十博|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:在杂志最后一期的第一部分,我们讨论了运动处理的应用和解决方案。

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在杂志最后一期的第一部分,我们讨论了运动处理的应用和解决方案。在接下来的第二部分,我们将重点关注在消费电子系统中使用这些传感器时必须考虑的四个关键因素。设计运动处理系统时必须考虑的因素是在消费电子应用中构建六轴运动处理功能。

工程师可以自由选择组装来自不同制造商的陀螺仪和加速度计,也可以选择由水平结构的运动处理供应商提供的整体结构方案。每种方法都有其优势和挑战,在自由选择运动处置时不应考虑以下互操作性因素:1。为了最大限度地降低运动处理功能的价值,设计不应包括各种应用,如GPS导航系统定位帮助、手机游戏和基于运动的用户模块。

这些应用对陀螺仪数据采样速率有不同的抑制,需要在为特定应用设计的低通滤波器(LPF)中使用,以避免混叠并确保运动数据的准确性。2.准确的实时数据是必要的,因为陀螺仪的角度应该通过数学分数来确定。3.实时采集加速度计和陀螺仪数据,确保高质量的方位坐标信息。

4.不应保证陀螺仪的驱动、传感人和自然波频率互不干扰,也不干扰系统中的任何其他频率。一般来说,陀螺仪和加速度计的核心规格参数可以在产品选择指南中找到,但传感器指标会与其典型应用适当集成。表1显示了各种模拟陀螺仪对满量程范围(度/秒(dps))和灵敏度(毫伏/dps)的抑制。

在运动处理方案中也常用于数字加速度计,其满量程范围按额定G值计算,灵敏度按LSB/g计算,表1:不同应用的陀螺仪灵敏度和满量程范围典型值。1:滤波器抑制由于噪声和信号比特率抑制一般随展开动作而变化,所以在系统中应用运动时,一般会抑制灵活的滤波功能。

主要采用的滤波技术可分为两类:在仿真领域,一般采用模数转换器(ADC)或RC(电阻电容)电路的抗混叠滤波器;在数字领域,是由ADC之后的数字处理器来完成的。滤波器必须始终模拟,以避免产生混叠信号。

对于具有不同比特率的运动处理应用,最好的自由选择是在模拟滤波器之后包含一个可编程数字滤波器。一些游戏有不同的比特率拒绝。

例如,一些体育游戏通常拒绝较慢的运动,因此它们拒绝较长的比特率。对于其他必须画图或在屏幕菜单选项上自由选择的游戏,它们必须超过更高的精度。

在这种情况下,不应该优先选择比特率更宽、噪声更低的滤波器。具有运动处理功能的移动设备可以使各种应用(如游戏机、摄像机图像稳定、用户模块和汽车导航系统)成为现实,但这些系统拒绝不同的信号比特率。例如,为了以低至10 Hz的信号频率搜寻用户的游戏动作,采样率可能必须超过200 Hz。根据奈奎斯特准则(拒绝滤除频率大于或等于采样频率一半的所有信号),低通滤波器(LPF)的截止频率被拒绝为高于100赫兹。

一定程度上需要采集低至1 Hz的汽车导航系统方向信号,剔除超过10 Hz的采样频率,剔除截止频率大于5 Hz的低通滤波器。多运动处理功能带来抗锯齿挑战。适用于游戏应用的100 Hz低通滤波器可能会对导航系统应用产生过大的噪声,而5 Hz低通滤波器可能会因截止频率过低而对游戏应用造成延迟。

对于必须具有不同滤波器比特率的应用,解决方案是使用满足最大带宽抑制的抗混叠滤波器,并使用可编程数字滤波器来适应环境对噪声要求更严格的应用。非结构运动处理方案(见图3)可能需要用于特殊的微控制器,该微控制器以100赫兹的频率反向采样,用截止频率为5赫兹的数字低通滤波器滤波,并以10赫兹的频率输入。

这种方案的缺点是微控制器带来的额外成本,不适用于成本脆弱的消费类电子产品。图3:具有相同频率的低通滤波器,其必须在各种运动传感器的非构造方案中共存。

完全集成的六轴运动治疗方案(见图4)本身包含信号处理功能。它包括在模数转换器模块中具有相同频率的抗混叠滤波器,然后是可编程数字LPF,这需要外部信号调理和微控制器。

图4:带可编程信号调理的建筑运动处理方案,仍然需要相同频率的外部低通滤波器。2.实时精度剔除采样频率和角速度测量结果要求的陀螺仪角度。实时精度直接影响陀螺仪角度测量精度。测角结果与采样率和角速度的关系由以下公式得到:方程指出陀螺仪的实时精度和角速度数据在某种程度上是最重要的;不准确的实时数据会降低角度计算的准确性。

今天的消费电子系统拒绝微控制器获得各种实时功能,例如修订指示、报告触摸屏事件或拨打该电话。由于这些不同的实时拒绝,精确的陀螺仪实时数据修正可能总是以期望的速率再次发生,这将对角度计算产生有益的影响。在当代手机中,加速度计和指南针传感器的组合只获得最基本的运动传感功能(如弯曲传感和方位指示),因此没有开发动态传感器数据集成,也没有注意实时不允许的问题。但是随着越来越多的手机配备了多个传感器(包括多轴运动处理系统所必需的陀螺仪),需要获得加速度计和陀螺仪之间实时校准的实时定时功能,从而省略了微控制器的构建方案。

例如,英伟信的六轴运动处理方案为双轴和单轴陀螺仪的模拟输出模块构建了三个必要的高分辨率辅助ADC,以及一个内部可编程低通滤波器,用于获得多运动应用的抗混叠功能。3.实时运动处理数据由于手持式消费电子系统包括多个运动传感器,因此需要确保传感器数据采集同步进行,这对于集成运动处理方案来说是一个具有挑战性的问题。

同时从加速度计和陀螺仪收集数据可能会超过更高的精度。然而,如果每个传感器具有不同的定时抑制,则可能必须进行插值操作,这将降低运动算法的复杂性。多个运动传感器使用的数据提取方法可能不同。

例如,您可以通过I(SUP/)2(/SUP)C模块以特定的采样频率从数字加速度计收集数据,但这些数据是通过系统微控制器内部分辨率较低的ADC模数转换到模拟陀螺仪的输入,这两个数据可能不会给出。紧密构建的六轴运动处理方案的优势在于,它可以确保所有加速度计和陀螺仪的精度和实时数据,并以较低的设计复杂度实现更高的精度。4:频率抑制最后一个必须考虑的设计点是,工程师必须保证陀螺仪驱动器、传感器人和自然波频率或任何其他部件的工作频率互不妨碍,以使传感器融合输入的噪声最小化。

工作频率低于5千赫且易受声音影响的陀螺仪不能在音频信号源附近使用,如电视、视频游戏、收音机、人类语言、警报、汽车或声音警报。一般来说,消费电子系统中使用的扬声器在20赫兹到20千赫兹的范围内工作,OIS致动器在500赫兹到4千赫兹的范围内工作。这些设备将阻止InvenSense构建微机电系统运动处理器的驱动频率(X轴24千赫,Y轴27千赫,Z轴30千赫)。

这些驱动和感应频率的自由选择考虑到了各种障碍,确保它们会相互阻碍,同时避免音频范围和频率范围的到来
体育处置方案必须构建在更高的层次上,这里明确提出的设计要点可以为整个建筑体育处置体系的自由选择获得依据,避免其融入消费类电子产品的障碍。

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