本文詳細(xì)介紹了意法半導(dǎo)體公司的電容式微機(jī)械陀螺儀的基本工作原理，其采用對(duì)稱雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊由靜電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生可控的運(yùn)動(dòng)速度，而檢測(cè)質(zhì)量塊則由哥氏力推動(dòng)運(yùn)動(dòng)。振蕩驅(qū)動(dòng)電路采用了雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，有效地減小了溫度或其它缺陷對(duì)振幅的影響，顯著提高了陀螺儀的分辨率和穩(wěn)定性。最后，以單軸偏航陀螺儀LY530AL為例，詳細(xì)介紹其關(guān)鍵參數(shù)及其應(yīng)用，并配合三軸加速度傳感器LIS3LV02DL，實(shí)現(xiàn)了新型無(wú)線遙控器和鼠標(biāo)，驗(yàn)證了LY530AL的性能參數(shù)。
微機(jī)械陀螺儀
陀螺儀又稱角速度計(jì)可以用來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的角速度和角度。正如我們所熟知，傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺、精密光纖陀螺和激光陀螺等已經(jīng)在航空、航天或其它軍事領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。然而，這些陀螺儀由于成本太高和體積太大而不適合應(yīng)用于消費(fèi)電子中。微機(jī)械陀螺儀由于內(nèi)部無(wú)需集成旋轉(zhuǎn)部件，而是通過(guò)一個(gè)由硅制成的振動(dòng)的微機(jī)械部件來(lái)檢測(cè)角速度，因此微機(jī)械陀螺儀非常容易小型化和批量生產(chǎn)，具有成本低和體積小等特點(diǎn)。近年來(lái)，微機(jī)械陀螺儀在很多應(yīng)用中受到密切地關(guān)注，例如，陀螺儀配合微機(jī)械加速度傳感器用于慣性導(dǎo)航、在數(shù)碼相機(jī)中用于穩(wěn)定圖像、用于電腦的無(wú)線慣性鼠標(biāo)等等[1]。
微機(jī)械工藝的發(fā)展和成熟，使得微機(jī)械陀螺儀在消費(fèi)電子中的廣泛應(yīng)用成為可能，并且已有相應(yīng)的產(chǎn)品面世，如羅技的空中鼠標(biāo)。這些都使業(yè)界相信微機(jī)械陀螺儀很快就會(huì)成為繼微機(jī)械加速計(jì)之后用于動(dòng)作感測(cè)的另一重要元件。鑒于此，意法半導(dǎo)體公司基于其先進(jìn)的Thelma工藝先后開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)了超小型單軸偏航陀螺儀LISY300AL和LY530AL。LY530AL具有兩種接口：模擬和數(shù)字接口，提高了設(shè)計(jì)的靈活性，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度，可測(cè)角速率達(dá)到±300度/秒。本文以LY530AL為例討論意法半導(dǎo)體微機(jī)械陀螺儀的工作原理及其應(yīng)用。
圖1，哥氏力現(xiàn)象。
微機(jī)械陀螺儀的工作原理
微機(jī)械陀螺儀利用了哥氏力現(xiàn)象，其原理如圖1所示。當(dāng)圖中的物體沿X軸做周期性振動(dòng)或其他運(yùn)動(dòng)時(shí)，并且XY坐標(biāo)系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在該物體上產(chǎn)生一個(gè)沿Y軸方向的哥氏力，其矢量可按式1計(jì)算[1]。
（1）
式中：F(t)是哥氏力，m是該物體的質(zhì)量，ΩZ是坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角速度，是該物體的矢量速度。
圖2，LY530AL單軸偏航陀螺儀結(jié)構(gòu)
微機(jī)械陀螺儀LY530AL，它采用了對(duì)稱的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示�；瑝K1和1’是檢測(cè)質(zhì)量塊， 2和2’是驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，并且檢測(cè)質(zhì)量塊是附著在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之上。受限于結(jié)構(gòu)件3，檢測(cè)質(zhì)量塊能夠被動(dòng)的隨驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊沿驅(qū)動(dòng)軸（X軸）運(yùn)動(dòng)，而在檢測(cè)軸（Y軸）方向，檢測(cè)質(zhì)量塊則能在哥氏力的作用下自由運(yùn)動(dòng)。所以檢測(cè)質(zhì)量塊會(huì)有兩個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是隨驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊沿X軸的受限被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是由哥氏力牽引著在Y軸的自由運(yùn)動(dòng)。4（4’）和5（5’）分別是驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極。[2]
