如何將加速度計(jì)融入到可穿戴設(shè)備中

加速度計(jì)是可穿戴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。幾乎所有設(shè)備都可以從了解其方向中受益，并且添加加速度計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜用戶界面的新方法。如果系統(tǒng)知道它是如何移動(dòng)的，它可以以不同的方式響應(yīng)，從改變屏幕以反映位置或方向到支持手勢(shì)控制。已經(jīng)封裝在加速度計(jì)中以提供位置數(shù)據(jù)的處理能力也被輕敲以提供用于這種設(shè)計(jì)的傳感器融合中樞。這可以節(jié)省空間，重量和功率，允許其他傳感器連接到加速度計(jì)，而無(wú)需使用中央控制器或應(yīng)用處理器中的處理周期。

所有這些都是手機(jī)行業(yè)的先驅(qū)，但加速度計(jì)是進(jìn)入更多設(shè)計(jì)，從健身系統(tǒng)到智能手表。接口也在變化，從模擬接口轉(zhuǎn)移到簡(jiǎn)單的數(shù)字鏈路，再到包含其他傳感器數(shù)據(jù)的控制器。可穿戴設(shè)備的加速度計(jì)包括2軸和3軸設(shè)備，最高6軸，集成溫度和均勻磁傳感器，可在設(shè)計(jì)中提供更多功能。

MMA3202系列雙軸（X和Y）硅電容式微機(jī)械加工飛思卡爾半導(dǎo)體的加速度計(jì)具有信號(hào)調(diào)理功能，4極點(diǎn)低通濾波器和溫度補(bǔ)償以及兩個(gè)軸的獨(dú)立輸出。零g偏移滿量程跨度和濾波器截止是出廠設(shè)置，無(wú)需外部設(shè)備，因此更容易包含在設(shè)計(jì)中，因?yàn)樯a(chǎn)線中不需要調(diào)整。同樣，完整的系統(tǒng)自檢功能可驗(yàn)證系統(tǒng)功能。

圖1：MMA3202雙軸加速度計(jì)在X軸和Y軸上具有不同的靈敏度。

加速度計(jì)是一個(gè)表面 - 微機(jī)械電容式感應(yīng)單元（g-cell）和CMOS信號(hào)調(diào)理ASIC包含在單個(gè)封裝中，使用大容量微加工“帽”晶圓密封在晶圓級(jí)密封。

g-cell是一種機(jī)械多晶硅結(jié)構(gòu)這可以被認(rèn)為是兩個(gè)固定板，其間有可移動(dòng)板。通過(guò)將系統(tǒng)加速到加速度，中心板可以從其靜止位置偏轉(zhuǎn)，并且這種變化被捕獲為板之間的電容變化。 CMOS ASIC使用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)測(cè)量g-cell電容器，并從兩個(gè)電容器之間的差異中提取加速度數(shù)據(jù)。 ASIC還為信號(hào)提供信號(hào)條件和濾波器（開(kāi)關(guān)電容），提供與加速度成比例的高電平輸出電壓，X軸和100軸的靈敏度分別為100 g和50 g。

圖2：將MMA3202雙軸加速度計(jì)集成到設(shè)計(jì)中。

2軸器件可以作為可穿戴設(shè)計(jì)的一部分輕松連接，盡可能靠近帶有0.1μF電容的中央微控制器在電源線上解耦電源。確保加速度計(jì)下方有一個(gè)接地層有助于降低噪聲，并且該接地層應(yīng)連接到接口中的所有開(kāi)放式端子。

加速度計(jì)輸出端的1kΩ和0.01μFRC濾波器將有助于最大限度地減少開(kāi)關(guān)電容濾波器電路的時(shí)鐘噪聲。此外，重要的是要確保電源和接地的PCB布局不會(huì)耦合電源噪聲，并且加速度計(jì)和微控制器不是高電流路徑。選擇A/D采樣速率和任何外部電源的開(kāi)關(guān)頻率，使它們不會(huì)干擾內(nèi)部加速度計(jì)采樣頻率，可以防止混疊誤差，從而導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果并提供系統(tǒng)的虛假響應(yīng)。 》加速度計(jì)還可用于高級(jí)可穿戴設(shè)計(jì)中的導(dǎo)航，現(xiàn)在來(lái)自英維思的ADIS16305 iSensor提供完整的慣性系統(tǒng)，包括陀螺儀和三軸加速度計(jì)。每個(gè)傳感器都將iMEMS技術(shù)與優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能的信號(hào)調(diào)理相結(jié)合，工廠校準(zhǔn)表征每個(gè)傳感器的靈敏度，偏置，對(duì)齊和線性加速度。因此，每個(gè)傳感器都有自己的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，可在各種條件下提供精確的傳感器測(cè)量。

