在消費(fèi)電子設(shè)備中集成MEMS運(yùn)動(dòng)處理方案
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多運(yùn)動(dòng)處理功能帶來(lái)了抗混疊挑戰(zhàn)，適合游戲應(yīng)用的100赫茲低通濾波器對(duì)導(dǎo)航應(yīng)用而言可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，而5赫茲低通濾波器對(duì)游戲來(lái)說(shuō)因?yàn)榻刂诡l率太低而可能會(huì)引發(fā)延遲。對(duì)于這些需要不同濾波器帶寬的應(yīng)用，解決方法是使用滿足最寬帶寬要求的抗混疊濾波器，而使用可編程數(shù)字濾波器來(lái)適應(yīng)對(duì)噪音有更嚴(yán)格要求的應(yīng)用。
非集成運(yùn)動(dòng)處理方案(見(jiàn)圖3)可能需使用專用的微控制器，它連續(xù)地以100赫茲頻率采樣， 以截止頻率為5赫茲的數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波，并以10赫茲頻率輸出。該方案的缺點(diǎn)是微控制器帶來(lái)的額外成本，不適于成本敏感的消費(fèi)電子應(yīng)用。
圖3：使用多種運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)的非集成方案，需要分立的固定頻率的低通濾波器。
圖4：帶有可編程信號(hào)調(diào)理的集成運(yùn)動(dòng)處理方案，不再需要固定頻率的外部低通濾波器
陀螺儀角度是由采樣頻率與角速度測(cè)量結(jié)果決定的，同步精度直接影響陀螺儀角度的測(cè)量精度。下面的公式給出了角度測(cè)量結(jié)果與采樣速率和角速度之間的關(guān)系：
在當(dāng)代手機(jī)中，加速度計(jì)與羅盤傳感器相結(jié)合只提供最基本的運(yùn)動(dòng)傳感功能(如傾斜傳感和絕對(duì)位置)，所以，并不進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)整合，也不關(guān)注同步不準(zhǔn)的問(wèn)題。然而，隨著越來(lái)越多的手機(jī)配備多個(gè)傳感器(包括多軸運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)所需要的陀螺儀)，需要能在加速度計(jì)和陀螺儀之間提供預(yù)校準(zhǔn)的同步計(jì)時(shí)功能從而省略微控制器的集成方案。例如，InvenSense六軸運(yùn)動(dòng)處理方案集成了三個(gè)直接與雙軸和單軸陀螺儀模擬輸出接口的高分辨率輔助ADC，以及針對(duì)多運(yùn)動(dòng)應(yīng)用而提供抗混疊功能的內(nèi)部可編程低通濾波器。
3：運(yùn)動(dòng)處理數(shù)據(jù)的同步
由于在手持消費(fèi)電子系統(tǒng)中包含多運(yùn)動(dòng)傳感器，需保證傳感器數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，對(duì)于集成型運(yùn)動(dòng)處理方案來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。同時(shí)采集加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)可達(dá)到更高的精度，但是，如果各個(gè)傳感器有各自不同的計(jì)時(shí)要求，可能就需要進(jìn)行插值運(yùn)算，這將增加運(yùn)動(dòng)算法的復(fù)雜性。
多運(yùn)動(dòng)傳感器所使用的提取數(shù)據(jù)方法可能不同，比如，你可能通過(guò)I(SUP/)2(/SUP)C接口以特定的采樣頻率從數(shù)字加速度計(jì)收集數(shù)據(jù)，但這個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)微控制器內(nèi)部的較低分辨率的ADC對(duì)模擬陀螺儀的輸出進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這兩個(gè)數(shù)據(jù)可能不匹配。緊密集成的六軸運(yùn)動(dòng)處理方案的優(yōu)點(diǎn)是可確保所有的加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)正確同步并以較低的設(shè)計(jì)復(fù)雜度來(lái)獲得更高的精度。
4：頻率要求
最后一個(gè)需要考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是，工程師必須確保陀螺儀的驅(qū)動(dòng)器、傳感器和諧波頻率或任何其它成分的工作頻率不互相干擾，以便盡量減少傳感器融合輸出的失真。工作在5千赫以下并對(duì)聲音敏感的陀螺儀不能用在電視、視頻游戲、收音機(jī)、人類語(yǔ)言、警報(bào)器、汽車或聲響報(bào)警等音頻信號(hào)源附近。消費(fèi)電子系統(tǒng)中使用的揚(yáng)聲器通常工作在20赫茲到20千赫的范圍，OIS執(zhí)行器工作在500赫茲到4千赫范圍，這些設(shè)備不會(huì)干擾InvenSense集成MEMS運(yùn)動(dòng)處理器的驅(qū)動(dòng)頻率(X軸24千赫，Y軸27千赫和Z軸30千赫)。這些驅(qū)動(dòng)和傳感頻率的選擇綜合考慮了各種干擾因素，確保它們之間不會(huì)互相干擾，同時(shí)避開(kāi)了音頻頻率范圍和相機(jī)OIS執(zhí)行系統(tǒng)的頻率范圍。
運(yùn)動(dòng)處理方案必須實(shí)現(xiàn)更高水平的集成，這里提出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可對(duì)全集成運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)并消除把它整合到消費(fèi)電子產(chǎn)品中的障礙。
評(píng)論