三轴加速度传感芯片（精选4篇）
三轴加速度传感芯片 篇1
1 加速度传感器
1.1 定义
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)的改进的。另一种就是线加速度计。
1.2 加速传感器的工作原理
加速度传感器会接受外界传递的物理性输入,通过感测器转换为电子信号,再最终转换为可用的信息。主要感应方式是对微小物理量的变化进行测量,再通过电压信号来表示这些变化量。
2 三轴加速度传感器ADXL345
2.1 概述
ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技术的数字输出的三轴加速度传感器。ADXL345具有±2g,±4g,±8g,±16g可变的测量范围;最高13 b分辨率测量;固定的4 mg/LSB灵敏度;3 mm×5 mm×1 mm超小封装;40~145μA超低功耗;标准的I2C或SPI数字接口;32级FIFO存储;以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。这些特性使其成为一款非常适合用于摔倒检测的加速度传感器。
2.2 工作原理
ADXL345首先由前端感应器件感应测得加速度的大小,然后由感应电信号器件转为可识别的电信号,这个信号是模拟信号。ADXL345集成的A/D装换器将此模拟信号转换为数字信号。在计算机中,数字信号一律用补码的形式表示,在此也一样,A/D转换器输出的是16位的二进制补码。经过数字滤波器的滤波后,在控制和中断逻辑单元的控制下访问32级FIFO,通过串行接口读取数据。ADXL345的控制命令也是通过接收来自串口的读写命令来实现的,这主要是对寄存器的操作。
3 ADXL345与微控制器的通信
ADXL345为用户提供了两种与微控制器的通信方式:SPI和I2C。本文采用基于嵌入式的S3C2410微控制器与三轴加速度传感器ADXL345的连接来详细讲述ADXL345的SPI通信方式。
3.1 ADXL345的SPI通信过程
SPI的最高时钟为5 MHz,通信开始时主MCU选择CS置位,CS复位则通信结束,SCLK由主MCU提供串行时钟。SDI与SDO是串行数据输入与输出,它们分别在时钟的上升沿获取数据。一次通信过程中读写多字节必须要设定MB位(Multiple-byte Bit),在读取完第一个寄存器的数据后ADXL345会自动将地址指向下一个寄存器。ADXL345输出16位二进制补码,每个轴都分配了2 B输出数据寄存器,共6个,地址为0X32-0X27,这样会连续输出6 B数据。但对地址非连续的寄存器进行操作必须通过CS停止通信并单独设定下一个要操作的寄存器地址,然后再建立通信。所以通过SPI读取ADXL345采集的数据只能连续读取6 B数据,然后地址返回0X32继续读取6 B数据。
3.2 S3C2410的接口特点
S3C2410有2个串行外围设备接口(SPI),每个SPI接口都有2个分别用于发送和接收的8位移位寄存器。在SPI通信中,数据同时被发送(串行移出)和接收(串行移入),8位串行数据的传输速率由相关的控制寄存器决定。
SPI的接口特性:与SPI接口协议V2.11兼容;8位用于发送的移位寄存器;8位用于接收的移位寄存器;8位预分频逻辑;查询、中断和DMA传送模式。
3.3 接口连接
根据ADXL345工作原理和S3C2410的接口特点,把S3C2410的SPI配置为主设备,完成对ADXL345的接口设计,硬件连接如图2所示。
SPI MOSI作为主设备的输出,SPI MISO作为主设备的输入,SPI CLK用作SPI通信的串行时钟。且S3C2410支持4种不同的传输格式,可以保证主从设备时序的一致性。
S3C2410的SPI接口操作:通过SPI接口S3C2410可以与ADXL345同时发送和接收8位数据。串行时钟线与两条数据线同步,用于移位和数据采样。
4 老人摔倒检测
4.1 检测原理
将三轴加速度传感器的三个坐标分别与人体坐标相对应,x轴代表人体左右方向加速度变化,y轴代表人体前后方向的加速度变化,z轴代表人体垂直方向的加速度变化。当人在站立或行走状态时,z轴的加速度接近g,x轴和y轴加速度接近0。当人体的摔倒过程中,三个轴的加速度及其矢量和会发生变化,通过设定一定的阈值,判断三个轴向的加速度变化,判断老人是否摔倒。
