ST：MEMS加速度傳感器五大功能簡化用戶設計

    隨著蘋果iPhone和任天堂Wii游戲機的流行，加速度傳感器在消費類電子設備中得到了廣泛的應用。例如，筆記本中的跌落保護、MP4/手機中的屏幕自動翻轉、輕敲手機掛斷電話以及手機“翻轉靜音”等等。這些應用改變了傳統設備與用戶之間的交互方式，使產品有了更好的用戶體驗。作為這場變革的領導者，意法半導體（ST）的微機械加速度傳感器不僅能夠輸出加速度的數值，同時集成了很多的功能模塊，可以實現上述的應用。我們將以LIS35DE和LIS331DLH芯片內部的功能模塊作為線索，介紹意法半導體加速度傳感器的性能特點，并介紹如何配置傳感器的功能模塊來實現特定的應用。
 
    雙中斷配置

    跌落保護對于配置了硬盤的便攜式設備來說非常重要。該功能在高檔筆記本電腦中的應用已經非常普遍。三軸加速度傳感器LIS35DE、LIS33DE和LIS331DLH/M/F均能通過中斷管腳并對加速度門檻寄存器進行設置來實現跌落保護功能。其中，加速度門檻寄存器是用來設置門檻加速度的寄存器，而中斷設置寄存器是用來設置中斷輸出的條件和中斷源判定的寄存器。下面以自由落體檢測為例說明檢測原理和中斷配置方法。

    物體如果處于靜止狀態，就只受重力加速度的影響，而且物體三個軸上的重力加速度矢量和為1g。
 
    物體如果處于自由落體狀態，理論上在物體的X軸、Y軸和Z軸三個軸上的加速度均為零。而在實際情況中，由于空氣阻力和下落旋轉時產生的離心力，三個軸上的加速度矢量和應是某一個較小的數值。

    靜止時，物體在三個軸上的加速度不可能同時小于577mg。當然，這是一個理論上的上限參考值。考慮到加速度傳感器在0g時的誤差和溫度變化對測量精度的影響，為防止誤觸發，可以將這個門檻值設定為360mg。如果三個軸上的加速度同時小于360mg，我們就可以認為物體處于自由落體狀態，可以觸發中斷。需要注意的是，這個門檻值是一個絕對值，并且門檻值對X軸、Y軸和Z軸三個軸都是有效的，因此，我們可以設置加速度在某一軸上超過門檻值就產生中斷(“或”的關系)或者加速度在三個軸上都超過門檻值才產生中斷(“與”的關系)。這樣，在做跌落保護時，應該選擇“與”的關系作為跌落的判定條件。

    LIS35DE和LIS331DLH/M/F能夠提供兩個中斷配置寄存器以及互相獨立的中斷配置寄存器與加速度門檻寄存器。一個中斷信號用于跌落檢測的同時，另一個中斷可以用來設置為喚醒，即當加速度大于設定的門檻值時，就會產生喚醒中斷。除了上述兩個功能外，還可以把中斷設定為數據更新通知和敲擊檢測等功能。

    高通濾波器

    iPhone3.0集成了一個新的功能，即只需要晃動手機就可以取消剛才的操作。如果通過這樣一些簡單的動作來代替按鍵甚至做一些新應用，例如搖色子游戲、切換音樂等，就可以使一些常用的功能變得有趣起來。如果采用上述中斷管腳寄存器實現這樣的功能，就會遇到一個問題———重力。由于重力的存在，用戶不能簡單地在FF_WU_TSH1寄存器中設置統一的門檻值來作為晃動或者喚醒中斷的判定條件。為此，LIS35DE集成了高通濾波器，能夠濾除緩慢變化或不變的加速度(如重力加速度)，并且可以選擇截止頻率，如表1所示。只有變化頻率高于截止頻率的加速度才能通過。

    有了高通濾波器以后，通過晃動來切換手機播放的音樂就變得比較簡單了。具體的原理是，檢測手機向左、向右晃動時加速度的變化軌跡，以此來定義切換歌曲的順序。當向左晃動手機時(切換至上一首歌)，在Y軸上會產生一個較大的加速度，并且加速度的方向是先負后正。反之，如果向右晃動手機(切換至下一首歌)，在Y軸上的加速度是先正后負。在這個應用中，高通濾波器去除了重力加速度的影響。在一次有效晃動的時間范圍內(如200ms)，正向和負向的加速度都觸發了中斷，我們即可判定為一次有效晃動；再通過判斷正向加速度和負向加速度出現的先后順序，我們就可以確定晃動的方向。

    6D檢測

    在3維空間中，根據3個軸上正負方向的不同可以將物體的位置分為6種狀態，分別是上下、左右、前后。如圖1所示。這種空間位置信息對于手持式設備是很有用的。它不僅能讓使用者了解當前設備的空間狀態，還能在此基礎上開發出一些新的應用，如“翻轉靜音”等等。
LIS331DLF/M/H系列加速度傳感器集成6D檢測功能模塊。如果設備的空間位置發生了變化，它能夠以中斷的形式通知系統。

