MEMS加速传感器的关键参数、功能及其对各种应用的影响

www.ed-china.com www.ed-china.com MEMS 加速传感器的关键参数/功能及其对各种应用的影响 供稿：意法半导体公司 本文详细介绍了 ST MEMS 加速度传感器的关键参数，如轴数、0g 偏差值、灵敏 度、分辨率、满量程、输出数据数率、工作电流、灵敏度温度系数、0g 偏差值 温度系数、抗冲击性，以及内置功能如：高通滤波、单击/双击识别、唤醒/自由 落体中断设置、自动唤醒功能、左/右方向挥动识别。基于以上基础，将联系到 具体市场上比较常见的应用比如倾角测量仪、硬盘保护、计步器，横竖屏切换、 音乐上下首切换、图片切换、菜单浏览、地图浏览、翻转静音、单击/双击静音、 游戏等来进一步说明每种应用对具体参数的要求。 毫无疑问在过去的一年里，MEMS 加速度传感器在市场上变的越来越热了，随 着国际手机大厂推出一系列带加速度传感器的机型，国内的手机设计公司也纷纷 使用加速度传感器来实现动作感应功能比如：横竖屏切换，音乐甩动切换，背景 甩动切换，菜单浏览，地图浏览，翻转静音，单击/双击静音。有些设计公司甚 至宣称要把加速度传感器当作一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 器件放到所有的机型中。这或多或少反映 出势，加速度传感器越来越被消费者接受。 然而，MEMS加速度传感器和传统意义上的IC还是有很大的区别。在MEMS器件 里，除了电子的部分，还有很重要的机械结构。机械结构的存在，要求设计人员 不仅要掌握电子方面的知识，还要对物理知识(特别是运动)有较好的理解。本文 对加速度传感器的一些基本、关键参数进行介绍。 MEMS 加速度传感器的关键参数 1．轴数(Axis) 如图1所示，我们通常定义水平面为X和Y轴，垂直的为Z轴。有些应用2轴就可以 胜任，但有些应用需要用到3轴，比如说3D的游戏、翻转静音、硬盘保护、GPS 惯性导航、空中鼠标等等。对于计步器等应用来说，3轴实现的效果远远好于2 轴。现在大部分的加速度传感器供应商都提供3轴器件，因为3轴器件的供货量比 较大，所以它和2轴器件的价格相差不大。 www.ed-china.com www.ed-china.com 图1：MEMS加速度传感器的轴定义。 2．满量程 满量程 (FS) 指器件可以测量到的最大加速度值，比如：±2g、±6g。对数字器 件来说，满量程范围可以通过用数字接口(I2C/SPI)设置FS位来选择。对于模拟器 件，满量程可以通过一个设置管脚的电平高低来选择。但是，并不是所有的器件 都有两个量程，对于同一个器件来说，量程和分辨率成反比的关系。 3．分辨率 分辨率(Dres)是指可以检测到的最小加速度的变化值。数字器件的分辨率取决于 内置AD转换的位数和满量程。比如一个12位的ADC，其满量程设置是±2g，这 意味着整个测量范围从2g到-2g，即为4,000mg。这4,000mg由 2¹²⁼4096来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，所以分辨率Dres =4,000mg/4,096=1mg。 模拟器件的分辨率由加速度噪声和带宽来决定的，如果噪声比较低，就可以在不 损失分辨率的情况下测量高频的信号，比如：An= 50µg/Hz；带宽为100Hz(-3dB)， 则 Dres=An*√(Bandwidth*∏/2) = 50µg*√(100Hz*∏/2) = 0.626mg 4．0g偏差值 (Voff) 0g偏差值是当器件受到的加速度为0时，器件输出的加速度值。对加速度传感器 来说，0g偏差非常重要，且越小越好。模拟器件的Voff=Vdd/2±x %。数字器件 的0g偏差值=±x mg。(对于手持设备，80mg是可以接受的范围)。 