ADIS16305提供了一種簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)的方法，用于集成精確的多軸慣性傳感，作為所有必要的運(yùn)動(dòng)測(cè)試和校準(zhǔn)是工廠生產(chǎn)過(guò)程的一部分，大大縮短了系統(tǒng)集成時(shí)間改進(jìn)的SPI接口和寄存器結(jié)構(gòu)提供更快的數(shù)據(jù)采集和配置控制，ADIS16305使用與ADIS1635x，ADIS1636x和ADIS1640x系列兼容的引腳排列，與接口flex連接器配合使用。

用戶寄存器為所有用戶提供尋址SPI接口上的輸入/輸出操作。每個(gè)16位寄存器有兩個(gè)7位地址：一個(gè)用于高位字節(jié)，另一個(gè)用于低位字節(jié)。雖然ADIS16305獨(dú)立產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但它作為SPI從器件工作，使用16位段與系統(tǒng)處理器作為主器件進(jìn)行通信。各個(gè)寄存器讀取需要這些16位序列中的兩個(gè)，第一個(gè)提供讀命令位（R/W = 0）和目標(biāo)寄存器地址（A6至A0）。第二序列在數(shù)據(jù)OUT（DOUT）線上發(fā)送寄存器內(nèi)容（D15至D0）。 SPI工作在全雙工模式，這意味著主處理器可以讀取DOUT的輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)使用相同的系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖在DIN上傳輸下一個(gè)目標(biāo)地址。

同時(shí)，STMicroelectronics的A3G4250D很低 - 功率3軸角速率傳感器，在零速率水平下具有高穩(wěn)定性，并且在整個(gè)溫度和時(shí)間內(nèi)具有靈敏度。傳感元件與接口芯片相結(jié)合，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI數(shù)字接口為外部世界提供測(cè)量的角速率，以簡(jiǎn)化與控制器的集成。還提供I2C兼容接口。傳感元件采用意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的專用微加工工藝制造，在硅片上生產(chǎn)慣性傳感器和執(zhí)行器。 A3G4250D具有±245 dps的滿量程，可以通過(guò)用戶可選帶寬測(cè)量速率，因此僅使用應(yīng)用所需的功率。

圖3：A3G4250D的結(jié)構(gòu)3來(lái)自意法半導(dǎo)體的軸式加速度計(jì)。飛思卡爾的Xtrinsic FXOS8700CQ是一款帶有集成線性加速度計(jì)和磁力計(jì)的6軸傳感器，可用于從便攜式導(dǎo)航設(shè)備到醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的可穿戴設(shè)計(jì)。雖然規(guī)格說(shuō)明了6軸，但塑料封裝結(jié)合了3軸線性加速度計(jì)和3軸磁力計(jì)，可選擇I2C或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SPI串行接口，帶有14位加速度計(jì)和16位磁力計(jì)ADC分辨率，來(lái)自數(shù)字信號(hào)處理器的其他嵌入式功能。

FXOS8700CQ具有動(dòng)態(tài)可選的加速度滿量程范圍±2 g/±4 g/±8 g，固定磁性測(cè)量范圍為±1200μT。輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）范圍為1.563 Hz至800 Hz，用戶可以為每個(gè)傳感器選擇。交錯(cuò)磁場(chǎng)和加速度數(shù)據(jù)的ODR速率高達(dá)400 Hz?？?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程自動(dòng)ODR更改還使用自動(dòng)喚醒并返回休眠功能以節(jié)省功耗，這適用于磁性和加速事件中斷源。

圖4：Xtrinsic FXO8700CQ 6軸加速度計(jì)和磁傳感器可用于為可穿戴系統(tǒng)構(gòu)建電子羅盤。

結(jié)論

當(dāng)今許多加速度計(jì)提供從加速度計(jì)到中央處理器的簡(jiǎn)單SPI或I2C接口，使設(shè)計(jì)人員的集成更加簡(jiǎn)單無(wú)論是使用2軸，3軸還是6軸傳感器的可穿戴系統(tǒng)。但是，必須注意傳感器的放置。避免高電流路徑并確保選擇采樣率以避免開(kāi)關(guān)模式電源的抗混疊并確保數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確。這允許設(shè)計(jì)人員為最新的可穿戴設(shè)備添加各種新的用戶界面技術(shù)和定位功能。