    這種功能是靠檢測靜止時重力加速度在各個軸上的分量是否超過一定門檻值來實現的。它允許用戶自己設定這個門檻值，給用戶很大的靈活性。XH/YH/ZH分別代表X/Y/Z軸的正方向。XL/YL/ZL分別代表X/Y/Z軸的負方向。當檢測到的加速度在正方向大于門檻值的時候，XH/YH/ZH為1；當檢測到的加速度在負方向小于門檻值的時候，XL/YL/ZL為1。通過讀取中斷狀態寄存器INTx_SRC，我們可以判定此時設備的狀態。

    根據門檻值的不同，用戶可以更精確地定義某些狀態。以X軸/Y軸為例，為了較為精確地定義位置，可以將門檻值設置得高一些，這樣在X和Y軸之間會留下一些“死區”。在“死區”范圍內，傳感器不會觸發6D中斷。只有物體的實際位置更接近用戶定義的區域時，才會觸發中斷。這一功能在一些應用中可以避免用戶的誤操作。

    下面以翻轉手機實現靜音為例，說明檢測原理和6D檢測功能的設置。由于重力加速度始終存在，平放在桌子上的手機在Z軸負方向的(指向地心)加速度為1g，X軸和Y軸上沒有加速度(為零或者很小)。

    當需要靜音時，將手機翻轉過來，背面朝上放置于桌上。此時X軸和Y軸上仍然沒有加速度，但是重力加速度加在了Z軸的正方向上。通過檢測Z軸正負方向上的重力加速度，就可以知道手機當前的狀態。這種方案需要不斷地檢測加速度值，因此占用系統的大量資源。

    如果使用6D檢測功能，只需要等待來自Z軸正方向上的中斷就可以識別手機是否翻轉，這極大地節約了系統資源。

    單/雙擊識別

    諾基亞8800CA手機除了有“翻轉靜音”的功能外，還有雙擊手機顯示時鐘的功能。其中敲擊的識別可以通過加速度傳感器來實現。LIS35DE集成了識別單擊或雙擊的功能模塊，通過寄存器設計就可以識別出單擊以及兩次單擊是否符合雙擊的條件。LIS35DE的單雙擊功能由地址為38h～3Fh的寄存器控制，如表2所示。

    單擊識別的過程需要滿足兩個條件。一是敲擊產生的加速度值高于門檻值，二是加速度的值高于門檻值，小于CLICK_TimeLimit的數值要求。當敲擊同時滿足這兩個條件時，就可以判定為一次單擊。而大于CLICK_TimeLimit的數值要求時，則不會有中斷產生。

    在檢測出第一次單擊的基礎上，第二次單擊的識別必須滿足CLICK_Latency和CLICK_Windows設定的條件。只有第二次單擊落在CLICK_Windows時間段內，才是一次有效的雙擊，否則只能判定為兩次單擊。CLICK_Latency是用來設定第一次單擊被識別后的功能關閉時間的，它用來消除噪聲加速度，防止誤觸發。

    而配合CTRL_REG3(22h)寄存器來設定中斷信號，是通過中斷管腳1或2的輸出，通過中斷通知的方式實現單雙擊功能的。

    休眠模式

    便攜類電子設備對電子元器件的功耗有比較高的要求，因此，意法半導體的LIS35DE可以設置兩種模式：正常工作模式(<0.5mA)和掉電模式(<1μA)。盡管LIS35DE在正常工作模式下只有小于0.5mA的消耗電流，但是為了獲得更長的待機時間，可以使LIS35DE進入掉電模式來降低功耗。

    這兩種工作模式對于大多數的應用已經足夠了，但是對于采用加速度傳感器實現喚醒的功能來說，這兩個工作模式就稍顯不足了。因為喚醒功能需要主處理器配置相應的寄存器，把LIS35DE從掉電模式喚醒，并且還需要幾十毫秒的等待時間；與此同時，在待機時0.5mA的電流還是有些大。例如，在使用加速度傳感器喚醒GPS（全球定位系統）時，如果GPS處于靜止狀態，沒有加速度變化，GPS的主處理器就進入待機模式；一旦有運動發生，加速度傳感器感知到加速度的變化，就可發出中斷信號來喚醒主處理器和LNA。在GPS待機時，加速度傳感器一直處于工作狀態，不能進入掉電模式，否則，加速度傳感器就需要其他器件將其喚醒。

    在LIS331DLH/M/F加速度傳感器中，不但具有上述兩種模式，還具有低功耗模式。在該模式下，數據的輸出更新頻率可以設置為0.5Hz/1Hz/2Hz/5Hz，此時消耗電流僅為10μA～60μA，遠遠小于LIS35DE正常工作時0.5mA的電流。

    在低功耗模式下，加速度傳感器仍然處于工作狀態，但消耗很低的功耗。它不需要被其他器件喚醒。相反，還可以檢測設備的運動狀態并在特定條件下喚醒主處理器。這就極大地降低了系統待機功耗。該器件不但可用于PNS（便攜導航系統）的智能運動檢測，還可用于手機屏幕的動態點亮應用以及一些手機寵物游戲中。

    總體說來，意法半導體在加速度傳感器上有廣泛的產品組合，為不同的應用集成了方便易用的功能模塊。每個功能模塊不僅針對特定的應用簡化了軟件設計，而且功能模塊之間協調工作可以完成更復雜的應用。

圖1 物體在三維空間中的狀態