5．0g偏差值温度系数(TCoff) www.ed-china.com www.ed-china.com TCoff是0g输出对温度的稳定性，比如±0.2mg/ºC。 下面计算在-20ºC到+60ºC的温度范围内，当0g偏差值温度系数是±0.2mg/ºC的器 件由于温度变化对0g偏差值可能造成的最大影响。 相对于室温25 ºC最大的温度差=25º-(-20ºC) =45ºC 温度最大可能的影响=±0.2mg/ºC x 45ºC=±9mg 6．灵敏度(So) 灵敏度是器件的增益，可以通过施加1g加速度在器件上测量输出值来取得。对于 模拟器件，So=Vdd/5[V/g]；对于数字器件，So=1024 [LSb/g]，或者So=1mg/LSb。 对数字器件来说，灵敏度和分辨率有点类似，但是在某些特别的场合，比如器件 的输出值是12位，但是只有10位是测试过保证有效的时候，灵敏度和分辨率是不 一样的。如果灵敏度是1mg/LSb，那么分辨率是4mg/LSb。 7．灵敏度温度系数(TCSO) TCSO是指灵敏度对温度的稳定性，表示为Tcso=±0.01%/ºC。对于数字器件， So=1mg/LSb。若相对于室温25 ºC的最大温度差＝25º-(-20ºC) =45ºC，则温度对灵 敏度最大的影响=±0.01%/ºC x 45ºC x 1mg/Lsb=±0.0045mg/Lsb。如果是±2g的 满量程，温度对最终输出最大可能的影响=0.0045mg/Lsb x (2,000mg/(1mg/Lsb))=9mg。 8．抗冲击性 抗冲击性表明传感器能承受的最大加速度，只要器件受到的加速度在这个范围 内，器件就不会出现机械结构损坏。为正确解读高抗冲击性信息，必须知道持续 时间，比如10,000g持续0.1ms，或3,000g持续0,5ms。 ST加速度传感器的内置功能 1．单击/双击识别 单击是指通过手指敲击设备而产生的震动，该种敲击可以是作用在 X/Y/Z 三轴 上的六个不同方向，如图 2 所示，这是一个垂直于手机平面方向的单击动作。而 双击这是指两次连续的单击动作，类似于鼠标的单/双击。 www.ed-china.com www.ed-china.com 图 2：单击/双击应用图。 ST 的加速度传感器内置单双击功能模块，在设置好该模块的参数以及使能之后， ST 的加速度传感器可以针对每个符合预设条件的单击/双击动作产生中断信号 (或者用户也可以通过轮训方式查询中断事件的纪录)。 图 3：图 2 所示的手势、频率为 2Hz 的手指单击“加速度波形-中断”的对照图。 图 3 为图 2 所示的手势、频率为 2Hz 的手指单击“加速度波形-中断”的对照图。 蓝色部分是以 100Hz 频率根据 AD 转换后的加速度波形图。因为加速度的采样 速率较低(100Hz 意味着采样时间间隔为 10ms)，而一个单击的时间甚至可能只有 5ms 左右，所以只能在蓝线上清楚地看到一部分的单击动作。黄线表示的是由 www.ed-china.com www.ed-china.com ST 加速度传感器发出的中断信号，每个中断信号都表征一个真实的单击动作， 频率也正好是测试时的 2Hz。利用这样的中断信号，用户表可以清楚地得知并且 纪录每次单击动作。从图 3 得知，为真实无误地检测到单击行为，如果没有单双 击模块的帮助而使用纯软件采样查询的方式，采样率必须达到 400Hz 以上(根据 Nyquist 频率，采样频率必须保证在真实频率的 2 倍以上，即 1/(0.005s/2)≈ 400Hz )。但如果使用有内置单双击功能模块的加速度传感器，则可以在不需要 占用 CPU 资源(每秒 400 次的中断)的前提上，方便地得到单双击事件。 