根據(jù)式1，哥氏力產(chǎn)生的加速度為a(t)=2ΩZ×。振動(dòng)速度為已知量，如果得到檢測(cè)質(zhì)量塊上的哥氏力加速度a(t)，然后結(jié)合振動(dòng)速度進(jìn)行同步解調(diào)，就可以檢測(cè)出XY坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度。這就是微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的基本工作過(guò)程。由于加速度的檢測(cè)方法較為簡(jiǎn)單，而保持一個(gè)振幅和頻率都恒定的振動(dòng)速度卻比較困難，所以振動(dòng)速度χ(t)對(duì)角速度的檢出起著關(guān)鍵作用。下面就LY530AL中振動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制部分做一討論。
檢測(cè)質(zhì)量塊的位移方程為：
（2）
對(duì)式2求導(dǎo)可得振動(dòng)速度方程：
（3）
圖3, 驅(qū)動(dòng)電路雙閉環(huán)控制。
因此，維持了恒定的陀螺儀振幅χo，就能使振動(dòng)的速度的χ(t)幅值χ0wd恒定。再根據(jù)式1可知，只要保持振動(dòng)速度χ(t)的幅值恒定就能使哥氏力加速度與輸入角速率Ω成線性變化關(guān)系。因此，檢測(cè)質(zhì)量塊的振動(dòng)頻率和振幅直接決定陀螺儀的檢測(cè)精度。檢測(cè)質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是維持微機(jī)械陀螺振蕩時(shí)恒定的幅值，即恒幅振蕩。在早期的微機(jī)械陀螺儀中，驅(qū)動(dòng)電路采用開(kāi)環(huán)控制的方式，由外部的振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部質(zhì)量塊的振動(dòng)，此時(shí)的振幅往往會(huì)隨溫度的變化而變化，導(dǎo)致了振幅的不可控性，從而影響了微機(jī)械陀螺儀的檢測(cè)精度的一致性。為此，后續(xù)的微機(jī)械陀螺儀中集成一個(gè)溫度傳感器，但是這樣的解決方法非常受限，主要是因?yàn)檎穹c溫度變化之間的非線性，增加了校正的難度。
為解決上述問(wèn)題，使驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊做一個(gè)頻率可控和幅度恒定的振動(dòng)， LY530AL中驅(qū)動(dòng)電路采用了雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，并且采取離散的自動(dòng)增益控制方式，如圖3所示。在LY530AL的驅(qū)動(dòng)微機(jī)械的結(jié)構(gòu)中，制作兩種梳狀電極：靜電力驅(qū)動(dòng)電極和振動(dòng)速度檢測(cè)電極，兩個(gè)電極獨(dú)立工作。靜電力驅(qū)動(dòng)電極用來(lái)產(chǎn)生靜電力驅(qū)動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量塊，控制內(nèi)環(huán)通過(guò)該電極產(chǎn)生靜電力驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊進(jìn)行恒頻振動(dòng)，但是只在內(nèi)環(huán)的控制下，振幅是可以預(yù)知，但是不可控。為此，在內(nèi)環(huán)路中引入了一個(gè)可變?cè)鲆?font color="#cb4bfc">放大器（VGA）。振動(dòng)速度檢測(cè)電極測(cè)量質(zhì)量塊的峰值速度x(t)來(lái)獲得振蕩的幅度，經(jīng)過(guò)跨阻放大器放大和PID校正后，控制可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA），從而達(dá)到控制振幅的目的。并且為了后續(xù)的解調(diào)，鎖相環(huán)（PLL）用來(lái)鎖定跨阻放大器的輸出端，產(chǎn)生一個(gè)用于解調(diào)的同步系統(tǒng)時(shí)鐘CLKDEM。
圖4，檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)
由式1可知，所要檢測(cè)的角速度ΩZ是調(diào)制在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊振動(dòng)速度上的，因此在檢測(cè)電路中需要采取與驅(qū)動(dòng)電路同步的解調(diào)方式。對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊在檢測(cè)軸上的運(yùn)動(dòng)采用了全差分開(kāi)環(huán)的架構(gòu)，如圖4所示。齒狀差分電容對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)被電荷放大器放大后，和CLKDEM一起送入混合器中進(jìn)行雙邊帶抑制載波解調(diào)，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻信號(hào)，送入ADC或者直接輸出，這樣就得到了所要的角速度值。
實(shí)踐證明，上述的驅(qū)動(dòng)環(huán)路能夠驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊產(chǎn)生一個(gè)可控的振動(dòng)頻率和振幅，較好地解決了溫度或者其它制作缺陷對(duì)檢測(cè)振幅的影響，顯著提高其檢測(cè)精度。在-40°C到85°C的溫度范圍內(nèi)，LPR530AL的靈敏度控制在4%之內(nèi)，零角速度輸出只有5°/s。并且具有較快的啟動(dòng)速度和較短自恢復(fù)時(shí)間。
