基于MEMS加速度傳感器五大功能簡(jiǎn)化用戶設(shè)計(jì)

　　隨著蘋(píng)果iPhone和任天堂Wii游戲機(jī)的流行，加速度傳感器在消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，筆記本中的跌落保護(hù)、MP4/手機(jī)中的屏幕自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、輕敲手機(jī)掛斷電話以及手機(jī)“翻轉(zhuǎn)靜音”等等。這些應(yīng)用改變了傳統(tǒng)設(shè)備與用戶之間的交互方式，使產(chǎn)品有了更好的用戶體驗(yàn)。意法半導(dǎo)體（ST）的微機(jī)械加速度傳感器不僅能夠輸出加速度的數(shù)值，同時(shí)集成了很多的功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)上述的應(yīng)用。我們將以LIS35DE和LIS331DLH芯片內(nèi)部的功能模塊作為線索，介紹意法半導(dǎo)體加速度傳感器的性能特點(diǎn)，并介紹如何配置傳感器的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用。

　　雙中斷配置

　　跌落保護(hù)對(duì)于配置了硬盤(pán)的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)非常重要。該功能在高檔筆記本電腦中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。三軸加速度傳感器LIS35DE、LIS33DE和LIS331DLH/M/F均能通過(guò)中斷管腳并對(duì)加速度門(mén)檻寄存器進(jìn)行設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)跌落保護(hù)功能。其中，加速度門(mén)檻寄存器是用來(lái)設(shè)置門(mén)檻加速度的寄存器，而中斷設(shè)置寄存器是用來(lái)設(shè)置中斷輸出的條件和中斷源判定的寄存器。下面以自由落體檢測(cè)為例說(shuō)明檢測(cè)原理和中斷配置方法。

　　物體如果處于靜止?fàn)顟B(tài)，就只受重力加速度的影響，而且物體三個(gè)軸上的重力加速度矢量和為1g。

　　物體如果處于自由落體狀態(tài)，理論上在物體的X軸、Y軸和Z軸三個(gè)軸上的加速度均為零。而在實(shí)際情況中，由于空氣阻力和下落旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，三個(gè)軸上的加速度矢量和應(yīng)是某一個(gè)較小的數(shù)值。

　　靜止時(shí)，物體在三個(gè)軸上的加速度不可能同時(shí)小于577mg。當(dāng)然，這是一個(gè)理論上的上限參考值。考慮到加速度傳感器在0g時(shí)的誤差和溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響，為防止誤觸發(fā)，可以將這個(gè)門(mén)檻值設(shè)定為360mg。如果三個(gè)軸上的加速度同時(shí)小于360mg，我們就可以認(rèn)為物體處于自由落體狀態(tài)，可以觸發(fā)中斷。需要注意的是，這個(gè)門(mén)檻值是一個(gè)絕對(duì)值，并且門(mén)檻值對(duì)X軸、Y軸和Z軸三個(gè)軸都是有效的，因此，我們可以設(shè)置加速度在某一軸上超過(guò)門(mén)檻值就產(chǎn)生中斷（“或”的關(guān)系）或者加速度在三個(gè)軸上都超過(guò)門(mén)檻值才產(chǎn)生中斷（“與”的關(guān)系）。這樣，在做跌落保護(hù)時(shí)，應(yīng)該選擇“與”的關(guān)系作為跌落的判定條件。

　　LIS35DE和LIS331DLH/M/F能夠提供兩個(gè)中斷配置寄存器以及互相獨(dú)立的中斷配置寄存器與加速度門(mén)檻寄存器。一個(gè)中斷信號(hào)用于跌落檢測(cè)的同時(shí)，另一個(gè)中斷可以用來(lái)設(shè)置為喚醒，即當(dāng)加速度大于設(shè)定的門(mén)檻值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生喚醒中斷。除了上述兩個(gè)功能外，還可以把中斷設(shè)定為數(shù)據(jù)更新通知和敲擊檢測(cè)等功能。

　　高通濾波器

　　iPhone3.0集成了一個(gè)新的功能，即只需要晃動(dòng)手機(jī)就可以取消剛才的操作。如果通過(guò)這樣一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作來(lái)代替按鍵甚至做一些新應(yīng)用，例如搖色子游戲、切換音樂(lè)等，就可以使一些常用的功能變得有趣起來(lái)。如果采用上述中斷管腳寄存器實(shí)現(xiàn)這樣的功能，就會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題———重力。由于重力的存在，用戶不能簡(jiǎn)單地在FF_WU_TSH1寄存器中設(shè)置統(tǒng)一的門(mén)檻值來(lái)作為晃動(dòng)或者喚醒中斷的判定條件。為此，LIS35DE集成了高通濾波器，能夠?yàn)V除緩慢變化或不變的加速度（如重力加速度），并且可以選擇截止頻率，如表1所示。只有變化頻率高于截止頻率的加速度才能通過(guò)。

