【導(dǎo)讀】基于 MEMS 的慣性測量裝置 (IMU) 可定義為系統(tǒng)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(zhuǎn)換為可讀格式。 MEMS IMU 的開發(fā)已達(dá)數(shù)十年，并且已經(jīng)應(yīng)用在特定利基市場。 但是，只有 MEMS 技術(shù)成熟到能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、小規(guī)格設(shè)備的程度，這些 IMU 在各種應(yīng)用中的實施規(guī)模才會急劇攀升。
雖然這些 IMU 的性能在要求不高的應(yīng)用中可滿足使用預(yù)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(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備中傳感器應(yīng)用的出現(xiàn)，便迫切需要進(jìn)一步提升性能并減少電流消耗。 最新一代的 MEMS IMU 滿足這些需求。
在下面的文章中，我們將回顧 MEMS IMU 的最新進(jìn)展，闡述這些進(jìn)展如何幫助硬件和軟件工程師縮短開發(fā)時間并克服他們一直面臨的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)代 IMU 如何滿足新興應(yīng)用的苛刻要求？
新興 MEMS 基于傳感器的應(yīng)用要求非常苛刻。 這意味著現(xiàn)代 IMU 規(guī)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(xiàn)代 IMU 的結(jié)構(gòu)。
圖 1： 現(xiàn)代 IMU 結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)級封裝）規(guī)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(shè)計和開發(fā)時間。 表 1 重點介紹了現(xiàn)代 IMU 的主要參數(shù)和特性。
表 1： 現(xiàn)代 MEMS IMU 的主要規(guī)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(chǎn)品中設(shè)計 IMU 并更快地開發(fā)應(yīng)用。
設(shè)備接口
兩種接口（SPI 和 I2C）可為設(shè)計人員提供更大的靈活性來讀取傳感器數(shù)據(jù)。 此外，IMU 使用陀螺儀和加速計支持光學(xué)防抖 (OIS) 和電子穩(wěn)像 (EIS) 應(yīng)用。 因此，還有專用輔助 SPI 接口來輸出 OIS 數(shù)據(jù)。
圖像穩(wěn)定： EIS 和 OIS
MEMS IMU 的一個重要進(jìn)步就是其性能可適用于十分苛刻的 OIS 和 EIS 應(yīng)用。 圖 2a 和 2b 顯示了 OIS 連接如何作用的原理圖。
圖 2a： OIS 數(shù)據(jù)通過專用 SPI 接口輸出。
在圖 2a 中，設(shè)備可通過專用 SPI 接口輸出 OIS 數(shù)據(jù)。 它為 OIS 應(yīng)用提供專用可配置信號處理路徑。 用戶界面 (UI) 信號處理路徑完全獨立于 OIS 部分，并且可通過設(shè)備內(nèi)嵌的 FIFO 功能讀取。
圖 2b： OIS 數(shù)據(jù)直接或通過嵌入式 FIFO 發(fā)送到應(yīng)用處理器。
圖 2b 說明了 IMU 中可用的第二種方案。 OIS 應(yīng)用的傳感器數(shù)據(jù)可直接發(fā)送到系統(tǒng)板上的應(yīng)用處理器 (AP)。 此外，也可以將數(shù)據(jù)保存在嵌入式 FIFO 中，然后從 FIFO 將整個數(shù)據(jù)集讀取到 AP。
IMU 實現(xiàn)低噪聲以改進(jìn)苛刻應(yīng)用中的精度
許多應(yīng)用都要求噪聲很低的傳感器數(shù)據(jù)。 但是，下面兩種應(yīng)用屬于目前最熱門的應(yīng)用，要求 IMU 噪聲極低和零偏穩(wěn)定性較高。
增強現(xiàn)實 (AR)： 由于近期 MEMS IMU 的改進(jìn)，AR 在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用受到了極大關(guān)注。 AR 功能的實現(xiàn)方式是通過在真實的環(huán)境中疊加圖形、音頻和其他感應(yīng)增強并實時顯示出來，從而實現(xiàn)交互性和可操控性。
室內(nèi)定位：在 GPS 數(shù)據(jù)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(xiàn)室內(nèi)定位中發(fā)揮著重要作用。 行人航位推算 (PDR) 是室內(nèi)定位的主要基本要素，主要依賴傳感器提供精確數(shù)據(jù)，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(guān)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。 上面的表 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(shè)計和開發(fā)時間
MEMS IMU 中的嵌入式特性消除了某些應(yīng)用的代碼開發(fā)需求。 這些特性將軟件工程師從嵌入式應(yīng)用代碼編寫工作中解放出來，這有助于縮短應(yīng)用開發(fā)周期。 例如，計步器應(yīng)用需要硬件和軟件工程師花費數(shù)月甚至數(shù)年的時間來開發(fā)代碼并進(jìn)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，工程師只需在設(shè)備寄存器中配置計步器應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)。