4.2 ADXL345中断
Free_fall:当加速度值低于一定阈值并且持续超过一定的时间时,Free_fall中断置位。
Activity:当加速度值超过一定阈值时,Activity中断置位。
Inactivity:当加速度值低于一定阈值且持续超过一定时间时,Inactivity中断置位。
4.3 检测判断方案
失重检测:人体摔倒的过程中存在失重现象,虽然没有自由落体时失重现象明显,但加速度矢量和也会小于1g,利用Free_fall中断判断人体摔倒过程中的失重过程,将此作为摔倒状态的第一个判断依据。
撞击检测:人体在摔倒时与地面发生撞击,加速度矢量和会产生一个峰值。利用ADXL345的Activity中断来检测。在此需要设置一个时间的阈值,在失重检测与撞击检测之间,设置时间间隔为200 ms,如果在Free_fall中断后200 ms仍会发生Activity中断,认为人体没有摔倒,也可能是因为弯腰动作造成加速度变化。
静止检测:人体摔倒不会马上站起来,会有一点时间的静止状态。由于人体由垂直变为水平,此时加速度的矢量和会小于某个值。利用ADXL345的Inactivity中断来检测。设置Activity中断与Inactivity中断的时间间隔为,在撞击后的内应该有静止状态,如果时间超时还未产生Inactivity中断,认为没有摔倒。
与初始状态比较检测:人体在摔倒之后与站立时的三个轴向的加速度是不同的。为了进一步检测人体是否摔倒,可以取人体摔倒之前的三个轴向的加速度与摔倒后的加速度进行比较,如果各个轴向的加速度之差超过一定的阈值,判断为一次摔倒。
可以根据人体摔倒过程中加速的变化曲线来设定各个阈值。摔倒过程中的加速度变化曲线如图3所示。
4.4 检测方案流程图
摔倒检测方案流程图如图4所示。
5 结语
本文主要以三轴加速度传感器ADXL345为例,介绍了其工作原理,与微控制器的通信方式及接口连接。通过分析得知三轴加速度传感器ADXL345非常适用于检测人体意外摔倒。最后利用ADXL345的内部中断,提出一种检测老人意外摔倒的方案。利用三轴加速度传感器解决老人意外摔倒检测问题有其重要的科研价值和应用意义。
参考文献
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[6]郭敏,尹光洪,田曦,等.基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计[J].现代电子技术,2010,33(8):173-177.
[7]张兴辉,张维杰.基于加速度的车祸报警系统设计与实现[J].现代电子技术,2012,35(17):96-99.
[8]陈财政,邢动秋.基于Matlab的加速度传感器振动信号处理方法研究[J].现代电子技术,2007,30(7):127-130.
三轴加速度传感芯片 篇2
iSuppli最近的一项报告表明, 截止到2012年, 预计微电机系统 (MEMS) 市场将从2006年的56亿美元增长到83亿美元。据该公司的调查结果显示, 2001年只有3%的手机采用了加速度传感器, 由于MEMS技术的发展以及消费者对增强型用户界面的需求, 到2010年, 该数字预计将激增到33%。
在1月的2010国际消费电子展 (CES) 上, 飞思卡尔半导体推出最新的动作传感技术, 以提升移动消费电子产品的使用体验。MMA8450Q加速度传感器是高精度、高功效的解决方案。它能够延长小型移动设备的电池使用时间, 并通过高灵敏度的动作和方向检测功能捕捉精确的动作。借助飞思卡尔MMA8450Q加速度传感器, 移动电话和其他消费电子器件的开发商能够在延长电池寿命的同时, 整合增强功能并最终改善终端用户的体验。
M M A8450Q加速度传感器是针对下一代移动设备, 如智能手机和智能本设计的, 这要求性能、便携性和电池寿命进行理想组合才能满足市场需求。这款三轴数字传感器在飞思卡尔的智能本平板参考设计中发挥着关键作用。