　　有了高通濾波器以后，通過(guò)晃動(dòng)來(lái)切換手機(jī)播放的音樂(lè)就變得比較簡(jiǎn)單了。具體的原理是，檢測(cè)手機(jī)向左、向右晃動(dòng)時(shí)加速度的變化軌跡，以此來(lái)定義切換歌曲的順序。當(dāng)向左晃動(dòng)手機(jī)時(shí)（切換至上一首歌），在Y軸上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度，并且加速度的方向是先負(fù)后正。反之，如果向右晃動(dòng)手機(jī)（切換至下一首歌），在Y軸上的加速度是先正后負(fù)。在這個(gè)應(yīng)用中，高通濾波器去除了重力加速度的影響。在一次有效晃動(dòng)的時(shí)間范圍內(nèi)（如200ms），正向和負(fù)向的加速度都觸發(fā)了中斷，我們即可判定為一次有效晃動(dòng)；再通過(guò)判斷正向加速度和負(fù)向加速度出現(xiàn)的先后順序，我們就可以確定晃動(dòng)的方向。

　　6D檢測(cè)

　　在3維空間中，根據(jù)3個(gè)軸上正負(fù)方向的不同可以將物體的位置分為6種狀態(tài)，分別是上下、左右、前后。如圖1所示。這種空間位置信息對(duì)于手持式設(shè)備是很有用的。它不僅能讓使用者了解當(dāng)前設(shè)備的空間狀態(tài)，還能在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一些新的應(yīng)用，如“翻轉(zhuǎn)靜音”等等。

　　物體在三維空間中的狀態(tài)

　　LIS331DLF/M/H系列加速度傳感器集成6D檢測(cè)功能模塊。如果設(shè)備的空間位置發(fā)生了變化，它能夠以中斷的形式通知系統(tǒng)。

　　這種功能是靠檢測(cè)靜止時(shí)重力加速度在各個(gè)軸上的分量是否超過(guò)一定門(mén)檻值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它允許用戶自己設(shè)定這個(gè)門(mén)檻值，給用戶很大的靈活性。XH/YH/ZH分別代表X/Y/Z軸的正方向。XL/YL/ZL分別代表X/Y/Z軸的負(fù)方向。當(dāng)檢測(cè)到的加速度在正方向大于門(mén)檻值的時(shí)候，XH/YH/ZH為1；當(dāng)檢測(cè)到的加速度在負(fù)方向小于門(mén)檻值的時(shí)候，XL/YL/ZL為1。通過(guò)讀取中斷狀態(tài)寄存器INTx_SRC，我們可以判定此時(shí)設(shè)備的狀態(tài)。

　　根據(jù)門(mén)檻值的不同，用戶可以更精確地定義某些狀態(tài)。以X軸/Y軸為例，為了較為精確地定義位置，可以將門(mén)檻值設(shè)置得高一些，這樣在X和Y軸之間會(huì)留下一些“死區(qū)”。在“死區(qū)”范圍內(nèi)，傳感器不會(huì)觸發(fā)6D中斷。只有物體的實(shí)際位置更接近用戶定義的區(qū)域時(shí)，才會(huì)觸發(fā)中斷。這一功能在一些應(yīng)用中可以避免用戶的誤操作。

　　下面以翻轉(zhuǎn)手機(jī)實(shí)現(xiàn)靜音為例，說(shuō)明檢測(cè)原理和6D檢測(cè)功能的設(shè)置。由于重力加速度始終存在，平放在桌子上的手機(jī)在Z軸負(fù)方向的（指向地心）加速度為1g，X軸和Y軸上沒(méi)有加速度（為零或者很小）。

　　當(dāng)需要靜音時(shí)，將手機(jī)翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，背面朝上放置于桌上。此時(shí)X軸和Y軸上仍然沒(méi)有加速度，但是重力加速度加在了Z軸的正方向上。通過(guò)檢測(cè)Z軸正負(fù)方向上的重力加速度，就可以知道手機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)。這種方案需要不斷地檢測(cè)加速度值，因此占用系統(tǒng)的大量資源。

　　如果使用6D檢測(cè)功能，只需要等待來(lái)自Z軸正方向上的中斷就可以識(shí)別手機(jī)是否翻轉(zhuǎn)，這極大地節(jié)約了系統(tǒng)資源。

