最新MEMS慣性模塊，有助于克服應用程序開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰

　　1. 前言

　　采用微機電系統 (MEMS) 的慣性測量單元 (IMU) ，其定義就是一種系統級封裝芯片 (SiP) 。 其中包含一個(gè)加速儀機械感測組件、一個(gè)陀螺儀機械感測組件，還有一個(gè)能把加速和角速度轉換成可讀取格式的電子電路系統(也就是所謂的「腦部」)。 MEMS慣性測量單元已經(jīng)發(fā)展了幾十年，已應用于部分利基市場(chǎng)。 不過(guò)一直要到MEMS技術(shù)達到一定成熟度，能支持低成本小型裝置，這類(lèi)慣性測量單元廣泛建置在各種應用的情況才得以大幅增加。

　　雖然對于簡(jiǎn)單動(dòng)作偵測、計步以及直式/橫式屏幕等需求沒(méi)那么高的應用來(lái)說(shuō)，這類(lèi)慣性測量單元的效能表現已相當令人滿(mǎn)意，傳感器應用在可攜式、穿戴式與物聯(lián)網(wǎng)裝置崛起后，市場(chǎng)急迫須要進(jìn)一步提升效能并降低電流消耗。 最新一代的MEMS慣性測量單元能滿(mǎn)足這些需求。

　　接下來(lái)我們將討論 MEMS 慣性測量單元的最新技術(shù)進(jìn)展，介紹這類(lèi)產(chǎn)品如何協(xié)助硬件與軟件工程師縮短開(kāi)發(fā)時(shí)程，克服長(cháng)期以來(lái)所面臨的挑戰。

　　2. 現代慣性測量單元如何滿(mǎn)足新興應用充滿(mǎn)挑戰性的需求?

　　新興 MEMS 傳感器應用的要求極高。 這代表現代的慣性測量單元必須盡量減少體積和耗電，同時(shí)還要提供高敏感度、卓越的準確度、高分辨率和超低噪聲位準。 下圖為一款2.5x3x0.8微型封裝現代慣性測量單元的結構圖。

　　圖 1 ：一款現代慣性測量單元的結構圖(系統級封裝);尺寸： 2.5x3x0.86 mm ;封裝： LGA-14

　　除了上述要求，最新款慣性測量單元還提供嵌入式運算法以協(xié)助工程人員縮短設計與開(kāi)發(fā)時(shí)間。 表1列出一款現代慣性測量單元的主要參數及功能。

　　表1：現代慣性測量單元的主要規格; mdps 指每秒毫度

　　我們將討論以上表格里的部分功能，解釋它們如何協(xié)助工程人員設計出適合他們產(chǎn)品的慣性測量單元，加速開(kāi)發(fā)出各種應用。

　　2.1 裝置接口

　　有兩種接口 ( SPI 和 I2C ) 可提供設計人員更多彈性來(lái)讀取傳感器數據。 此外慣性測量單元也同時(shí)使用陀螺儀和加速儀，來(lái)支持光學(xué)防抖(OIS)和電子防抖(EIS)應用。 因此，還有一個(gè)專(zhuān)用的輔助SPI接口來(lái)輸出光學(xué)防手震數據。

　　2.2影像穩定意：電子防抖和光學(xué)防抖

　　MEMS 慣性測量單元最主要的好處之一，就是它的效能表現適合用在挑戰度高的光學(xué)防抖和電子防抖應用。 圖2a和2b解釋了光學(xué)防手震聯(lián)機是如何作用。

　　圖2a：透過(guò)專(zhuān)用 SPI 接口輸出光學(xué)防抖數據

　　在圖 2a 里面，裝置可透過(guò)專(zhuān)用的 SPI 接口輸出光學(xué)防抖數據。 它能為光學(xué)防抖應用提供專(zhuān)用的可配置信號處理路徑。 用戶(hù)接口(UI)信號處理路徑完全獨立于光學(xué)防抖的部分之外，可透過(guò)嵌入裝置內部的FIFO功能加以讀取。

　　圖2b：光學(xué)防抖數據可直接或通過(guò)嵌入式 FIFO ，傳送到應用程序處理器

　　圖2b說(shuō)明了慣性測量單元所提供的第二種解決方案。 光學(xué)防手震應用的傳感器數據，可直接傳送到主板上的應用程序處理器(AP)。 它也可以將數據儲存在嵌入式FIFO，然后從FIFO讀取所有數據表單再提供給應用程序處理器。

