在消費電子設備中集成MEMS運動(dòng)處理方案
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這場(chǎng)變革的推動(dòng)力量是基于微機電系統(MEMS)的消費級慣性測量單元(IMU)。與六軸運動(dòng)處理技術(shù)相結合，這些器件可為手持消費電子產(chǎn)品的導航和控制提供更簡(jiǎn)單并符合直覺(jué)的用戶(hù)接口，從而解決這些復雜設備使很多用戶(hù)感到困惑的操作復雜性問(wèn)題。
這種基于MEMS運動(dòng)處理的六軸控制得以實(shí)現的關(guān)鍵器件是最近推出的體積更小、成本更低、性能更高、可與現有的三軸MEMS加速度計相結合三軸MEMS陀螺儀。
本文將給出一個(gè)六軸運動(dòng)處理方案，并探討把這種技術(shù)整合到日用消費電子系統中時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。在使用六軸運動(dòng)處理實(shí)現新的設計時(shí)，確保符合本文給出的四個(gè)關(guān)鍵因素可提高整合效率，并使最終的用戶(hù)設備具有卓越的性能。
運動(dòng)處理應用
在電子娛樂(lè )展覽會(huì )(E3)上，三大游戲機品牌都展示了為其當前或下一代系統開(kāi)發(fā)的運動(dòng)驅動(dòng)型人機接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六軸運動(dòng)處理方案。一些游戲軟件開(kāi)發(fā)商迅速推出了可利用六軸運動(dòng)處理功能的新游戲：任天堂將在2009年7月推出Wii Sports游戲的續篇Wii Sports Resort。早期的產(chǎn)品評估顯示，使用運動(dòng)處理技術(shù)實(shí)現的屏幕游戲控制對控制器運動(dòng)有較高的跟蹤精度，并實(shí)現了1:1跟蹤。
由于消費者已接受了三軸加速度計所提供的新特性，手機將是運動(dòng)處理的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。蘋(píng)果公司的iPhone就是一個(gè)很好的例子。目前，蘋(píng)果在繼續開(kāi)發(fā)獨特的運動(dòng)傳感應用，包括為其iPhone3.0增加在復制和粘貼過(guò)程中通過(guò)晃動(dòng)撤消操作的shake-to-undo(晃動(dòng)撤消)功能等。向未來(lái)的手機和其它手持消費電子系統增加六軸運動(dòng)處理可以以更高的精度、準確度和反應能力向軟件開(kāi)發(fā)商提供手機在三維空間的絕對位置，進(jìn)而使之具有控制臺游戲性能。
這是一個(gè)快速變化的環(huán)境，在過(guò)去，帶有傳統的按鈕和滑輪的產(chǎn)品率先上市曾經(jīng)是設計取勝的關(guān)鍵；而今，成功將取決于誰(shuí)可以創(chuàng )造出最有吸引力的用戶(hù)體驗，因為依靠六軸運動(dòng)處理，復雜的控制和導航指令現在可用普通的手勢動(dòng)作來(lái)執行。
運動(dòng)處理方案
提供運動(dòng)處理能力的關(guān)鍵技術(shù)，就是傳統上用于測量絕對旋轉速率的陀螺儀。振動(dòng)質(zhì)量陀螺儀利用科氏加速度在一個(gè)結構的兩個(gè)共振模式之間產(chǎn)生的能量傳遞，科氏加速度出現在旋轉參照坐標系中，并與旋轉角速度成正比，參見(jiàn)圖1。陀螺儀通過(guò)測量科氏加速度來(lái)獲得角速度(Ω)。
圖1：科氏加速度出現在旋轉參照平面中，與旋轉速率成正比
雖然加速度計可為簡(jiǎn)單的方位和傾斜應用提供基本的運動(dòng)傳感，但在光學(xué)圖像穩定(OIS)等更復雜的應用中，卻存在一些影響加速度計操作和性能的限制。加速度計只能提供線(xiàn)性和向心加速度、重力和振動(dòng)的總和。需要增加陀螺儀才能提取加速度的線(xiàn)性運動(dòng)信息的某個(gè)分量。在運動(dòng)處理方案中，陀螺儀必須精確地測量角速度旋轉運動(dòng)。
為校正加速度計的旋轉誤差，一些廠(chǎng)商使用磁力計來(lái)完成傳統上用陀螺儀實(shí)現的傳感功能。這些器件確定手持設備相對于磁北方向的旋轉運動(dòng)，并通常用于調整地圖的顯示方向以使之與用戶(hù)當前面對的方向相對應。磁力計無(wú)力實(shí)現快速旋轉測量(大于5赫茲)，而且，在存在外部磁場(chǎng)時(shí)(如存在揚聲器、音頻耳機)，甚至當設備周?chē)嬖阼F磁材料時(shí)，數據易于受到污染。陀螺儀是唯一提供準確、無(wú)延遲的旋轉測量，且不受磁、重力或其他環(huán)境因素的任何外力影響的慣性傳感器。
