在消费电子设备中如何选择和集成MEMS运动处理方案

本文摘要：在上期杂志的第一部分中，我们辩论了运动处置应用于以及解决方案。在接下来的第二部分，我们将侧重辩论在消费电子系统中牵头用于这些传感器时必须考虑到的四个关键因素。在设计运动处置系统时必须考虑到的因素要在消费电子应用于中构建六轴运动处置功能，工程师面对着自由选择要么把来自有所不同厂商的陀螺仪和加速度计装配一起、要么自由选择由横向构建的运动处置供应商所获取的全构建方案。

在上期杂志的第一部分中，我们辩论了运动处置应用于以及解决方案。在接下来的第二部分，我们将侧重辩论在消费电子系统中牵头用于这些传感器时必须考虑到的四个关键因素。在设计运动处置系统时必须考虑到的因素要在消费电子应用于中构建六轴运动处置功能，工程师面对着自由选择要么把来自有所不同厂商的陀螺仪和加速度计装配一起、要么自由选择由横向构建的运动处置供应商所获取的全构建方案。

每种方法都有优点和挑战，在自由选择运动处置时，不应考虑到以下有关互操作性的因素：1.为最大限度地减小运动处置功能的价值，设计不应包括多种应用于，如GPS导航系统方位帮助、移动游戏和基于运动的用户模块。这些应用于对陀螺数据取样速率的拒绝各不相同，需用于针对特定应用于设计的低通滤波器(LPF)来避免混叠以确保运动数据的准确性。2.由于要通过数学分数来确认陀螺仪的角度，必需有精确的实时数据。3.对加速度计和陀螺仪数据实时取样以保证高质量的方位座标信息。

4.不应确保陀螺仪的驱动、传感人与自然波频率相互间不阻碍，也不与系统内的任何其它频率互相阻碍。一般来说在陀螺仪和加速度计的产品选型指南上可寻找其核心规格参数，但有适当把传感器指标与其典型应用于融合一起。

表格1得出了各种仿真陀螺仪应用于对满量程范围(以度/秒(dps)为单位)和灵敏度(以毫伏/dps为单位)的拒绝。在运动处置方案中也经常用于数字加速度计，其满量程范围用额定g值得出，灵敏度以LSB/g得出。表格1：有所不同应用于的陀螺仪灵敏度和满量程范围的典型值。

1：滤波拒绝由于噪声和信号比特率拒绝一般来说随所展开的动作发生变化，运动应用于系统一般拒绝具备灵活性的滤波功能。主要用于的滤波技术可分为两类：在仿真域，一般来说由模数转换器(ADC)抗混叠滤波器或RC(阻容)电路来已完成；在数字域，在ADC之后由数字处理器已完成。总是必须仿真滤波器以便避免产生混叠信号。

对于有所不同比特率的运动处置应用于，最佳自由选择是在仿真滤波的后面包括可编程数字滤波器。一些游戏应用于有有所不同的比特率拒绝，例如，某些体育类游戏一般来说包括拒绝较慢运动，因而拒绝更加长的比特率，而对于其它必须绘图或对屏幕菜单选项作出自由选择的游戏，则必需超过更高的精度，这时，不应优先选择比特率较宽和噪声较低的滤波器。

具备运动处置功能的移动设备可使多种应用于系统(如游戏机、照相机图像平稳、用户模块和汽车导航系统)沦为现实，但这些系统对信号比特率的拒绝各不相同。例如，为了捕猎信号频率最低到10赫兹的用户游戏动作，有可能必须取样速率超过200赫兹，根据奈奎斯特准则(拒绝滤掉所有频率大于或等于取样频率一半的信号)，拒绝低通滤波器(LPF)的截止频率高于100赫兹。

某种程度，要收集最低到1赫兹的汽车导航系统方向信号，拒绝取样频率超过10赫兹，并拒绝用于截止频率大于5赫兹的低通滤波器。多运动处置功能带给了抗混叠挑战，合适游戏应用于的100赫兹低通滤波器对导航系统应用于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起延后。

