MEMS中計(jì)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(dòng)設(shè)備制造商的歡迎。它們還可以從主 MCU 卸載一些計(jì)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(jì)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(duì)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(jì)步器的工作原理。

LSM6DSL/M 和 LSM303AH 都使用加速度計(jì)，通過測(cè)量電勢(shì)的變化來感知運(yùn)動(dòng)。當(dāng)用戶邁出一步時(shí)，一個(gè)由硅制成并附在錨上的自由元件沿感應(yīng)的方向移動(dòng)。當(dāng)它移動(dòng)時(shí)，它會(huì)接近或遠(yuǎn)離基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這會(huì)影響它們的電容。這足以測(cè)量速度變化，還可以測(cè)量絕對(duì)手腕傾斜和相對(duì)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(jì)步器

ST 的組件很特別，因?yàn)樗鼈儾粌H可以感應(yīng)運(yùn)動(dòng)，還包括特殊的硬件單元來處理加速度計(jì)收集的數(shù)據(jù)。例如，計(jì)步器功能有自己特定的 IP 塊。因此，當(dāng) MEMS 檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，該單元使用專有算法處理信息以確定它是否對(duì)應(yīng)于一個(gè)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(dòng)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(jì)步器

去抖步數(shù)是在計(jì)數(shù)器開始增加之前必須檢測(cè)到的最小連續(xù)步數(shù)。如果沒有這個(gè)功能，就無法區(qū)分真假步驟。例如，如果一個(gè)人在跑步時(shí)必須在人行橫道上停下來，那么在等待信號(hào)改變時(shí)計(jì)算所做的動(dòng)作是沒有意義的。去抖動(dòng)步驟可以確保計(jì)數(shù)器僅在用戶恢復(fù)其步伐時(shí)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(gè)步驟的最小力。因此，開發(fā)人員可以創(chuàng)建具有針對(duì)各種活動(dòng)調(diào)整的特定設(shè)置的不同配置文件，以更準(zhǔn)確地測(cè)量步驟并產(chǎn)生有意義的結(jié)果。

系統(tǒng)優(yōu)化

每檢測(cè)到一步，計(jì)步器就會(huì)向計(jì)步器發(fā)送一個(gè)中斷。中斷是傳輸?shù)教囟ńM件（通常是主機(jī)）的信號(hào)，指示事件需要其注意。在該系統(tǒng)中，計(jì)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(cè)到中斷的存在，對(duì)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(dòng)步驟后才發(fā)送中斷，以確保系統(tǒng)不會(huì)在瑣碎的運(yùn)動(dòng)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(cè)量睡著時(shí)發(fā)生的小而零星的手勢(shì)將毫無意義。通過正確設(shè)置系統(tǒng)的去抖步長(zhǎng)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(dòng)。

模塊化效率

在一個(gè)移動(dòng)設(shè)備中同時(shí)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(gè)加速度計(jì)和一個(gè)特定的計(jì)步器單元？原因是它們是模塊化的，這意味著可以同時(shí)使用它們以獲得更高的精度，或者禁用一個(gè)加速度計(jì)以節(jié)省能量，同時(shí)仍然受益于強(qiáng)大的計(jì)步器。這種設(shè)計(jì)還允許更大的靈活性。例如，如果其中一個(gè)組件已經(jīng)關(guān)閉，系統(tǒng)仍然可以依靠喚醒組件的計(jì)步器 IP 來計(jì)算步數(shù)，無論它是哪一個(gè)。

審核編輯：郭婷