消費級設(shè)備在變得越來越好 需要更高的性能水平

工業(yè)級及汽車級MEMS技術(shù)是相對消費級器件而言的，前者成本更高，但遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光纖或環(huán)形激光陀螺儀技術(shù)。這里將從消費級市場開始，說明我們所稱的技術(shù)差別。

從多個角度看，這種技術(shù)差異都是值得關(guān)注的，正如前面所說的，目前市場上有很多應(yīng)用，包括大量可穿戴技術(shù)和手機(jī)等，其動態(tài)角度估計能有幾度的分辨率精度就夠好了。對于手機(jī)而言，若想知道圖片的哪個方向朝上，精度只要大約45度就可以了。在手機(jī)上查看不同的東西或玩游戲時，常常也只需要3到5度的精度。

再看偏向于工業(yè)應(yīng)用的器件，您會要求其性能高出10倍以上，而且要能承受更惡劣的環(huán)境條件，這很重要。使用成本不到10美元的器件時，年使用量可能是10,000只；再看工業(yè)級陀螺儀，使用量可能是數(shù)百只左右，成本可能是100美元，理解這一點很重要。

談?wù)摵唵芜\(yùn)動和復(fù)雜運(yùn)動時，想想它涉及到多少個軸。我拿著手機(jī)，沿著一個方向轉(zhuǎn)動，那么就是繞一個軸旋轉(zhuǎn)。這是相對簡單的運(yùn)動。再想象有一輛無人駕駛汽車，沿著崎嶇的路面高速行駛。很顯然，它會沿著各個方向跳動，因此可以預(yù)期，所有三個軸方向上都有運(yùn)動，不光是三個軸，還有線性和旋轉(zhuǎn)信息。您會考慮需要什么樣的精度，還有應(yīng)用所處的條件。

從這里的說明可以看出，消費級設(shè)備在變得越來越好，但工業(yè)級設(shè)備也是如此。隨著時間推移，某些應(yīng)用空間會成熟起來。消費級設(shè)備可能跟上一些發(fā)展，并且?guī)椭鉀Q許多需求，但總是存在一系列不斷發(fā)展的應(yīng)用需要更高的性能水平，而且會有項目來證明為此付出額外的成本是值得的。

大量研究都發(fā)現(xiàn)了這樣一個趨勢：偏置和其他重要參數(shù)的長期穩(wěn)定性與對傳感器中的機(jī)械應(yīng)力的管理好壞有關(guān)。封裝已變得非常重要。往手機(jī)中添加?xùn)|西時，需要把它做得盡可能小，成本盡可能低；不是任務(wù)需要的材料，每一微克都要從設(shè)備中去除。自然，它們會更容易受物理應(yīng)力影響。甚至把手機(jī)放到口袋這樣簡單的事情也會導(dǎo)致封裝彎曲，改變其特性。對于這些事情，工業(yè)級IMU至少會在一階上進(jìn)行處理。

下圖右上方是一個四諧振器內(nèi)核，ADXRS64X系列陀螺儀實際上就是采用這種內(nèi)核。該四諧振器內(nèi)核提供兩種不同水平的線性抑制，我們稱之為器件的共模抑制。這使它在振動抑制方面實現(xiàn)了大跨越。尤其是0.0001度/秒/g2這一數(shù)據(jù)，對許多傳統(tǒng)上需要數(shù)萬美元解決方案才能上市的應(yīng)用而言，可謂關(guān)系重大。現(xiàn)在，不到1,000美元的解決方案就能實現(xiàn)此類性能。它在面市時是非常令人激動的，今天仍然很常用。

新一代傳感器技術(shù)，即右下方的彈性碟方法，是當(dāng)前產(chǎn)品的核心技術(shù)，ADXRS290和ADIS16460慣性測量單元均采用該技術(shù)。利用多方面的工藝改進(jìn)和全新的機(jī)械架構(gòu)，我們得以降低噪聲和角向隨機(jī)游動，這在前面的幻燈片中已予以說明，其性能比我們過去的工業(yè)級產(chǎn)品線所采用的各種陀螺儀技術(shù)要高出4倍。

核心傳感器的典型性能差距在哪里？針對消費市場的MEMS IMU與針對工業(yè)市場的MEMS IMU進(jìn)行比較時，又會顯露出哪些重要特性？跨軸靈敏度和線性振動抑制是兩個關(guān)鍵性能指標(biāo)。