对于这些必须有所不同滤波器比特率的应用于，解决问题方法是用于符合最宽带长拒绝的抗混叠滤波器，而用于可编程数字滤波器来适应环境对噪音有更加严格要求的应用于。非构建运动处置方案(闻图3)有可能须要用于专用的微控制器，它倒数地以100赫兹频率取样，以截止频率为5赫兹的数字低通滤波器展开滤波，并以10赫兹频率输入。该方案的缺点是微控制器带给的额外成本，不适合于成本脆弱的消费电子应用于。

图3：用于多种运动传感器构建的非构建方案，必须并存的相同频率的低通滤波器。全集成型六轴运动处置方案(闻图4)自身包括信号处理功能，它在ADC模块中包括相同频率的抗混叠滤波器，并后相接可编程数字LPF，需要外部信号调理和微控制器。图4：具有可编程信号调理的构建运动处置方案，仍然必须相同频率的外部低通滤波器。

2：实时精度拒绝陀螺仪角度是由取样频率与角速度测量结果要求的，实时精度直接影响陀螺仪角度的测量精度。下面的公式得出了角度测量结果与取样速率和角速度之间的关系：该方程指出，陀螺仪的实时精度与角速度数据某种程度最重要；实时数据不准确将减少角度计算出来的准确性。

当今的消费电子系统拒绝微控制器获取改版表明、报告触摸屏事件或对此电话调用等多种实时功能。由于有这些有所不同的实时拒绝，精确的陀螺实时数据改版有可能会总是以希望的速率再次发生，这将对角度计算出来产生有利影响。在当代手机中，加速度计与罗盘传感器结合只获取最基本的运动传感功能(如弯曲传感和意味著方位)，所以，并不展开动态的传感器数据统合，也不注目实时不许的问题。

然而，随着更加多的手机配有多个传感器(还包括多轴运动处置系统所必须的陀螺仪)，必须能在加速度计和陀螺仪之间获取实校准的实时计时功能从而省略微控制器的构建方案。例如，InvenSense六轴运动处置方案构建了三个必要与双轴和单轴陀螺仪模拟输出模块的高分辨率辅助ADC，以及针对多运动应用于而获取抗混叠功能的内部可编程低通滤波器。3：运动处置数据的实时由于在手执消费电子系统中包括多运动传感器，须要确保传感器数据采集同步进行，对于集成型运动处置方案来说，这是一个具备挑战性的难题。同时收集加速度计和陀螺仪的数据可超过更高的精度，但是，如果各个传感器有各自有所不同的计时拒绝，有可能就必须展开插值运算，这将减少运动算法的复杂性。

多运动传感器所用于的萃取数据方法有可能有所不同，比如，你有可能通过I(SUP/)2(/SUP)C模块以特定的取样频率从数字加速度计搜集数据，但这个数据通过系统微控制器内部的较低分辨率的ADC对仿真陀螺仪的输入展开模数转换，这两个数据有可能不给定。密切构建的六轴运动处置方案的优点是可保证所有的加速度计和陀螺仪的数据准确实时并以较低的设计复杂度来取得更高的精度。4：频率拒绝最后一个必须考虑到的设计要点是，工程师必需保证陀螺仪的驱动器、传感器人与自然波频率或任何其它成分的工作频率不相互阻碍，以便尽量减少传感器融合输入的杂讯。工作在5千赫以下并对声音脆弱的陀螺仪无法用在电视、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。

消费电子系统中用于的扬声器一般来说工作在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，这些设备会阻碍InvenSense构建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自由选择综合考虑到了各种阻碍因素，保证它们之间会相互阻碍，同时避免了音频频率范围和照相机OIS继续执行系统的频率范围。运动处置方案必需构建更高水平的构建，这里明确提出的设计要点可对全构建运动处置系统的自由选择获取依据并避免把它统合到消费电子产品中的障碍。

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