对单双击事件检测来说，加速度传感器要求较快的数据输出频率，同时对满量程 也有一定的要求，这主要是为了避免一些错误的触发，因为重力本身就有 1g， 稍微移动一下或者放在跑步的人口袋中，都有可能达到 1.3g。建议阈值设得比较 高一点，比如 1.8g，同时 Z 轴对于单双击也很重要，一般用户习惯于敲击手机 等手持设备的上表面，如果只有 2 轴(X 和 Y 轴)，这样的敲击是无法识别的。 中断 ST 的加速度传感器一般配备有 1 个至多个通用中断输出能力，可以设置完成不 同的特定预设中断条件。比如唤醒/自由落体的中断。 图 3：中断触发条件。 为了能够设置出不同的中断触发条件(如图 3 所示)，ST 提供以下几种不同的满足 条件： (1)考察轴(X/Y/Z)：中断可以设置成考察特定轴上的加速度值的变化，可以是 X/Y/Z 轴上任意一轴或者多轴的与/或结果。 (2)阈值(Threshold)：当所设定需要考察的 X/Y/Z 的加速度值的绝对值大于(或者 小于)这个阈值的话，才有可能触发中断。 www.ed-china.com www.ed-china.com (3)最小识别时延(Duration)：只有当加速度值的绝对值大于阈值，并且保持时间 ≧这个 Duration 所设定的最小识别时延时，才会触发中断信号。 唤醒中断 ST 的加速度传感器是一种低功耗的设备，如 LIS331DLH，在正常工作情况下的 功耗只有 256μA(@100Hz 采样率)。它同时还支持低功耗模式 10μA(@2Hz)，这 种低功耗模式配合中断触发模块则便可以实现设备唤醒功能。 图 4：如果满足中断触发条件，加速度传感器发出中断电平唤醒设备的主控模块。 为实现唤醒中断，可以先设置好中断触发条件(如上述的 Threshold、Duration 等 参数)，然后将加速度传感器设置为低功耗模式，之后设备主控模块便可以进入 睡眠状态。当设备因某种原因而移动时，如图 4 所示，如果满足所设置的中断触 发条件，ST 加速度传感器发出中断电平，唤醒设备的主控模块进入正常工作模 式。利用不同的中断设置方式，可是只考察 X/Y/Z，或者是 3 轴的逻辑或(OR) 运算结果。 自由落体中断 ST 的加速度传感器还可以设置成为自由落体中断。 www.ed-china.com www.ed-china.com 图 5 将中断触发条件设置为逻辑与(AND)，阈值设置为一个小于 g 的值，同时设置最 小识别时延(Duration)后。如图 5 当设备开始自由落体时，X/Y/Z 会同时趋于零， 如果 3 轴的加速度都小于阈值，并且能够保持至少最小识别时延后，ST 加速度 传感器将会触发中断，以表示设备开始自由落体。 ST 加速度传感器的应用领域以及参数影响 倾角测量仪 通过 ST 的加速度 传感器可以用来实现测量倾角的仪器。他的原理是利用垂直于地平面的地心引力 G 在设备 XYZ 轴上的不同分量从而计算出设备自身角位与重力垂线之间夹角。 通过这种仪器可以实现水平仪，倾角测量仪。如果配以手持式设备上的摄像镜头 还可以实现六分仪，甚至星象识别仪。 对于倾角测量仪，分辨率，0g 的偏差值及其温度系数，灵敏度以及其温度系数 都是很重要的，因为这些都直接决定了倾角测量的最小分辨率和误差。现在倾角 测量的算法基本有两种，一种是直接用 来实现，还有一种 是 ， 两种方式各有优缺点，第一种方式如果测量的角度超过 60 度，误差会变得很大， 第二种方式不存在这种问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，但会分辨率不是线性的，同时运算量也比较大。如 果测量的范围比较小，在 30 度以内，我们可以近似的认为 17mg 的加速度变化 g Ax 1 arcsin           22 ZY X AA A arctg www.ed-china.com www.ed-china.com 量对应为 1 度的变化。