在消費電子設備中如何選擇和集成MEMS運動處理方案

對設備在三維空間中的運動進行測量及智能處理的運動處理技術，將是下一個重大的革命性技術，會對未來的手持消費電子設備、人機接口、及導航和控制產生重大影響。

這場變革的推動力量是基于微機電系統(MEMS)的消費級慣性測量單元(IMU)。與六軸運動處理技術相結合，這些器件可為手持消費電子產品的導航和控制提供更簡單并符合直覺的用戶接口，從而解決這些復雜設備使很多用戶感到困惑的操作復雜性問題。

這種基于MEMS運動處理的六軸控制得以實現的關鍵器件是最近推出的體積更小、成本更低、性能更高、可與現有的三軸MEMS加速度計相結合三軸MEMS陀螺儀。

本文將給出一個六軸運動處理方案，并探討把這種技術整合到日用消費電子系統中時需要考慮的關鍵問題。在使用六軸運動處理實現新的設計時，確保符合本文給出的四個關鍵因素可提高整合效率，并使最終的用戶設備具有卓越的性能。

運動處理應用

在電子娛樂展覽會(E3)上，三大游戲機品牌都展示了為其當前或下一代系統開發的運動驅動型人機接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六軸運動處理方案。一些游戲軟件開發商迅速推出了可利用六軸運動處理功能的新游戲：任天堂將在2009年7月推出Wii Sports游戲的續篇Wii Sports Resort。早期的產品評估顯示，使用運動處理技術實現的屏幕游戲控制對控制器運動有較高的跟蹤精度，并實現了1:1跟蹤。

由于消費者已接受了三軸加速度計所提供的新特性，手機將是運動處理的下一個前沿領域。蘋果公司的iPhone就是一個很好的例子。目前，蘋果在繼續開發獨特的運動傳感應用，包括為其iPhone3.0增加在復制和粘貼過程中通過晃動撤消操作的shake-to-undo(晃動撤消)功能等。向未來的手機和其它手持消費電子系統增加六軸運動處理可以以更高的精度、準確度和反應能力向軟件開發商提供手機在三維空間的絕對位置，進而使之具有控制臺游戲性能。

這是一個快速變化的環境，在過去，帶有傳統的按鈕和滑輪的產品率先上市曾經是設計取勝的關鍵；而今，成功將取決于誰可以創造出最有吸引力的用戶體驗，因為依靠六軸運動處理，復雜的控制和導航指令現在可用普通的手勢動作來執行。

運動處理方案

提供運動處理能力的關鍵技術，就是傳統上用于測量絕對旋轉速率的陀螺儀。振動質量陀螺儀利用科氏加速度在一個結構的兩個共振模式之間產生的能量傳遞，科氏加速度出現在旋轉參照坐標系中，并與旋轉角速度成正比，參見圖1。陀螺儀通過測量科氏加速度來獲得角速度(Ω)。

圖1：科氏加速度出現在旋轉參照平面中，與旋轉速率成正比。

振動調諧音叉質量陀螺儀通常包含一對振幅相等、方向相反的振動質量塊。當陀螺儀旋轉時，科氏力引起與旋轉角速度成正比的正交振動力。好的陀螺儀設計應具有較高的科氏加速度和較低的機械噪聲。要獲得較大的科氏加速度要求慣性質量具有較高的速度(這個速度是在靜電力驅動下產生的)，要獲得高靈敏度要求集成電路(IC)放大倍數較低以降低噪聲。

雖然加速度計可為簡單的方位和傾斜應用提供基本的運動傳感，但在光學圖像穩定(OIS)等更復雜的應用中，卻存在一些影響加速度計操作和性能的限制。加速度計只能提供線性和向心加速度、重力和振動的總和。需要增加陀螺儀才能提取加速度的線性運動信息的某個分量。在運動處理方案中，陀螺儀必須精確地測量角速度旋轉運動。

為校正加速度計的旋轉誤差，一些廠商使用磁力計來完成傳統上用陀螺儀實現的傳感功能。這些器件確定手持設備相對于磁北方向的旋轉運動，并通常用于調整地圖的顯示方向以使之與用戶當前面對的方向相對應。磁力計無力實現快速旋轉測量(大于5赫茲)，而且，在存在外部磁場時(如存在揚聲器、音頻耳機)，甚至當設備周圍存在鐵磁材料時，數據易于受到污染。陀螺儀是唯一提供準確、無延遲的旋轉測量，且不受磁、重力或其他環境因素的任何外力影響的慣性傳感器。

基于硅MEMS的技術不但帶來了可滿足消費電子產品成本要求的新型MEMS陀螺儀，而且有望達到具有挑戰性的每軸低于$1.00美元的行業成本目標，另外，這種新型陀螺儀也滿足手機、游戲控制器、遙控器和便攜導航設備對封裝尺寸和旋轉傳感精度的要求。體積小、性能高、成本低的MEMS陀螺儀及其配套的MEMS加速度計已經使運動處理方案成為現實。

既需要陀螺儀，也需要加速度計

要滿足最終用戶的功能預期，需要獲得三軸旋轉運動和三軸直線運動的信息。一個常見的誤解是，要使手持系統具有運動處理功能，工程師需要加入陀螺儀或加速度計，即只需二選一。確實，已經有業界分析師提出這樣的問題，“哪一個將在運動傳感器競賽中獲勝？”

事實上，要準確地描述線性和旋轉運動，需要設計者同時用到陀螺儀和加速度計。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應的旋轉檢測；單純使用加速度計的方案可用于有固定的重力參考坐標系、存在線性或傾斜運動但旋轉運動被限制在一定范圍內的應用。但同時處理直線運動和旋轉運動時，就需要使用陀螺儀和加速度計的方案。

在跟蹤傾斜和旋轉運動時，加速度計在設備不運動時提供更準確的加速度測量，而MEMS陀螺儀在設備運動時測量精度更高。如圖2所示，傳感器融合算法通常用來把加速度計和陀螺儀的數據相結合，從而在較寬的頻帶內實現準確的旋轉測量。

圖2：傳感器融合算法把加速度計和陀螺儀的數據相結合，可覆蓋更寬的運動信號頻率范圍。

選擇適當的運動處理方案需仔細分析多種因素，包括設備的滿量程范圍、靈敏度、偏移性能、噪音、交叉軸靈敏度，以及溫度、濕度和機械加速度震動對產品的影響。接下來我們著重討論在消費電子系統中聯合使用這些傳感器時需要考慮的四個關鍵因素。