　　2.3 慣性測量單元提供低噪聲，可改善復雜應用程序的準確度

　　對很多應用來(lái)說(shuō)，傳感器數據的噪聲位準必須非常低。 然而以下兩種極受歡迎應用所需要的慣性測量單元，則必須提供極低噪聲位準和高度的零偏穩定性(bias stability)。

　　增強現實(shí)( AR )： 由于近年來(lái) MEMS 慣性測量單元技術(shù)有所進(jìn)展，便攜設備開(kāi)始對增強現實(shí)功能產(chǎn)生濃厚興趣。 增強現實(shí)功能，是將圖像、音頻和其他感測強化功能重迭在現實(shí)環(huán)境上以進(jìn)行互動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上以便互動(dòng)與操縱。

　　室內定位： 想在 GPS 數據不足或缺乏，無(wú)法提供正確及可靠定位數據的地方建立室內定位功能，這時(shí) MEMS 慣性測量單元就會(huì )扮演重要角色。 行人航位推算(PDR)是室內定位功能的主要構件，主要是靠傳感器提供正確數據，才能計算新的位置和方位。 慣性測量單元的效能和準確度，對行人航位推算解決方案的準確度來(lái)說(shuō)是相當關(guān)鍵的。

　　最新型的慣性測量單元提供低噪聲陀螺儀與加速儀，以此解決這方面的問(wèn)題。 從前面的表1可看出加速儀和陀螺儀的低噪聲位準。

　　2.4 嵌入式運算法有助于縮短設計開(kāi)發(fā)時(shí)間

　　MEMS 慣性測量單元的嵌入式特性，讓部分應用可以免除程序代碼開(kāi)發(fā)的必要。 有了這些功能，軟件工程師便不必為了嵌入應用撰寫(xiě)程序代碼，有助于縮短應用程序開(kāi)發(fā)周期。 舉例來(lái)說(shuō)，過(guò)去計步器應用程序需要硬件和軟件工程師花上好幾個(gè)月、甚至數年開(kāi)發(fā)程序代碼并進(jìn)行測試。 然而現在只要利用嵌入了計步器運算法的MEMS慣性測量單元就能大幅減少這方面的工作，工程師只需在裝置緩存器中設定計步器應用程序相關(guān)參數即可。

　　現代 MEMS 慣性測量單元的設計，已完全適用于 Android 系統并提供以下晶載功能：

　　2.4.1事件偵測中斷(完全可組態(tài))

　　慣性測量單元提供事件偵測中斷功能，可幫助工程師建置各種應用而無(wú)需開(kāi)發(fā)任何程序代碼。 嵌入的事件偵測中斷如下：

　　自由掉落： 只利用加速儀數據。 如果所有三個(gè)軸的加速都低于預先設定的臨界值，就會(huì )產(chǎn)生中斷。

　　喚醒： 當至少一個(gè)軸的加速超過(guò)預先設定的臨界值，就會(huì )產(chǎn)生中斷。

　　6D 與 4D 定向偵測： 只利用加速儀數據，而且有能力偵測裝置在空間中的方位，讓節能程序實(shí)施起來(lái)更為簡(jiǎn)易，手持裝置也能自動(dòng)進(jìn)行影像旋轉。 當裝置從一個(gè)方位換到不同方位，就會(huì )產(chǎn)生中斷。 為了辨識方位的變化，必須符合以下?tīng)顩r：

　　· 有一軸高于臨界值，兩軸低于臨界值(已知區域)

　　· 已知區域和先前不同。

　　可通過(guò)嵌入慣性測量單元的專(zhuān)用緩存器來(lái)配置臨界值。

　　單擊與雙擊： 裝置經(jīng)過(guò)配置后，只要任何方向遭到敲擊(單次或雙次)就會(huì )在專(zhuān)用針腳上輸出中斷訊號。 開(kāi)發(fā)人員可自行配置臨界值和用來(lái)辨識雙擊的兩個(gè)事件間隔時(shí)間。 建議的單擊和雙擊輸出速率(ODR)為400Hz和800Hz。