如果 0g 的偏差值很大，即使被测量物是水平的，由于 0g 偏差的存在，会得出错误的结果，当然 0g 的偏差可以通过寄存器或者软件的校 正来消除，但是对于大量产的产品来说，这样需要很多时间，间接增加了生长成 本，同理，灵敏度也是这样的，灵敏度就是受到 1g 加速度时候输出的值，或者 对数字器件来说输出每变化 1bit 对应的加速度变化，比如说典型的灵敏度是 1mg/LSb，由于误差的存在，单个器件的灵敏度可能实际上为 0。8mg/LSb，在 这种情况下检测 30 度的倾斜度， Sin30=500mg，500mg/(0。8mg/LSb)=625，即 我们得到的输出值是 625，我们会认为实际的加速度值是 625mg，对应的角度差 不多是 39 度，相差了整整 9 度。 图 6：一种手持设备上的倾角测量仪。 硬盘保护 不仅仅笔记本，在其他移动设备如 MP3、MP4 以及手机中越来越多的使用到硬 盘作为存储设备。相比 Flash，硬盘具有每单位存储容量价格点、速度快、高容 量等绝对优势。然而，当配备有硬盘的设备跌落或者颠簸过程中，由于硬盘的本 身机械原理，读取磁记录的磁头如果晃动幅度过大会造成磁头本身或者磁盘扇区 的永久性损坏。 硬盘保护的主要原理是利用 MEMS 提供的自由落体中断。对于硬盘保护，0g 偏 差值是很重要的，因为自由落体保护一般是用来保护硬盘的，在硬盘掉落的时候 把硬盘磁头归位，避免磁头碰撞到碟面造成损害从来导致存储数据丢失。如果 0g 偏差值过大，有可能已经大于阀值，这样的话即使自由落体运动发生了，但 www.ed-china.com www.ed-china.com 是由于 0g 偏差值的存在，检测到的加速度并没有低于阀值，也就无法作出正确 的判断。 横竖屏切换 图 7：手机在水平或者竖直时有不同方向的用户界面或者显示图像。 为了更加方便的操纵手机，用户往往希望手机在水平或者竖直时有不同方向的用 户界面或者显示图像，如图 7 所示。运用 ST 的加速度传感器，可以很容易的实 现这一目的。只要在手机内部配备有 2 或者 3 轴的加速度传感器，就可以得到长 与宽方向上的重力分量，通过这对分量 X 和 Y 的大小，可以通过反三角函数的 方法得知当前手机的朝向，这样便可以判断当前应该是横屏还是竖屏，从而相应 的改变手机屏幕的现实内容。 横竖屏切换对 0g 的偏差和灵敏度要求不是很高，当然也不能太离谱。当然有 3 轴的话可以求出比较精确的角度，这样即使在手机平面和水平面之间的倾角只有 10 度的时候也能动作，用户体验更好。 音乐上下首切换 同时拥有 ST 加速度传感器，可以运用在手持音乐设备切换歌曲时通过针对手机 的向左/右的甩动而切换上一首/下一首歌曲。 www.ed-china.com www.ed-china.com 图 8：手持设备甩动时的波形图。 我们观察到当手持设备向一个方向甩动时，该方向上的加速度值可能先达到正/ 负最大值，其后又会紧接着达到相反的最大值。若同样的设备向反方向甩动时， 则会有正好相反的过程。如图 8 所示，当我们将设备向左甩动 5 次时，发现了 5 次的先正后负过程，当向右甩动 5 次时，发现了 5 次先负后正的过程，恰好与前 面的过程形成对照。 故我们可以选择查询的方式得到如图 8 所示的波形，然后通过软件判断该波形是 属于哪个方向的甩动。或者，可以运用 ST 内部的中断触发机制实现左右判断。 www.ed-china.com www.ed-china.com 图 9：针对左右甩动而产生的中断。 可以利用 ST 加速度传感器内置的中断机制产生中断。当所考察轴上的加速度的 绝对值大于阈值时，将会产生中断。如图 9 所示，1，2 和 3，4 时刻对应产生了 两次中断，如果在中断 1，2 或者 3，4 时刻分别读取该轴上的加速度值，则可以 根据先正后负还是先负后正的顺序从而判断该甩动的方向。 