该器件提供大量嵌入式可配置性很高的功能, 帮助OEM厂商满足特定的市场和产品需求, 包括方向、拍打、双击、敲击、自由落体及震动检测能力。
MMA8450Q传感器是12位的数字解决方案, 采用3×3×1mm3小体积封装。它提供智能的数据管理功能, 内置32段采样/轴 (X、Y、Z轴) 的先入先出 (FIFO) 内存缓冲, 以提高整个系统的省电能力并通过减少主处理器负载来加快响应速度。嵌入式功能和FIFO缓存的配合使用, 使终端处理器仅对要求的数据进行分析;同时在相同I2C总线上复用其他传感器时, 这有助于防止数据丢失。可配置省电模式和自动唤醒/休眠功能则帮助设计者实现最佳电流消耗。对环境敏感的产品针对每个嵌入式功能提供广泛的可配置功能, 并且与自动唤醒/休眠功能进行捆绑, 这样可以达到更高的电源效率。
MMA8450Q加速度传感器的目标应用包括便携式消费器件, 如移动电话和远程控制设备, 以及智能本、电子书阅读器 (eReader) 、上网本、笔记本电脑、PMP及PDA等。其他应用包括医疗应用中的活动监控, 导航应用中的航位推测辅助, 车队跟踪中的位置检测, 以及电源工具和小型电器的安全关闭。
特性包括:
●12位数字输出。
●带有I2C总线的±2g、±4g、±8g三轴数字加速度传感器。
●可存取32段采样的FIFO简化了动作检测分析。
●低功耗。
关闭模式:2微安。
待机模式:待机电流 (I C激活) 最高10微安。
激活模式 (低功耗模式:27-120;正常工作模式:42-250) 。
●典型值:27微安 (ODR=50 Hz, 低功耗模式) 。
●典型值:42微安 (ODR=100 Hz, 低工作模式) 。
●可用于8个中断源的2个可编程中断管脚。
●低工作电压1.71 V到1.89 V。
●嵌入式功能/特性。
●四通道动作检测。
自由落体或动作检测:2通道。
脉冲检测:1通道。
瞬变检测:1通道。
带滞后补偿的方向 (竖向/横向) 检测。
在自动唤醒和睡眠功能中, 可实现自动输出数据速率变化。
自我检测。
●高可靠性设计, 能够承受最高10000 g的撞击3。
开发支持、价格和供货情况
MMA8450Q传感器现已供货。数量达10000件时, 建议零售价1.67美元。
为了加快面市, 展示MMA8450Q多个嵌入式功能的优势, 飞思卡尔提供两个开发套件, 它们都带有PC图形用户界面软件程序。飞思卡尔提供RD3924MMA8450Q开发套件, 包含评估MMA8450Q加速度传感器 (包括传感器板LFSTBEB8450Q以及USB通信板LFSTBUSB) 所需的组件。LFSTBEB8450和LFSTBUSE都是飞思卡尔传感器工具箱 (Sensor Toolbox) 的一部分, 传感器工具箱是面向传感器应用的一套统一的开发软件、硬件工具和附件。传感器工具箱为飞思卡尔产品系列 (加速度、压力和触摸传感器) 的所有传感器型号提供综合支持。
LFSTBEB8450开发板现已供货, 建议零售价75美元。此外, 对于可能尚未购买传感器工具箱加速度传感器USB板的客户, RD3924MMA8450捆绑提供加速度传感器及USB板, 建议零售价99美元。
包含MMA8450Q加速度传感器的智能本参考设计, 现在可通过当地飞思卡尔销售代表供货, 以进行相关评估。获取参考设计的详细信息, 请登录网址:www.freescale.com/smartbook。
三轴加速度传感芯片 篇3
2006年任天堂的WII游戏机的手柄首先内置加速度传感器, SONY的PS3游戏机手柄随后也内置加速度传感器, 得益于WII的创新玩法, 带动大批体感游戏热销。MEMS加速度传感器迅速普及, 带动MEMS加速度传感器成本大幅下降。目前市场上能大批量供应MEMS加速度传感器的I C厂家有美新, ST, Freescale, KIONIX, Bosh, ADI, HDK等, 在游戏手柄上用得较多的是ST、Freescale和Bosh。
2. 产品描述
该产品是第三方方案商设计NUNCHUK手柄, 完全兼容任天堂WII游戏机的原厂手柄, 系统结构如下图:
