【導(dǎo)讀】基于 MEMS 的慣性測(cè)量裝置 (IMU) 可定義為系統(tǒng)級(jí)封裝。 它包括加速計(jì)機(jī)械感測(cè)元件、陀螺儀機(jī)械感測(cè)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(kāi)發(fā)已達(dá)數(shù)十年，并且已經(jīng)應(yīng)用在特定利基市場(chǎng)。 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(shí)施規(guī)模才會(huì)急劇攀升。
雖然這些 IMU 的性能在要求不高的應(yīng)用中可滿(mǎn)足使用預(yù)期（如簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、計(jì)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(mǎn)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(kāi)發(fā)時(shí)間并克服他們一直面臨的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)代 IMU 如何滿(mǎn)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?？量獭?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(shí)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(jí)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(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間。 表 1 重點(diǎn)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(shuō)明這些特性如何幫助工程師在產(chǎn)品中設(shè)計(jì) IMU 并更快地開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
設(shè)備接口
兩種接口（SPI 和 I2C）可為設(shè)計(jì)人員提供更大的靈活性來(lái)讀取傳感器數(shù)據(jù)。 此外，IMU 使用陀螺儀和加速計(jì)支持光學(xué)防抖 (OIS) 和電子穩(wěn)像 (EIS) 應(yīng)用。 因此，還有專(zhuān)用輔助 SPI 接口來(lái)輸出 OIS 數(shù)據(jù)。
圖像穩(wěn)定： EIS 和 OIS
MEMS IMU 的一個(gè)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(guò)專(zhuān)用 SPI 接口輸出。
在圖 2a 中，設(shè)備可通過(guò)專(zhuān)用 SPI 接口輸出 OIS 數(shù)據(jù)。 它為 OIS 應(yīng)用提供專(zhuān)用可配置信號(hào)處理路徑。 用戶(hù)界面 (UI) 信號(hào)處理路徑完全獨(dú)立于 OIS 部分，并且可通過(guò)設(shè)備內(nèi)嵌的 FIFO 功能讀取。
圖 2b： OIS 數(shù)據(jù)直接或通過(guò)嵌入式 FIFO 發(fā)送到應(yīng)用處理器。
圖 2b 說(shuō)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(gè)數(shù)據(jù)集讀取到 AP。
IMU 實(shí)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(mén)的應(yīng)用，要求 IMU 噪聲極低和零偏穩(wěn)定性較高。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (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(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)在真實(shí)的環(huán)境中疊加圖形、音頻和其他感應(yīng)增強(qiáng)并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)交互性和可操控性。
室內(nèi)定位：在 GPS 數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)能力下降或不可用而無(wú)法提供精確可靠定位的情況下，MEMS IMU 在實(shí)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(lài)傳感器提供精確數(shù)據(jù)，以便能夠計(jì)算新位置和方向。 IMU 的性能和精度對(duì) PDR 解決方案的精度至關(guān)重要。
最新 IMU 通過(guò)提供極低噪聲的陀螺儀和加速計(jì)解決了這一問(wèn)題。 上面的表 1 描述了加速計(jì)和陀螺儀的低噪音水平。
嵌入式算法幫助縮短設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間
MEMS IMU 中的嵌入式特性消除了某些應(yīng)用的代碼開(kāi)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(xiě)工作中解放出來(lái)，這有助于縮短應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期。 例如，計(jì)步器應(yīng)用需要硬件和軟件工程師花費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)代碼并進(jìn)行測(cè)試。 但是，通過(guò)帶嵌入式計(jì)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(jì)步器應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)。
現(xiàn)代 MEMS IMU 的設(shè)計(jì)能夠與 Android 完全兼容，同時(shí)具有下列片載功能：
事件檢測(cè)中斷（完全可配置）
IMU 提供事件檢測(cè)中斷，幫助工程師在無(wú)需開(kāi)發(fā)代碼的情況下實(shí)現(xiàn)一系列應(yīng)用。 嵌入式事件檢測(cè)中斷包含下列內(nèi)容：