运用这种方法，可以实现运用最小的系统资源来判断甩动方向，避免了长时间的 轮询使得系统不能进入睡眠状态。 www.ed-china.com www.ed-china.com 菜单浏览/地图浏览 图 10：通过倾斜进行界面导航和地图浏览。 随着手机设备的发展，用户界面也越来越复杂，如何进行界面的控制？当然可以 通过键盘或者触摸屏等方式，然而拥有 MEMS 的手持设备又多了一种界面导航 方式，那就是通过倾斜来切换当前高亮的应用程序。如图 10 所示，既可以第一 排中的左右高低的倾斜，或者是第二排中前后高低的倾斜，使用这两种动作可以 实现不同图标之间的切换以实现导航的功能或者一张分辨率很高的图片不同部 位前后左右的滑动。 运用 ST 加速度传感器，很容易实现这样的侦测。只需读出在 X/Y 轴上的加速度 值，如果大于设定的阈值，则可以上/下/左/右移一格。 菜单浏览对 0g 的偏差值有一定的要求，因为设定的阀值不能太大，阀值大就意 味着倾角大，如果倾角太大，因为手持设备的屏幕视角问题，很难看的清楚了， 也不能太小，太小了就容易有误动作，所以 0g 的偏差比较重要，而且最终算法 是实现和手机屏幕大小也有关系，需要根据用户的喜好来好好设置。 计步器 记步器是一种能够纪录走路或者跑步步数的软件，借助手机中 ST 的加速度传感 器，还可以实现记步器的功能。下面简单介绍记步器的工作原理。 www.ed-china.com www.ed-china.com 针对走路或者跑步运动，当脚接触地面的瞬间，由于撞击地面的原因，会产生竖 直向上相反与地心引力的一个的加速度，通过 ST 的加速度传感器配合以软件辅 助，就可以记录下这一加速度变化，并且通过软件来分析这一加速度上的变化是 否属于一步。 在设计记步器软件时主要会考虑如下几点因素： 1. 记步器摆放位置朝向的不确定性 因为一般理解记步器可以放置在上衣或者裤子口袋中，所以摆放位置始终是不确 定的。但是令人庆幸的是，脚着地时产生的冲力往往正好和 g 的方向在同一直线 上。故，最直接的解决方法是考察 2a ( 2222 zyxa  )的变化，而不是 X/Y/Z 分 开考虑。如图 11 所示，纵向轴的单位是 2)(mg 。 2. 剔除噪声干扰 因为在运动时，会产生很多高频噪声信号，可能是由于设备和接触部位的摩擦， 也可能是因为脚在着地时的其它不规则震动干扰。所以会需要增加滤波过程，考 虑到一般情况下人的脚步频率在 0。5Hz~6Hz 之间，所以会进行针对高于 6Hz 噪声的低通滤波，甚至同时加上针对低于 0。5Hz 噪声的高通滤波 3. 去除噪声峰值 虽然经过了滤波过程，在 0。5Hz~6Hz 之间的峰值非常明显(如图 11 中的红色圈 出部分)，但是仍旧会有其他由于噪声而造成的峰值(如绿色部分)。需要采取一定 的原则来去除这一类型的峰值。 www.ed-china.com www.ed-china.com 计步器应该是比较复杂的一种应用，做一个计步器不难，难的是做一个精准的计 步器，首先对满量程有要求，因为计步器放在不同的部位受到的加速度大大不同， 在脚部的话甚至可以达到几十个 g。然受对 ADC 的位数有要求，我们要求不低 于 8 位的 ADC 来实现计步器的功能，还有就是对功耗有要求，因为计步器要整 天开着才能完全的发挥计步计算卡路里的功能，最好是有低功耗的模式，这样在 人静止的时候 CPU 不用去检测加速度数据，一旦有运动，马上发出中断 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 CPU，同时芯片也进入正常模式工作。 其它应用 运用 ST 加速度传感器还可以实现其他由动作所控制的功能翻转禁音，双击/单击 禁音。