現(xiàn)代 MEMS IMU 的設(shè)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(fā)代碼的情況下實現(xiàn)一系列應(yīng)用。 嵌入式事件檢測中斷包含下列內(nèi)容：
- 自由落體：僅使用加速計數(shù)據(jù)。 如果全部三個軸上的加速度都低于預(yù)設(shè)閾值，則生成中斷。
- 喚醒：當(dāng)至少一個軸上的加速度超過預(yù)設(shè)的閾值時，就生成中斷。
- 6D 和 4D 方向檢測：僅使用加速計數(shù)據(jù)，同時能夠檢測空間中的設(shè)備方向，為手持設(shè)備輕松實現(xiàn)節(jié)能程序和自動圖像旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)設(shè)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：
- 一個軸高于閾值，兩個軸低于閾值（已知區(qū)）。
- 已知區(qū)與之前的區(qū)不一樣。
閾值可通過嵌入在 IMU 中的專用寄存器進(jìn)行配置。
- 單擊和雙擊：設(shè)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(fā)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(shù)據(jù)速率 (ODR) 為 400 Hz 和 800 Hz。
- 喚醒至休眠：狀態(tài)識別 ACTIVE/SLEEP（活動/睡眠，也稱為活動/非活動）的變化。 用戶設(shè)置 ODR 后，如果所有三個軸上的加速度數(shù)據(jù)在規(guī)定時間段內(nèi)都低于指定閾值，設(shè)備進(jìn)入“喚醒至休眠”模式（設(shè)備處于最低 ODR 12 Hz）。 設(shè)備處于休眠（非活動）模式且至少一個軸的加速度超過閾值時，設(shè)備將進(jìn)入“休眠至喚醒”模式（也稱為“喚醒”）。
所有這些功能都是并行的，并在 ODR 低于1600 Hz 的情況下正確運行。 每個事件都能生成一個可驅(qū)動至設(shè)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(jìn)一步降低系統(tǒng)的總電流消耗和極大節(jié)省開發(fā)人員的開發(fā)時間，新 IMU 包含一些嵌入式 IP 塊。 下面是兩個廣泛使用的功能：
- 計步器功能：步檢測器和步計數(shù)器： 嵌入式計步器僅使用加速計數(shù)據(jù)。 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(shù)重置和算法重置相互獨立。 最小閾值和工作滿量程范圍均可進(jìn)行配置。
- 傾斜： 傾斜功能已在硬件中實現(xiàn)，僅使用加速計數(shù)據(jù)來達(dá)到超低功耗和穩(wěn)健性目標(biāo)。 所依據(jù)的工作原理是：設(shè)備傾斜程度每次發(fā)生變化時便會觸發(fā)事件。 為了實現(xiàn)更定制化的用戶體驗，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(xù)時間。
- 生成中斷事件的可編程角度閾值（默認(rèn) 35°）。
設(shè)備激活至少兩秒后，傾斜改變至少 35 度時，此事件就生成中斷。 傾斜功能可用于不同場景。 例如，手機放在口袋中，當(dāng)手機持有者從坐姿變?yōu)檎玖⒒驈恼玖⒆優(yōu)樽藭r，就會觸發(fā)中斷。 但是，手機放在口袋中走路、跑步或爬樓梯時不會觸發(fā)中斷。
IMU 作為傳感器中樞
最新 IMU 的一個主要優(yōu)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(nèi)部傳感器（加速計和陀螺儀）和四個外部傳感器。 下面的框圖說明了 IMU 作為傳感器中樞的情形。 IMU 提供一個主控 I2C 配置，用于連接到外部傳感器并收集數(shù)據(jù)。 所收集的兩個內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)可同時存儲在嵌入式 FIFO 中。 兩種方法可用于觸發(fā)主控 I2C 從外部傳感器收集數(shù)據(jù)：
- 與內(nèi)部數(shù)據(jù)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(yōu)勢包括數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)同步、更容易放置和布線，以及更低的總系統(tǒng)功耗。
圖 3： MEMS IMU 可用作傳感器中樞，將多個傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器。
總結(jié)
最新基于 MEMS 的 IMU 實現(xiàn)了重大改進(jìn)，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員和應(yīng)用開發(fā)人員極大縮短了設(shè)計和開發(fā)時間。 這種 IMU 的價格已經(jīng)下降了很多，但性能和嵌入式特性卻得到了極大改進(jìn)。 新式 IMU 可以讓硬件和軟件工程師想出更多新應(yīng)用的點子。 下一代 MEMS IMU 將繼續(xù)引進(jìn)其他特性并改進(jìn)性能，以滿足系統(tǒng)工程師和應(yīng)用開發(fā)人員日益增長的期望。
本文來源于Digi-Key。
推薦閱讀：
