MEMS在電子圈外也是一個受追捧的技術(shù)名詞，普及這個詞匯的最大功臣無疑是智能手機的動作感應(yīng)功能，而背后扮演重要角色的是那些MEMS運動傳感器。這些運動控制傳感器將非電量(如速度、壓力)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓?，其技術(shù)水平的發(fā)展促進電子設(shè)備的運動感知能力愈來愈智能。

常見的運動傳感器包括陀螺儀、加速度計和磁力計等，在運動跟蹤和絕對方向方面每種傳感器都有自己固有的強項和弱點，但通過融合的多軸傳感器組合、集成壓力傳感器/處理器/射頻單元等方式，測試精度的發(fā)展日新月異。

“求助：傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確?”

在我們的論壇求助上，如何獲取準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)一直是工程師在系統(tǒng)設(shè)計時所面臨的一大挑戰(zhàn)。針對此挑戰(zhàn)，博世傳感器發(fā)言人指出實現(xiàn)準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)，需要注意不同階段的設(shè)備設(shè)計：“階段一是傳感器硬件和軟件共同設(shè)計階段，在該階段我們定義了最優(yōu)初始參數(shù)例如噪聲和補償;第二階段是系統(tǒng)軟件層次上，提供最佳的傳感器數(shù)據(jù)融合庫(BSX);第三階段是對客戶系統(tǒng)實現(xiàn)的支持，比如針對磁力儀集成，我們?yōu)榭蛻舻腜CB上提供亥姆霍茲線圈測量。”要實現(xiàn)最優(yōu)的傳感器性能，傳感器和軟件必須恰當(dāng)匹配，并且傳感器供應(yīng)商能夠很好的支持OEM端傳感器硬件和軟件的實現(xiàn)。

對于工程師所提到的“傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確”疑惑，Kionix中國區(qū)總經(jīng)理鄧川軍指出，傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確這個說法不太準(zhǔn)確，因為傳感器會如實地匯報原始數(shù)據(jù)，“但如何準(zhǔn)確地使用原始數(shù)據(jù)去聯(lián)系我們的應(yīng)用，這個需要很好的算法。”

Kionix這方面投入很大，在硅谷專門有個團隊從事算法和應(yīng)用的開發(fā)，以提供給客戶比較好的用戶體驗，鄧川軍表示。例如Kionix為加速度計提供的嵌入式算法包括輕擊檢測、屏幕旋轉(zhuǎn)、手勢識別及活動監(jiān)測等，努力為客戶提供更多價值。”

Invensense也是如此，不僅在所有產(chǎn)品中通過提供“自我矯正輸出”功能來持續(xù)提供高性能檢測，同時也針對具體應(yīng)用提供一些自動活動識別(AAR)軟件庫，比如在其產(chǎn)品ICM-20655中的AAR就能為檢測步行、跑步、自行車、靜止和睡眠等不同狀態(tài)的手腕穿戴式產(chǎn)品提供“Always-On”的檢測功能。

“傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度除了受制于器件本身之外，還涉及到焊接和裝配之后的校正，以及針對不同應(yīng)用的合適選型和配套的算法。”ADI微機械產(chǎn)品線高級應(yīng)用工程師趙延輝指出，他表示公司就在提高產(chǎn)品本身精度的同時也對客戶提供良好的技術(shù)支持，從而幫助系統(tǒng)設(shè)計者獲得滿意的系統(tǒng)精度。

“我們提供給客戶的MEMS傳感器硬件/軟件都是做好的產(chǎn)品，通過了嚴(yán)格的出廠測試校準(zhǔn)。”意法半導(dǎo)體MEMS和傳感器市場經(jīng)理許永剛指出，“甚至我們還會提供PCB設(shè)計指導(dǎo)。”

