基于 MEMS 的慣性測量裝置 （IMU） 可定義為系統(tǒng)級封裝,。 它包括加速計(jì)機(jī)械感測元件、陀螺儀機(jī)械感測元件以及電子電路（“大腦”）,，以便將加速度和角速度轉(zhuǎn)換為可讀格式。 MEMS IMU 的開發(fā)已達(dá)數(shù)十年,，并且已經(jīng)應(yīng)用在特定利基市場,。 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)模才會急劇攀升。

　　雖然這些 IMU 的性能在要求不高的應(yīng)用中可滿足使用預(yù)期（如簡單運(yùn)動檢測,、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發(fā)時間并克服他們一直面臨的挑戰(zhàn),。

　　現(xiàn)代 IMU 如何滿足新興應(yīng)用的苛刻要求,？

　　新興 MEMS 基于傳感器的應(yīng)用要求非常苛刻,。 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),。

　　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)和開發(fā)時間。 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,，還有專用輔助 SPI 接口來輸出 OIS 數(shù)據(jù)。

　　圖像穩(wěn)定： EIS 和 OIS

　　MEMS IMU 的一個重要進(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)通過專用 SPI 接口輸出。

　　在圖 2a 中,，設(shè)備可通過專用 SPI 接口輸出 OIS 數(shù)據(jù),。 它為 OIS 應(yīng)用提供專用可配置信號處理路徑。 用戶界面 （UI） 信號處理路徑完全獨(dú)立于 OIS 部分,，并且可通過設(shè)備內(nèi)嵌的 FIFO 功能讀取,。

　　圖 2b： OIS 數(shù)據(jù)直接或通過嵌入式 FIFO 發(fā)送到應(yīng)用處理器。

　　圖 2b 說明了 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)時顯示出來,，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)訪問能力下降或不可用而無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 PDR 解決方案的精度至關(guān)重要,。

　　最新 IMU 通過提供極低噪聲的陀螺儀和加速計(jì)解決了這一問題。 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)和開發(fā)時間

　　MEMS IMU 中的嵌入式特性消除了某些應(yīng)用的代碼開發(fā)需求,。 這些特性將軟件工程師從嵌入式應(yīng)用代碼編寫工作中解放出來,，這有助于縮短應(yīng)用開發(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)年的時間來開發(fā)代碼并進(jìn)行測試,。 但是，通過帶嵌入式計(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,，同時具有下列片載功能：

　　事件檢測中斷（完全可配置）

　　IMU 提供事件檢測中斷,，幫助工程師在無需開發(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)至少一個軸上的加速度超過預(yù)設(shè)的閾值時,，就生成中斷,。

　　6D 和 4D 方向檢測：僅使用加速計(jì)數(shù)據(jù)，同時能夠檢測空間中的設(shè)備方向,，為手持設(shè)備輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能程序和自動圖像旋轉(zhuǎn),。 當(dāng)設(shè)備從一個方向切換到另一個方向時，就生成中斷,。 要識別方向改變,，需要滿足下列條件：

　　一個軸高于閾值，兩個軸低于閾值（已知區(qū)）,。

　　已知區(qū)與之前的區(qū)不一樣,。

　　閾值可通過嵌入在 IMU 中的專用寄存器進(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）時在專用引腳上輸出中斷信號,。 開發(fā)人員可配置雙擊識別的閾值和兩個事件之間的時間,。 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)識別 ACTIVE/SLEEP（活動/睡眠,，也稱為活動/非活動）的變化。 用戶設(shè)置 ODR 后,，如果所有三個軸上的加速度數(shù)據(jù)在規(guī)定時間段內(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）模式且至少一個軸的加速度超過閾值時,，設(shè)備將進(jìn)入“休眠至喚醒”模式（也稱為“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。 每個事件都能生成一個可驅(qū)動至設(shè)備的兩個中斷引腳（INT1 和 INT2）的中斷信號,。

　　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)省開發(fā)人員的開發(fā)時間,，新 IMU 包含一些嵌入式 IP 塊。 下面是兩個廣泛使用的功能：

　　計(jì)步器功能：步檢測器和步計(jì)數(shù)器： 嵌入式計(jì)步器僅使用加速計(jì)數(shù)據(jù),。 該裝置可在檢測到腳步時生成中斷,。 它會計(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)生變化時便會觸發(fā)事件。 為了實(shí)現(xiàn)更定制化的用戶體驗(yàn),，傾斜功能可通過以下方式配置：

　　事件的可編程平均窗口/持續(xù)時間,。

　　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,，此事件就生成中斷。 傾斜功能可用于不同場景,。 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,，就會觸發(fā)中斷,。 但是，手機(jī)放在口袋中走路,、跑步或爬樓梯時不會觸發(fā)中斷,。

　　IMU 作為傳感器中樞

　　最新 IMU 的一個主要優(yōu)勢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傳感器：兩個內(nèi)部傳感器（加速計(jì)和陀螺儀）和四個外部傳感器,。 下面的框圖說明了 IMU 作為傳感器中樞的情形,。 IMU 提供一個主控 I2C 配置，用于連接到外部傳感器并收集數(shù)據(jù),。 所收集的兩個內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)可同時存儲在嵌入式 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)就緒信號同步（XL 或陀螺儀）。

　　與其中一個傳感器的外部信號同步（專用 PAD）,。

　　此傳感器中樞功能的優(yōu)勢包括數(shù)據(jù)一致性,、數(shù)據(jù)同步,、更容易放置和布線，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)用開發(fā)人員極大縮短了設(shè)計(jì)和開發(fā)時間,。 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，以滿足系統(tǒng)工程師和應(yīng)用開發(fā)人員日益增長的期望,。

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