跨軸靈敏度

想象把一個IMU放在桌面上，并使它來回轉(zhuǎn)動。理論上，該運(yùn)動只應(yīng)顯示在一個陀螺儀上，假設(shè)是z軸。 x軸和y軸陀螺儀對此不應(yīng)有所響應(yīng)。然而，它們實際上會有所響應(yīng)，跨軸靈敏度反映的就是這種響應(yīng)的程度。跨軸靈敏度還與這些器件在內(nèi)部的對齊程度有關(guān)。除物理對齊外，還有電子校準(zhǔn)對齊。就跨軸靈敏度而言，一般器件的典型值為2%，而針對工業(yè)市場的MEMS器件則是不到0.1%。二者相差大約20倍，某些情況下您可以通過系統(tǒng)校準(zhǔn)來彌補(bǔ)，但它仍有封裝依賴性，當(dāng)封裝隨著時間而松弛時，跨軸靈敏度又會降低。因此，針對要求終身保持高性能的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計時，必須考慮這一10到20倍的性能差距。

線性振動抑制

想象一下，讓搭載IMU的印刷電路板在同一張桌子上沿線性方向來回運(yùn)動。理論上，陀螺儀僅測量角向運(yùn)動，因此其響應(yīng)應(yīng)為0。然而，由于器件制造的一些實際限制，所有MEMS陀螺儀對線性振動都有一定程度的響應(yīng)。如何規(guī)定和說明這種響應(yīng)，對制造商而言是一個重要判斷點，很多時候根本不做規(guī)定。即使做了規(guī)定，也不是在全頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測定或規(guī)定。一個器件可能有100 Hz的諧振頻率，若用一個grms激勵它，陀螺儀上可能顯示一個10度/秒信號，這會擾亂所有需要一定精度水平的測量，因為它是一個非模式化的誤差。對此需要進(jìn)行非常細(xì)致的研究，這是非常重要的。

以典型方式把這些參數(shù)放在相關(guān)情形下進(jìn)行分析，紫色線表示速率噪聲密度。速率噪聲密度代表器件完全靜止時的輸出噪聲。橙色和紅色虛線表示我剛才討論的內(nèi)容。這些是噪聲源，可能來自我們所稱的無關(guān)源，導(dǎo)航行業(yè)稱之為非模式化的能量源。市場上可能有這樣的器件：一個器件的紫色線比另一個器件要低，但機(jī)械諧振和線性振動響應(yīng)卻要高得多。

如果只看一個噪聲參數(shù)，可能會輕信這只陀螺儀更好，但實際上，您需要關(guān)注所有三個參數(shù)和線性振動信息，甚至可能要估計軸上的旋轉(zhuǎn)量。全面地看問題，而不要片面地看問題，確實非常重要。從頻譜角度看，總噪聲就是曲線下方的面積。在這一特定情形中，總能量顯然是以線性振動響應(yīng)為主，但不同應(yīng)用會有不同的分析。重要的是，在作出關(guān)于使用何種產(chǎn)品的長期決策之前，務(wù)必注意這一點。

了解實際的測試信息非常重要。數(shù)據(jù)手冊常常不提供此類信息，需要您去詢問。多數(shù)公司開設(shè)了論壇，您可以在其中提問。如果不能在論壇中詢問，請通過銷售渠道查詢，能否找到生產(chǎn)線人員并咨詢。否則可能會出問題。這里給出了兩個不同陀螺儀的響應(yīng)曲線，左邊是ADXRS290，右邊是一款主要針對消費市場的器件。雖然工業(yè)級器件經(jīng)受的振動要高出3倍，但其性能仍然要高出10倍左右。若把它放到上一張圖片中，計算曲線下的總能量，濾波需求將很可怕，帶寬會非常低，因為這會影響穩(wěn)定性控制。所以，了解這些重要區(qū)別是極其重要的。

IMU機(jī)械設(shè)計如何避免設(shè)計陷阱

第一，根據(jù)現(xiàn)有的最佳建議開始機(jī)械設(shè)計。通過前面的介紹，已經(jīng)可以看到，機(jī)械設(shè)計不當(dāng)會引起長期漂移。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果把IMU安裝在不是針對它而設(shè)計的表面上，封裝上就會有應(yīng)力，進(jìn)而影響器件的行為。對此您應(yīng)有所考慮。

第二個需要考慮的事項是：如何連接該器件？一般IMU產(chǎn)品的數(shù)據(jù)接口就是標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線。如果是嵌入式SPI產(chǎn)品，它本質(zhì)上是一個從機(jī)，您需要4條IO線來管理SPI接口。您需要電源，需要接地，有時還需要時鐘或數(shù)據(jù)就緒接口，但其實也就這么簡單。您需要考慮長期系統(tǒng)的接口類型。

第三是注意通信協(xié)議。ADI包括其他大部分IMU供應(yīng)商在數(shù)據(jù)手冊都有簡單的測試案例，您可以在環(huán)運(yùn)行，調(diào)試信號完整度、代碼、位序、時序等。另外，比如ADI，還提供示例代碼，它可幫助您快速上手，但其在細(xì)節(jié)上有所不同。它提供測試碼供您使用，您可以用示波器探頭排除各類故障。這也是大家都感興趣的一個方面。

第四起始代碼。利用這些代碼，您就能將器件連接到嵌入式處理器。