算法：多軸傳感器數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵

每一種MEMS運動傳感器都有其自身的優(yōu)點和缺陷，筆者把這些優(yōu)缺點整理在表一中。要達(dá)到精益求精的傳感數(shù)據(jù)，除了傳感器本身的精度之外，通過復(fù)雜的傳感器融合軟件將來自各種傳感器的輸入組合在一起，產(chǎn)生一個更加精確的運動檢測結(jié)果十分必要。傳感器融合軟件將來自多種傳感器的數(shù)據(jù)融合，彌補了單個傳感器在計算準(zhǔn)確的位置和方向時的不足，從而實現(xiàn)高精度的運動檢測，為手機、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機等應(yīng)用創(chuàng)造更多新機會。此外，集成化的趨勢減少了電路板的整體空間和總成本，為進入更多輕巧便攜電子設(shè)備/穿戴式產(chǎn)品帶來可能。

“我們的獨特性在于融合軟件BSX都是自行開發(fā)的，這意味著不同方案都可以通過硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計完美匹配。”博世傳感器發(fā)言人表示。此外，其軟件是基于混合傳感器數(shù)據(jù)融合方法，這意味著緊密傳感器耦合與松散傳感器耦合能并行使用，這種方法的優(yōu)點是在傳感器數(shù)據(jù)處理能力(功耗)和整體感知準(zhǔn)確性之間的最佳折衷。

飛思卡爾市場經(jīng)理高小龍表示，情境感知的廣泛需求敦促傳感器廠商不單只提供硬件芯片，而且能夠針對客戶的應(yīng)用需求提供更加豐富的軟件方案及算法。Freescale能夠免費提供6/9/10軸的傳感器數(shù)據(jù)融合算法及相關(guān)軟件，能夠提供給系統(tǒng)廠商豐富、準(zhǔn)確的軟件接口去開發(fā)更多的定制化應(yīng)用。

意法半導(dǎo)體的iNEMO引擎則是基于卡爾曼濾波器(KalmanFilter)理論，采用一套自適應(yīng)預(yù)測和濾波算法，能夠識別由加速度計、陀螺儀、羅盤以及壓力傳感器組成的多個傳感器的輸入信息，并可自動修正傳感器的測量失真、錯誤以及干擾，從而大幅提升用戶體驗以及感應(yīng)精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間。

如何很好地利用傳感器的原始數(shù)據(jù)去描述運動狀態(tài)，這個就涉及到數(shù)據(jù)的融合，鄧川軍指出，“我們有很資深的團隊從事這方面的工作，例如KMX61就通過自己的算法，在擁有加速度計和磁力計性能的前提下，可以擁有軟陀螺儀的功能，大大地減少了成本和功耗，功耗僅為550uA。”移動設(shè)備中的許多應(yīng)用需要得益于陀螺儀功能，但不需要傳統(tǒng)陀螺儀的極致表現(xiàn)，選擇這種方案就非常合適。

這種通過軟件算法，以六軸產(chǎn)品實現(xiàn)九軸功能的方案，博世傳感器認(rèn)為是非常有用的，“我們在OEM端第一次使用這種方案是在2011年，采用的是6軸電子羅盤(3軸加速度計+3軸磁傳感器)BMC050。現(xiàn)在有許多OEM廠商都采用這種方式，“磁力陀螺儀功能是一項標(biāo)準(zhǔn)功能，2年多前就在傳感器數(shù)據(jù)融合庫BSX提供。”發(fā)言人表示。

這種方案帶給用戶最大的好處就是功耗的降低和成本的降低，但它也有一定的局限性，趙延輝指出，“比如磁傳感器非常易受干擾等。”高小龍也認(rèn)為，如果使用電子羅盤+加速計模擬陀螺儀，在響應(yīng)速度和用戶體驗上會有明顯的差距。

為不同應(yīng)用選擇合適的傳感器與恰當(dāng)?shù)男阅芎苤匾?，InvenSense營銷及業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁AliFoughi持類似觀點，“例如，使用羅盤+加速度計作為一個軟陀螺儀就不是一個好主意。這是因為陀螺儀的優(yōu)勢是為運動跟蹤提供精度和速度，而軟陀螺儀被證實速度慢而且容易有誤差。事實上室內(nèi)的磁場干擾會使得軟陀螺儀無法使用。”