基于硅MEMS的技術(shù)不但帶來(lái)了可滿(mǎn)足消費電子產(chǎn)品成本要求的新型MEMS陀螺儀，而且有望達到具有挑戰性的每軸低于$1.00美元的行業(yè)成本目標，另外，這種新型陀螺儀也滿(mǎn)足手機、游戲控制器、遙控器和便攜導航設備對封裝尺寸和旋轉傳感精度的要求。體積小、性能高、成本低的MEMS陀螺儀及其配套的MEMS加速度計已經(jīng)使運動(dòng)處理方案成為現實(shí)。
既需要陀螺儀，也需要加速度計
要滿(mǎn)足最終用戶(hù)的功能預期，需要獲得三軸旋轉運動(dòng)和三軸直線(xiàn)運動(dòng)的信息。一個(gè)常見(jiàn)的誤解是，要使手持系統具有運動(dòng)處理功能，工程師需要加入陀螺儀或加速度計，即只需二選一。確實(shí)，已經(jīng)有業(yè)界分析師提出這樣的問(wèn)題，“哪一個(gè)將在運動(dòng)傳感器競賽中獲勝？”
事實(shí)上，要準確地描述線(xiàn)性和旋轉運動(dòng)，需要設計者同時(shí)用到陀螺儀和加速度計。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應的旋轉檢測；單純使用加速度計的方案可用于有固定的重力參考坐標系、存在線(xiàn)性或傾斜運動(dòng)但旋轉運動(dòng)被限制在一定范圍內的應用。但同時(shí)處理直線(xiàn)運動(dòng)和旋轉運動(dòng)時(shí)，就需要使用陀螺儀和加速度計的方案。
在跟蹤傾斜和旋轉運動(dòng)時(shí)，加速度計在設備不運動(dòng)時(shí)提供更準確的加速度測量，而MEMS陀螺儀在設備運動(dòng)時(shí)測量精度更高。如圖2所示，傳感器融合算法通常用來(lái)把加速度計和陀螺儀的數據相結合，從而在較寬的頻帶內實(shí)現準確的旋轉測量。
圖2：傳感器融合算法把加速度計和陀螺儀的數據相結合，可覆蓋更寬的運動(dòng)信號頻率范圍
在設計運動(dòng)處理系統時(shí)需要考慮的因素
要在消費電子應用中實(shí)現六軸運動(dòng)處理功能，工程師面臨著(zhù)選擇要么把來(lái)自不同廠(chǎng)商的陀螺儀和加速度計組裝起來(lái)、要么選擇由縱向集成的運動(dòng)處理供應商所提供的全集成方案。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和挑戰，在選擇運動(dòng)處理時(shí)，應考慮以下有關(guān)互操作性的因素：
1. 為最大限度地增大運動(dòng)處理功能的價(jià)值，設計應包含多種應用，如GPS導航方位協(xié)助、移動(dòng)游戲和基于運動(dòng)的用戶(hù)接口。這些應用對陀螺數據采樣速率的要求各不相同，須使用針對特定應用設計的低通濾波器(LPF)來(lái)防止混疊以保證運動(dòng)數據的準確性。
2. 由于要通過(guò)數學(xué)積分來(lái)確定陀螺儀的角度，必須有準確的同步數據。
3. 對加速度計和陀螺儀數據同步采樣以確保高質(zhì)量的位置坐標信息。
4. 應保證陀螺儀的驅動(dòng)、傳感和諧波頻率相互間不干擾，也不與系統內的任何其它頻率相互干擾。
通常在陀螺儀和加速度計的產(chǎn)品選型指南上可找到其核心規格參數，但有必要把傳感器指標與其典型應用結合起來(lái)。表1給出了各種模擬陀螺儀應用對滿(mǎn)量程范圍(以度/秒(dps)為單位)和靈敏度(以毫伏/dps為單位)的要求。在運動(dòng)處理方案中也常常使用數字加速度計，其滿(mǎn)量程范圍用額定g值給出，靈敏度以L(fǎng)SB/g給出。
表1：不同應用的陀螺儀靈敏度和滿(mǎn)量程范圍的典型值 
由于噪聲和信號帶寬要求通常隨所進(jìn)行的動(dòng)作發(fā)生變化，運動(dòng)應用系統一般要求具有靈活的濾波功能。主要使用的濾波技術(shù)可分成兩類(lèi)：在模擬域，通常由模數轉換器(ADC)抗混疊濾波器或RC(阻容)電路來(lái)完成；在數字域，在A(yíng)DC之后由數字處理器完成?？偸切枰M濾波器以便防止產(chǎn)生混疊信號。
對于不同帶寬的運動(dòng)處理應用，最佳選擇是在模擬濾波的后面包含可編程數字濾波器。一些游戲應用有不同的帶寬要求，例如，某些體育類(lèi)游戲通常包含要求快速運動(dòng)，因而要求更寬的帶寬，而對于其它需要繪圖或對屏幕菜單選項做出選擇的游戲，則必須達到更高的精度，這時(shí)，應優(yōu)先選擇帶寬較窄和噪聲較低的濾波器。
具有運動(dòng)處理功能的移動(dòng)設備可使多種應用系統(如游戲機、
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