图1中标注“NUNCHUK手柄”的灰色部分是一个单独的手柄。与W I I REMOTE主手柄通过I2C总线连接, 其工作原理是:单片机 (MCU) 采集加速度传感器、按键和摇杆的值后通过I 2 C总线传送给WII Remote手柄, WII Remote再通过蓝牙将这些数据传送到游戏主机W I I。本文所述的校准设备就是用来校准NUNCHUK手柄中的加速度传感器。
3. 对加速度零点和灵敏度的要求
在游戏主机中有各种类型的游戏, 比如飞行游戏, 利用加速度传感器检测手柄的角度, 手柄内部加速度传感器误差太大会导致游戏操控不顺畅。在拳击游戏中, 如果灵敏度误差过大, 会产生误动作。经过实际测试, 传感器的零点误差和灵敏度误差必须控制在8%以内, 否则进行游戏时, 手柄会产生误动作, 客户会依此而退货。
4. 批量生产时必须校准的原因
由于内部采用微机械结构, MEMS加速度传感器在贴片时必须严格控制回流焊的温度曲线和每阶段的时间, 从实际生产经验来看, 带有MEMS传感器的PCB加工良率要明显低于普通I C, 贴片完成后, MEMS加速度传感器内部的微机械结构受到热应力影响, 产生变形, 同一批贴片后的PCBA的特性也相差很大, 因此必须对贴片后的PCBA进行校准。另外一个原因是MEMS加速度传感器芯片在SMT过程中不能保证绝对的位置, 一定会有偏移, 导致传感器的X/Y/Z轴与设备对应的轴不平行, 需要通过校准进行纠正。
5. 校准方法
NUNCHUK手柄中的加速度传感器的测量范围为±2g, 手柄内部MCU对加速度传感器进行读取后, 通过I 2 C总线输出10bit的值;0g时的理想输出为511, ﹢1g的理想输出为7 6 7, -1 g对应的灵敏度为256。﹢2g的理想输出为1023, -2g对应的灵敏度为0。
根据生产厂家的要求和MEMS加速度传感器原厂的确认, 对该类游戏手柄的应用只需要校准加速度传感器每个轴的0g值和﹢1g值, 将0g值当做零点, ﹢1g值当做灵敏度。依此原理设计如下图2所示的校准设备:
采用如下方法对手柄P C B A上的加速度传感器进行校准:
⑴设计一个立方体形状的治具, 可将PCBA水平夹持在一个面上, 与该面平行;通过顶针连接待校准的PCBA上的电源和I2C通信接口。
⑵设计一个校准控制板, 通过I 2 C总线连接待校准的P C B A, 校准控制板上设计一个操作按键。当按下此键后, 保持校准平台静止, 控制板读取带校准的P C B A上加速度传感器的输出。由于实际传感器的0g输出一定会小于511+128, 大于511-1 2 8, 实际的+1 g输出一定会小于767+128, 大于767-128, 可依此而自动判断当前是哪个轴朝上, 读取的﹢1 g是对应哪个轴的。如果出现意外, 可判断传感器故障。这种自动判断方法只需操作工人每次按一个按键, 不必按照X、Y、Z三个轴分别进行校准, 减少操作工序, 降低操作复杂度, 方便大批量生产。
⑶将待校准的PCBA夹持在立方体上。
⑷立方体放置在一个水平桌面上, 假设X轴和Y轴处于0g, 而Z轴为1g, 按下校准控制板上的操作按键, 校准控制板读取加速度传感器的值后通过蜂鸣器发出一声短“滴”的提示音。
⑸翻转立方体, 假设使Y轴向上, 此时可以认为X轴和Z轴处于0g, 而Y轴为1 g, 按下校准控制板上的操作按键, 校准控制板读取加速度传感器的值后通过蜂鸣器发出一声短“滴”的提示音。
⑹翻转立方体, 假设使X轴向上, 此时可以认为Y轴和Z轴处于0g, 而X轴为1 g, 按下校准控制板上的操作按键, 校准控制板读取加速度传感器的值后, 经过运算, 将结果写入到待校准PCBA内部, 最后通过蜂鸣器发出一声长“滴——”表示校准完成。
⑺校准完成, 换下一个P C B A进行校准;
⑻注意事项:立方体只需翻转三次, 对应有三个面会翻转到朝上, 朝上的三个面用红色贴纸标记, 操作工人翻转立方体后再按操作按键, 此时必须保证工作台和立方体静止不动, 以便准确读取0g值和﹢1g值。
6. 校准控制板硬件框图
校准控制板硬件框图如上图3所示。待校准的PCBA的电源由校准控制板提供, 电源和I 2 C接口通过立方体治具上的顶针连接。校准控制板要固定在水平桌面上, 防止震动, 便于工人操作。校准控制板与待校准P C B A连接上后点亮连接指示灯, 断开后熄灭连接指示灯。蜂鸣器用于提示操作进度, 三轴加速度传感器的前两个轴每次读取完成后发出一声短“滴”声, 第三个轴完成后发出长“滴——”声, 如果出现错误, 发出三声“滴滴滴”。