專用MCU運行傳感器數(shù)據(jù)融合

我們看到一個明確的趨勢，那就是在智能手機中采用傳感器hub(用MCU運行傳感器數(shù)據(jù)融合)。“背后的原因是，現(xiàn)在的傳感器總是開機狀態(tài)，應(yīng)用處理器運行的傳感器數(shù)據(jù)融合算法需要大量功耗。”博世傳感器發(fā)言人指出，“目前的解決方案主要是使用獨立微控制器和傳感器組合接口。我們的BSX傳感器數(shù)據(jù)融合軟件向所有主流MCU廠商提供方案。此外，我們的還提供集成的傳感器HubBNO055，這是個九軸解決方案，集成了基于ARMCortexM0+的微控制器，并預(yù)裝了BSX。這是首款單封裝、真正的即插即用9軸傳感器數(shù)據(jù)融合解決方案。”

除了手機里采用傳感器Hub，趙延輝認(rèn)為在其他領(lǐng)域中，如果在MCU里集成對MEMS傳感器的系統(tǒng)校正和處理算法，會省去客戶大部分的硬件建立時間，甚至是軟件開發(fā)時間，那將非常受歡迎，就像ADI的iSensor系列產(chǎn)品ADIS16209、ADIS16229和ADIS16488A等。

高小龍認(rèn)為，多軸MEMS與MCU結(jié)合將很快成為市場的主流，應(yīng)用主要在智能手機的sensorhub及可穿戴產(chǎn)品。飛思卡爾最近推出的穿戴式產(chǎn)品的解決方案包括專業(yè)級計步器MMA9553，及MMA95000(MCU+加速度)。

主流廠商熱門產(chǎn)品

業(yè)界對整體傳感方案的簡化需求推動了今天多軸MEMS的發(fā)展。博世傳感器發(fā)言人認(rèn)為，目前主流的方案是6軸電子羅盤(加速度計+磁強計封裝在一起)和慣性傳感器IMU(加速度計+陀螺儀封裝在一起)。電子羅盤組合主要應(yīng)用于中/低端智能手機及廣泛的配件，IMU主要用于高端智能手機和HMI設(shè)備，而像9軸器件BMX055等則主要用于平板電腦和配件。而未來9軸設(shè)備市場將會增長，且其解決方案將小于3x3mm——這樣才可能集成到智能手機。

同樣，高小龍也認(rèn)為在中國市場，陀螺儀+加速計將在今年迎來爆發(fā)式增長，而9軸組合的需求增長可能要到下半年。他指出在中高度整合手機上，6+3的方案將更有優(yōu)勢一些。至于對MEMS傳感器與RF的集成需求則主要來自可穿戴產(chǎn)品，大規(guī)模的增長可能要到明年年初。

同樣認(rèn)為Foughi也贊同表示可穿戴的市場的快速增長以及其對尺寸空間的限制，會促進9軸傳感器有巨大的市場需求，“事實上已有很多客戶感興趣我們9軸解決方案。”

此外，Invensense前不久還推出來一款7軸方案ICM-20728，集成了一個壓力傳感器和加速度計、陀螺儀和數(shù)字運動處理器(DMP)。通過提供絕對和相對高程變化，集成的壓力傳感器使3D戶外/室內(nèi)3D導(dǎo)航實現(xiàn)Always-On的定位功能，并能對健康和健身應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的能量消耗。

在面對成本壓力方面，各廠商應(yīng)對方式也不同。博世傳感器認(rèn)為，想要應(yīng)對成本挑戰(zhàn)，一般的標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)就是通過減少元器件尺寸減少器件成本，同時增加集成。但事實上，縮小尺寸和更高集成超過一定水平時會犧牲總體傳感性能，導(dǎo)致行業(yè)尋求新方式。OEM廠商開始考慮他們傳感器解決方案的TCO(總擁有成本)。隨著傳感器解決方案集成度的增加，TTM和NRE(非經(jīng)常性工程造價)占去TCO的很大一部分。博世傳感器則試圖通過提供“plug&play”傳感器解決方案解決這個問題。

“目前MEMS運動傳感器在消費類應(yīng)用中的利潤已經(jīng)非常低了。ADI著重會做一些差異化的產(chǎn)品以保證一定的利潤，比如我們有業(yè)界最低功耗的MEMS加速度計ADXL362，最高溫度范圍的MEMS加速度計ADXL206，以及高端工業(yè)應(yīng)用的IMU等。”趙延輝表示。

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