　　單/雙擊識(shí)別

　　諾基亞8800CA手機(jī)除了有“翻轉(zhuǎn)靜音”的功能外，還有雙擊手機(jī)顯示時(shí)鐘的功能。其中敲擊的識(shí)別可以通過(guò)加速度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。LIS35DE集成了識(shí)別單擊或雙擊的功能模塊，通過(guò)寄存器設(shè)計(jì)就可以識(shí)別出單擊以及兩次單擊是否符合雙擊的條件。LIS35DE的單雙擊功能由地址為38h～3Fh的寄存器控制，如表2所示。

　　單擊識(shí)別的過(guò)程需要滿足兩個(gè)條件。一是敲擊產(chǎn)生的加速度值高于門(mén)檻值，二是加速度的值高于門(mén)檻值，小于CLICK_TimeLimit的數(shù)值要求。當(dāng)敲擊同時(shí)滿足這兩個(gè)條件時(shí)，就可以判定為一次單擊。而大于CLICK_TimeLimit的數(shù)值要求時(shí)，則不會(huì)有中斷產(chǎn)生。

　　在檢測(cè)出第一次單擊的基礎(chǔ)上，第二次單擊的識(shí)別必須滿足CLICK_Latency和CLICK_Windows設(shè)定的條件。只有第二次單擊落在CLICK_Windows時(shí)間段內(nèi)，才是一次有效的雙擊，否則只能判定為兩次單擊。CLICK_Latency是用來(lái)設(shè)定第一次單擊被識(shí)別后的功能關(guān)閉時(shí)間的，它用來(lái)消除噪聲加速度，防止誤觸發(fā)。

　　而配合CTRL_REG3（22h）寄存器來(lái)設(shè)定中斷信號(hào)，是通過(guò)中斷管腳1或2的輸出，通過(guò)中斷通知的方式實(shí)現(xiàn)單雙擊功能的。

　　休眠模式

　　便攜類(lèi)電子設(shè)備對(duì)電子元器件的功耗有比較高的要求，因此，意法半導(dǎo)體的LIS35DE可以設(shè)置兩種模式：正常工作模式（《0.5mA）和掉電模式（《1μA）。盡管LIS35DE在正常工作模式下只有小于0.5mA的消耗電流，但是為了獲得更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間，可以使LIS35DE進(jìn)入掉電模式來(lái)降低功耗。

　　這兩種工作模式對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用已經(jīng)足夠了，但是對(duì)于采用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)喚醒的功能來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)工作模式就稍顯不足了。因?yàn)閱拘压δ苄枰?a target="_blank">處理器配置相應(yīng)的寄存器，把LIS35DE從掉電模式喚醒，并且還需要幾十毫秒的等待時(shí)間；與此同時(shí)，在待機(jī)時(shí)0.5mA的電流還是有些大。例如，在使用加速度傳感器喚醒GPS（全球定位系統(tǒng)）時(shí)，如果GPS處于靜止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有加速度變化，GPS的主處理器就進(jìn)入待機(jī)模式；一旦有運(yùn)動(dòng)發(fā)生，加速度傳感器感知到加速度的變化，就可發(fā)出中斷信號(hào)來(lái)喚醒主處理器和LNA。在GPS待機(jī)時(shí)，加速度傳感器一直處于工作狀態(tài)，不能進(jìn)入掉電模式，否則，加速度傳感器就需要其他器件將其喚醒。

　　在LIS331DLH/M/F加速度傳感器中，不但具有上述兩種模式，還具有低功耗模式。在該模式下，數(shù)據(jù)的輸出更新頻率可以設(shè)置為0.5Hz/1Hz/2Hz/5Hz，此時(shí)消耗電流僅為10μA～60μA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LIS35DE正常工作時(shí)0.5mA的電流。

　　在低功耗模式下，加速度傳感器仍然處于工作狀態(tài)，但消耗很低的功耗。它不需要被其他器件喚醒。相反，還可以檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并在特定條件下喚醒主處理器。這就極大地降低了系統(tǒng)待機(jī)功耗。該器件不但可用于PNS（便攜導(dǎo)航系統(tǒng)）的智能運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，還可用于手機(jī)屏幕的動(dòng)態(tài)點(diǎn)亮應(yīng)用以及一些手機(jī)寵物游戲中。

　　總體說(shuō)來(lái)，意法半導(dǎo)體在加速度傳感器上有廣泛的產(chǎn)品組合，為不同的應(yīng)用集成了方便易用的功能模塊。每個(gè)功能模塊不僅針對(duì)特定的應(yīng)用簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)，而且功能模塊之間協(xié)調(diào)工作可以完成更復(fù)雜的應(yīng)用。