- 自由落體：僅使用加速計(jì)數(shù)據(jù)。 如果全部三個(gè)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(gè)軸上的加速度超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，就生成中斷。
- 6D 和 4D 方向檢測(cè)：僅使用加速計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠檢測(cè)空間中的設(shè)備方向，為手持設(shè)備輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能程序和自動(dòng)圖像旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)設(shè)備從一個(gè)方向切換到另一個(gè)方向時(shí)，就生成中斷。 要識(shí)別方向改變，需要滿(mǎn)足下列條件：
- 一個(gè)軸高于閾值，兩個(gè)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(guò)嵌入在 IMU 中的專(zhuān)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(shí)在專(zhuān)用引腳上輸出中斷信號(hào)。 開(kāi)發(fā)人員可配置雙擊識(shí)別的閾值和兩個(gè)事件之間的時(shí)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(shí)別 ACTIVE/SLEEP（活動(dòng)/睡眠，也稱(chēng)為活動(dòng)/非活動(dòng)）的變化。 用戶(hù)設(shè)置 ODR 后，如果所有三個(gè)軸上的加速度數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)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(dòng)）模式且至少一個(gè)軸的加速度超過(guò)閾值時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入“休眠至喚醒”模式（也稱(chēng)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(yùn)行。 每個(gè)事件都能生成一個(gè)可驅(qū)動(dòng)至設(shè)備的兩個(gè)中斷引腳（INT1 和 INT2）的中斷信號(hào)。
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(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)時(shí)間，新 IMU 包含一些嵌入式 IP 塊。 下面是兩個(gè)廣泛使用的功能：
- 計(jì)步器功能：步檢測(cè)器和步計(jì)數(shù)器： 嵌入式計(jì)步器僅使用加速計(jì)數(shù)據(jù)。 該裝置可在檢測(cè)到腳步時(shí)生成中斷。 它會(huì)計(jì)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(dú)立。 最小閾值和工作滿(mǎn)量程范圍均可進(jìn)行配置。
- 傾斜： 傾斜功能已在硬件中實(shí)現(xiàn)，僅使用加速計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)便會(huì)觸發(fā)事件。 為了實(shí)現(xiàn)更定制化的用戶(hù)體驗(yàn)，傾斜功能可通過(guò)以下方式配置：
- 事件的可編程平均窗口/持續(xù)時(shí)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(shí)，此事件就生成中斷。 傾斜功能可用于不同場(chǎng)景。 例如，手機(jī)放在口袋中，當(dāng)手機(jī)持有者從坐姿變?yōu)檎玖⒒驈恼玖⒆優(yōu)樽藭r(shí)，就會(huì)觸發(fā)中斷。 但是，手機(jī)放在口袋中走路、跑步或爬樓梯時(shí)不會(huì)觸發(fā)中斷。
IMU 作為傳感器中樞
最新 IMU 的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)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(kuò)展 IMU 的功能。 傳感器中樞可使用最多六個(gè)傳感器：兩個(gè)內(nèi)部傳感器（加速計(jì)和陀螺儀）和四個(gè)外部傳感器。 下面的框圖說(shuō)明了 IMU 作為傳感器中樞的情形。 IMU 提供一個(gè)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(gè)內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)可同時(shí)存儲(chǔ)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(hào)同步（XL 或陀螺儀）。
- 與其中一個(gè)傳感器的外部信號(hào)同步（專(zhuān)用 PAD）。
此傳感器中樞功能的優(yōu)勢(shì)包括數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)同步、更容易放置和布線(xiàn)，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(gè)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(shí)現(xiàn)了重大改進(jìn)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員極大縮短了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間。 這種 IMU 的價(jià)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(diǎn)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(mǎn)足系統(tǒng)工程師和應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員日益增長(zhǎng)的期望。
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