微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用

微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用 微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用 一、应用背景 陀螺仪又称角速度计可以用来旋转的角速度和角度。正如我们所熟知，传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而，这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件，而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产，具有成本低和体积小等特点。近年来，微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注，例如，陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等。微机械工艺的发展和成熟，使得微机械陀螺仪在消费电子中的广泛应用成为可能，并且已有相应的产品面世，如罗技的空中鼠标。这些都使业界相信微机械陀螺仪很快就会成为继微机械加速计之后用于动作感测的另一重要元件。鉴于此，意法半导体公司基于其先进的Thelma工艺先后开发并量产了超小型单轴偏航陀螺仪LISY300AL和LY530AL。LY530AL具有两种接口:模拟和数字接口，提高了的灵活性，简化了设计难度，可测角速率达到?300度/秒。本文以LY530AL为例讨论意法半导体微机械陀螺仪的工作原理及其应用。 二、微机械陀螺仪的原理 微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按式1计算。 式中:F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。 机械陀螺仪LY530AL，它采用了对称的双质量块结构，如图2所示。滑块1和1’是检测质量块， 2和2’是驱动质量块，并且检测质量块是附着在驱动质量块之上。受限于结构件3，检测质量块能够被动的随驱动质量块沿驱动轴(X轴)运动，而在检测轴(Y轴)方向，检测质量块则能在哥氏力的作用下自由运动。所以检测质量块会有两个轴向运动，一个是随驱动质量块沿X轴的受限被动运动，另一个是由哥氏力牵引着在Y轴的自由运动。4(4’)和5(5’)分别是驱动电极和检测电极。 根据式1，哥氏力产生的加速度为a(t)=2ΩZ×。振动速度为已知量，如果得到检测质量块上的哥氏力加速度a(t)，然后结合振动速度进行同步解调，就可以检测出XY坐标系的旋转角速度。这就是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。由于加速度的检测较为简单，而保持一个振幅和频率都恒定的振动速度却比较困难，所以振动速度χ(t)对角速度的检出起着关键作用。 三、LY530AL的应用 LY530AL典型应用电路如图所示，它提供两种接口:模拟或者数字接口(I2C/SPI)，可以通过管脚5来选择所希望的接口方式。在上文中已经提到，LY530AL需要一个锁相环来同步驱动和检测两部分电路，C1、C2和R1为锁相环所需一个二阶低通滤波器。 如图中所示，LY530AL在模拟输出端集成了两个一阶片上滤波器用来滤除高频信号:开关电容低通滤波器(截至频率:400Hz)和一个有源滤波器。有源滤波器的电阻为180kΩ，已经集成在芯片内部，使用时需要外接电容CACT来设置截至频率计算方法如式4。如果上述两级低通还不能滤除高频噪声，LY530AL还支持外接ROPT和COPT构成的低通滤波器。当LY530AL与ADC之间走线较长时，其中还可加入运算放大器增强其驱动能力来符合ADC对输入信号的要求。 对于便携式设备而言，器件的功耗非常重要，直接影响其待机的时间。在使用其模拟接口时，LY530AL消耗电流典型值为:4.8mA，并还设置有一个PD管脚，控制其在待机时进入掉电模式，在该模式下消耗电流小于1μA。由于微机械陀螺仪内部有振荡的微机械部分，LY530AL还设有自测的功能，能够自行检测其内部的微机械部分是否正常。在使用模拟接口时，通过ST管脚来启动自测功能，这时芯片内部会产生一个静电力作用在微机械部分上，来模拟一定的哥氏力，输出电压也会随之变化。如果电压的变化值在一定的范围之内，说明芯片内部的微机械结构工作正常 STM32-PRIMER2是STM最新的STM32开发工具，如下图图所示，其配置了128×160像素的彩色触摸屏显示器、方向控制按键、USB接口、外部扩展连接器、MEMS加速度传感器等，通过内置的开源CircleOS软件框架，用户可以轻松地管理所有组件。为支持更多的外设，STM32-PRIMER2提供了20针的扩展连接器，其中包括一个UART接口、SPI、音频I2S接口以及ADC输入接口等，如图7所示。 同时其采用了STM公司的高精度加速度传感器LIS3LV02DL，加速度分辨率可达到1mg。为验证LY530AL的性能，通过STM32-PRIMER2的20针的扩展连接器，构建如图8所示的测试系统。 该评估系统无线通讯部分采用STM的蓝牙收发模块GS-BT2416C2通过UART接口和主处理器STM32F103VET6进行通讯;采用了两颗LY530AL分别检测Yaw和Pitch上的转动，一颗水平放置，另一颗垂直主板放置，分别通过SPI接口和主处理器进行通讯;三轴的加速度传感器LIS3LV02DL用来检测遥控器在XYZ三个轴上的水平移动，主处理器STM32F103VET6负责数据的采集和处理。 该评估系统经蓝牙与笔记本相连接进行验证，其具有很好的灵敏度和响应速度，在使用过程中不存在光标漂移现象，完全可以取代传统的鼠标。再与机顶盒连接测试时，相较于现有复杂的多按键遥控器，具有更好的直观性，只需要利用3至5个按键，就可以对选单目录进行操控。 参考文献: [1]闫子波，魏鸣，“微机械陀螺仪的工作原理及其应用”，《电子设计技术》2009年09期 [2]李锦明，“电容式微机械陀螺仪设计”， ISBN 7-118-04585-3，北京:国防工业出版社，2006.7. [3]百度百科