MEMS中計步器的工作原理分析

6 軸慣性模塊LSM6DSL 或 LSM6DSM，以及eCompass LSM303AH. 這些 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）因其精確的傳感器而深受移動設(shè)備制造商的歡迎。它們還可以從主 MCU 卸載一些計算，并且它們消耗的能量非常少（在低功耗模式下僅為 0.4 μA）。它們的特別之處在于兩者都可以充當(dāng)計步器，這意味著設(shè)備可以跟蹤用戶的跑步或步行步數(shù)，而對性能或電池壽命的影響很小。為了更好地了解 ST 如何能夠以最小的封裝提供如此強(qiáng)大的功能，讓我們了解計步器的工作原理。

LSM6DSL/M 和 LSM303AH 都使用加速度計，通過測量電勢的變化來感知運(yùn)動。當(dāng)用戶邁出一步時，一個由硅制成并附在錨上的自由元件沿感應(yīng)的方向移動。當(dāng)它移動時，它會接近或遠(yuǎn)離基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這會影響它們的電容。這足以測量速度變化，還可以測量絕對手腕傾斜和相對傾斜。 數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn) SPI 或 I2C 串行總線上以數(shù)字形式輸出到主機(jī) MCU。

自定義計步器

ST 的組件很特別，因?yàn)樗鼈儾粌H可以感應(yīng)運(yùn)動，還包括特殊的硬件單元來處理加速度計收集的數(shù)據(jù)。例如，計步器功能有自己特定的 IP 塊。因此，當(dāng) MEMS 檢測到運(yùn)動時，該單元使用專有算法處理信息以確定它是否對應(yīng)于一個步驟，而無需使用主機(jī) MCU 的資源。ST 甚至允許工程師通過更改“去抖動步驟”和“最小閾值”來調(diào)整算法的某些方面。

最小閾值如何影響計步器

去抖步數(shù)是在計數(shù)器開始增加之前必須檢測到的最小連續(xù)步數(shù)。如果沒有這個功能，就無法區(qū)分真假步驟。例如，如果一個人在跑步時必須在人行橫道上停下來，那么在等待信號改變時計算所做的動作是沒有意義的。去抖動步驟可以確保計數(shù)器僅在用戶恢復(fù)其步伐時才增加。工程師還可以自定義最小閾值，這意味著可以作為一個步驟的最小力。因此，開發(fā)人員可以創(chuàng)建具有針對各種活動調(diào)整的特定設(shè)置的不同配置文件，以更準(zhǔn)確地測量步驟并產(chǎn)生有意義的結(jié)果。

系統(tǒng)優(yōu)化

每檢測到一步，計步器就會向計步器發(fā)送一個中斷。中斷是傳輸?shù)教囟ńM件（通常是主機(jī)）的信號，指示事件需要其注意。在該系統(tǒng)中，計步器使用其 INT1 引腳（LSM6DSL 和 LSM6DSM）向主機(jī)上的特定引腳發(fā)送中斷。因此，主機(jī)的其余部分可以處于睡眠模式，或執(zhí)行其他任務(wù)，而只有一小部分架構(gòu)檢測到中斷的存在，對其進(jìn)行處理，并決定是否需要喚醒 MCU 的其余部分。該系統(tǒng)還確保數(shù)據(jù)采集過程的同步，以避免任何信息丟失。

例如，可以僅在超過去抖動步驟后才發(fā)送中斷，以確保系統(tǒng)不會在瑣碎的運(yùn)動上浪費(fèi)能量。隨著越來越多的用戶戴著健身手環(huán)睡覺，浪費(fèi)電池壽命試圖測量睡著時發(fā)生的小而零星的手勢將毫無意義。通過正確設(shè)置系統(tǒng)的去抖步長和最小閾值，工程師可以確保沒有中斷喚醒系統(tǒng)，即使用戶在睡眠期間移動。

模塊化效率

在一個移動設(shè)備中同時包含 6 軸慣性模塊和指南針是很常見的。因此，ST 為什么選擇在兩者中都包含一個加速度計和一個特定的計步器單元？原因是它們是模塊化的，這意味著可以同時使用它們以獲得更高的精度，或者禁用一個加速度計以節(jié)省能量，同時仍然受益于強(qiáng)大的計步器。這種設(shè)計還允許更大的靈活性。例如，如果其中一個組件已經(jīng)關(guān)閉，系統(tǒng)仍然可以依靠喚醒組件的計步器 IP 來計算步數(shù)，無論它是哪一個。

審核編輯：郭婷