仪角度是由采样频率与角速度测量结果决定的，同步精度直接影响陀螺仪角度的测量精度。下面的公式给出了角度测量结果与采样速率和角速度之间的关系：

该方程表明，陀螺仪的同步精度与角速度数据同样重要；同步数据不精确将降低角度计算的准确性。当今的消费电子系统要求微控制器提供更新显示、报告触摸屏事件或回应电话呼叫等多种同步功能。由于有这些不同的同步要求，准确的陀螺同步数据更新可能不会总是以期望的速率发生，这将对角度计算产生不利影响。在当代手机中，加速度计与罗盘传感器相结合只提供最基本的运动传感功能(如倾斜传感和绝对位置)，所以，并不进行实时的传感器数据整合，也不关注同步不准的问题。然而，随着越来越多的手机配备多个传感器(包括多轴运动处理系统所需要的陀螺仪)，需要能在加速度计和陀螺仪之间提供预校准的同步计时功能从而省略微控制器的集成方案。例如，InvenSense六轴运动处理方案集成了三个直接与双轴和单轴陀螺仪模拟输出接口的高分辨率辅助ADC，以及针对多运动应用而提供抗混叠功能的内部可编程低通滤波器。3：运动处理数据的同步由于在手持消费电子系统中包含多运动传感器，需保证传感器数据采集同步进行，对于集成型运动处理方案来说，这是一个具有挑战性的难题。同时采集加速度计和陀螺仪的数据可达到更高的精度，但是，如果各个传感器有各自不同的计时要求，可能就需要进行插值运算，这将增加运动算法的复杂性。多运动传感器所使用的提取数据方法可能不同，比如，你可能通过I(SUP/)2(/SUP)C接口以特定的采样频率从数字加速度计收集数据，但这个数据通过系统微控制器内部的较低分辨率的ADC对模拟陀螺仪的输出进行模数转换，这两个数据可能不匹配。紧密集成的六轴运动处理方案的优点是可确保所有的加速度计和陀螺仪的数据正确同步并以较低的设计复杂度来获得更高的精度。4：频率要求最后一个需要考虑的设计要点是，工程师必须确保陀螺仪的驱动器、传感器和谐波频率或任何其它成分的工作频率不互相干扰，以便尽量减少传感器融合输出的失真。工作在5千赫以下并对声音敏感的陀螺仪不能用在电视、视频游戏、收音机、人类语言、警报器、汽车或声响报警等音频信号源附近。消费电子系统中使用的扬声器通常工作在20赫兹到20千赫的范围，OIS执行器工作在500赫兹到4千赫范围，这些设备不会干扰InvenSense集成MEMS运动处理器的驱动频率(X轴24千赫，Y轴27千赫和Z轴30千赫)。这些驱动和传感频率的选择综合考虑了各种干扰因素，确保它们之间不会互相干扰，同时避开了音频频率范围和相机OIS执行系统的频率范围。运动处理方案必须实现更高水平的集成，这里提出的设计要点可对全集成运动处理系统的选择提供依据并消除把它整合到消费电子产品中的障碍。(end)

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