7. 校准控制板软件流程图
依据校准方法和校准控制板硬件结构, 设计出如图4所示的软件流程图, 为便于描述, 上述流程图中省略了错误处理过程。实际生产中可能出现各种错误, 如传感器故障, 治具顶针接触不良等故障, 校准控制板检测到任何错误后, 发出三声“滴滴滴”错误报警声, 等待操作工人取下PCBA检查, 软件流程回到最初的“检测待校准PCBA是否放入治具”这一步骤。
校准控制板最终生成的结果是加速度传感器三个轴的0g值和﹢1g值, 这些参数通过I2C总线送到手柄内部, 手柄内部程序再调用这些参数来计算出正确的加速度值。
8. 实测效果及结论
使用上述校准设备校准出来的游戏手柄经过测试, 在水平和垂直位置三个轴的0g和±1g最大误差小于5%, 平均误差在2.5%左右。使用各种游戏软件对校准后的手柄进行测试, 可完全满足游戏主机的要求, 能够准确检测手柄动作和状态。该校准设备已经在多家工厂使用, 校准过的MEMS加速度传感器已经超过400万颗以上, 已经成为游戏手柄行业用于校准加速度传感器的标准设备。
参考文献
[1]Freescale Semiconductor:AN3447, Implementing Auto-Zero Calibration Technique forAccelerometers.
[2]STMicroelectronics:AN3182, Tilt measurementusing a low-g 3-axis accelerometer.
[3]周静, 胡毅, 付浩.三轴重力加速度传感器标定方法研究.石油仪器.2010年第8期
三轴加速度传感芯片 篇4
据调查, 截至2012年底, 我国60周岁以上老年人口1.94亿, 2020年将达到2.43亿, 2025年将突破3亿。其中将近一半空巢, 农村老龄化水平高于城镇1.24个百分点, 农村留守老年人数量已近5 000万[1]。空巢老人最让人担忧的便是老人的安全。在我国65岁以上的老年居民中, 有相当一部分人曾经跌倒过, 且跌倒发生率随着年龄的增加而升高, 若能及时救助跌倒的老年人将大大降低伤残率和死亡率[2]。因此, 如果能对老人的运动状态进行实时监测, 以智能的方式判断老人当前的生理状态, 并能够在老人摔倒的时候自动的发送短信引起相关监护人的注意具有重要的意义。
1 系统描述
1.1 跌倒检测原理
机牌子联想S868t, 试验中手机放置于胸口位置, 首先通过Andro Sensor软件来测试人体摔倒时的加速度变化, 并通过软件自带记录功能把所得的数据整理成表格形式, 如表1所示。
软件内读数15次/s, 得出每一时刻的X、Y、Z轴的加速度, 通过公式
得到合加速度, 将合加速度用折线图表示, 如图1 (a) 图所示。图1 (b) 图为正常走路时合加速度的折线图。
由图2 (a) 可以看出有一瞬间的合加速度是突然间增加到很大值 (点7~10) , 这是因为此时拿着手机的实验者摔倒了, 从而引起加速度剧增。
1.2 系统软件实现
现利用JAVA语言编写安卓手机摔倒感应软件, 程序流程图如图2所示。当合加速度的值超过了预设的值时, 软件将自动向指定手机发送短信。如图3所示。
2 结语
该实验以Android手机为平台搭建人体摔倒检测软件, 利用手机自带的三轴传感器, 算人体当前合加速度, 实现了通过软件无线检测老年人身体状况。由上面的实验结果可以看出, 当老人不小心摔倒后, 手机将会发送短信给相关监护人。监护人收到短信时, 可及时与老人联系确认老人当前状况, 防止因摔倒事故没有及时处理而使悲剧发生。
参考文献
[1]放心医苑网.中国60岁以上老人约2亿老人健康需求得不到满足[E B/OL].http://www.fx120.net/elder/lrxw/elder_857695.html, 2014-02-18.
[2]朱月妹, 袁浩斌, 陈雷.老年人跌倒危险因素的调查[J].护理实践与研究, 2007, 4 (10) :5-7.