　　喚醒到休眠： 利用狀態(tài)的變化辨識活動(dòng)/休眠(又稱(chēng)作活動(dòng)/無(wú)活動(dòng))。 用戶(hù)設定輸出速率后，如果特定時(shí)間內所有三軸的加速數據都低于特定臨界值，裝置就會(huì )進(jìn)入喚醒到休眠(Wake-to-Sleep)模式(裝置最低輸出速率12Hz )。 如果裝置進(jìn)入休眠(無(wú)活動(dòng))模式，且至少有一軸的加速超過(guò)臨界值，那么裝置就會(huì )進(jìn)入休眠到喚醒模式(又稱(chēng)為喚醒)。

　　以上所有功能均可在低于 1600Hz 的輸出速率下并行且正確運作。 每個(gè)事件都可透過(guò)裝置的兩個(gè)中斷針腳(INT1和INT2)產(chǎn)生中斷訊號。

　　2.4.2 能耗可忽略且效能極高的特定 IP 區塊

　　為了近一步降低系統現有整體能耗，同時(shí)大幅節省開(kāi)發(fā)人員所需時(shí)間，新款的慣性測量單元還包含部分嵌入式 IP 區塊。 以下為兩種廣為使用的功能：

　　計步器功能：步伐偵測器和步伐計算器： 嵌入的計步器只利用加速儀數據。 它能在偵測到步伐時(shí)產(chǎn)生中斷。 還會(huì )計算步伐事件，最多能儲存65535步(16位)。 步伐數目的重設和運算法重設是各自獨立的。 最低臨界值和操作全規模范圍均可自行配置。

　　傾斜： 傾斜功能已置于硬件中，只利用加速儀數據以同時(shí)達到超低能耗和穩健度的目標。 它的根據是，每次裝置傾斜度改變就會(huì )觸發(fā)事件。 若要客制化用戶(hù)體驗，可透過(guò)下列方式配置傾斜功能：

　　· 可程序的平均窗口/事件時(shí)間。

　　· 可程序的中斷事件產(chǎn)生角度臨界值(默認為 35° )。

　　當裝置啟動(dòng)至少兩秒后，傾斜度改變 35 度以上，事件就會(huì )產(chǎn)生中斷。 傾斜功能可用在不同情境。 舉例來(lái)說(shuō)，當手機放在口袋里，且用戶(hù)由坐姿改為站姿，或從站姿改為坐姿時(shí)，就會(huì )觸動(dòng)中斷功能。 不過(guò)當手機放在口袋中而用戶(hù)正在行走、跑步或爬樓梯，則不致觸動(dòng)中斷功能。

　　2.5 以慣性測量單元做為傳感器中樞

　　最新型慣性測量單元最主要的優(yōu)點(diǎn)之一，就是嵌入式的傳感器中樞功能。 慣性測量單元提供硬件彈性空間，能以不同模式鏈接針腳和外部傳感器，以此擴充慣性測量單元的功能性。 傳感器中樞最多可提供6個(gè)傳感器使用：2個(gè)內部傳感器(加速儀和陀螺儀)和4個(gè)外部傳感器。 下圖是以慣性測量單位做為傳感器中樞的圖解。 慣性測量單元提供主要的I2C組態(tài)，以鏈接外部傳感器并收集數據。 兩個(gè)內部傳感器所收集到的數據，可同時(shí)儲存在嵌入式FIFO里。 有兩種選項可觸動(dòng)主要的I2C，從外部傳感器收集數據：

　　1) 和內部數據備妥(data-ready)信號(加速儀或陀螺儀)達成同步。

　　2) 跟來(lái)自其中一個(gè)傳感器的外部信號達成同步(專(zhuān)用PAD)。

　　這種傳感器中樞的優(yōu)點(diǎn)包括數據連貫、數據同步、布局與選路更為簡(jiǎn)易，而且能降低整體系統能耗。

　　3. 結論

　　采用 MEMS 的最新型慣性測量單元，不但功能大為提升，還能幫助系統設計和應用程序開(kāi)發(fā)人員大幅縮短設計和開(kāi)發(fā)時(shí)間。 這類(lèi)慣性測量單元的價(jià)格已大幅降低，效能和嵌入式功能卻大大提升。 新型的慣性測量單元已協(xié)助硬件和軟件工程師實(shí)現新的應用概念。 新一代的MEMS慣性測量單元將繼續提供新增功能并提升效能，以滿(mǎn)足系統工程師和應用程序開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越高的期待。