微機(jī)械陀螺儀的性能參數(shù)及應(yīng)用
微機(jī)械陀螺儀的重要參數(shù)包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出、靈敏度（Sensitivity）和測(cè)量范圍，這些參數(shù)是評(píng)判微機(jī)械陀螺儀性能的重要標(biāo)志，同時(shí)也決定了該陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境。分辨率是指陀螺儀能夠檢測(cè)的最小的角速度，該參數(shù)和零角速度輸出其實(shí)是由陀螺儀的白噪聲決定，白噪聲一般用°/s/√Hz來(lái)表征，LY530AL的白噪聲只有：0.1°/s/√Hz。這三個(gè)參數(shù)著重說(shuō)明該陀螺的內(nèi)部性能和其抗干擾能力，而對(duì)使用者而言，靈敏度更有實(shí)際的意義，其單位是mV/°/s，由此用戶可選用適合的ADC來(lái)與之匹配。測(cè)量范圍是指陀螺儀能夠測(cè)量的最大的角速度，單位是°/s，不同的應(yīng)用對(duì)陀螺儀的測(cè)量范圍有不同的要求，LY530AL的測(cè)量范圍是±300°/s，能夠適合大多數(shù)的應(yīng)用。
圖5, LY530AL典型應(yīng)用電路圖
LY530AL典型應(yīng)用電路如圖5所示，它提供兩種接口：模擬或者數(shù)字接口（I2C/SPI），可以通過(guò)管腳5來(lái)選擇所希望的接口方式。在上文中已經(jīng)提到，LY530AL需要一個(gè)鎖相環(huán)來(lái)同步驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)兩部分電路，C1、C2和R1為鎖相環(huán)所需一個(gè)二階低通濾波器[4]。
如圖5中所示，LY530AL在模擬輸出端集成了兩個(gè)一階片上濾波器用來(lái)濾除高頻信號(hào)：開(kāi)關(guān)電容低通濾波器（截至頻率：400Hz）和一個(gè)有源濾波器。有源濾波器的電阻為180kΩ，已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，使用時(shí)需要外接電容CACT來(lái)設(shè)置截至頻率計(jì)算方法如式4。如果上述兩級(jí)低通還不能濾除高頻噪聲，LY530AL還支持外接ROPT和COPT構(gòu)成的低通濾波器。當(dāng)LY530AL與ADC之間走線較長(zhǎng)時(shí)，其中還可加入運(yùn)算放大器增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力來(lái)符合ADC對(duì)輸入信號(hào)的要求。
（4）
對(duì)于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時(shí)間。在使用其模擬接口時(shí)，LY530AL消耗電流典型值為：4.8mA，并還設(shè)置有一個(gè)PD管腳，控制其在待機(jī)時(shí)進(jìn)入掉電模式，在該模式下消耗電流小于1μA。由于微機(jī)械陀螺儀內(nèi)部有振蕩的微機(jī)械部分，LY530AL還設(shè)有自測(cè)的功能，能夠自行檢測(cè)其內(nèi)部的微機(jī)械部分是否正常。在使用模擬接口時(shí)，通過(guò)ST管腳來(lái)啟動(dòng)自測(cè)功能，這時(shí)芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜電力作用在微機(jī)械部分上，來(lái)模擬一定的哥氏力，輸出電壓也會(huì)隨之變化。如果電壓的變化值在一定的范圍之內(nèi)，說(shuō)明芯片內(nèi)部的微機(jī)械結(jié)構(gòu)工作正常。
圖6, STM32-Primer2外形圖
圖7，STM32-Primer2擴(kuò)展連接器接口
微機(jī)械陀螺儀在新型鼠標(biāo)或遙控器中的應(yīng)用
STM32-PRIMER2是STM最新的STM32開(kāi)發(fā)工具，如圖6所示，其配置了128×160像素的彩色觸摸屏顯示器、方向控制按鍵、USB接口、外部擴(kuò)展連接器、MEMS加速度傳感器等，通過(guò)內(nèi)置的開(kāi)源CircleOS軟件框架，用戶可以輕松地管理所有組件[6]。為支持更多的外設(shè)，STM32-PRIMER2提供了20針的擴(kuò)展連接器，其中包括一個(gè)UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口等，如圖7所示。 同時(shí)其采用了STM公司的高精度加速度傳感器LIS3LV02DL，加速度分辨率可達(dá)到1mg。為驗(yàn)證LY530AL的性能，通過(guò)STM32-PRIMER2的20針的擴(kuò)展連接器，構(gòu)建如圖8所示的測(cè)試系統(tǒng)。
圖8，LY530AL評(píng)估系統(tǒng)框圖
該評(píng)估系統(tǒng)無(wú)線通訊部分采用STM的藍(lán)牙收發(fā)模塊GS-BT2416C2通過(guò)UART接口和主處理器STM32F103VET6進(jìn)行通訊；采用了兩顆LY530AL分別檢測(cè)Yaw和Pitch上的轉(zhuǎn)動(dòng)，一顆水平放置，另一顆垂直主板放置，分別通過(guò)SPI接口和主處理器進(jìn)行通訊；三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來(lái)檢測(cè)遙控器在XYZ三個(gè)軸上的水平移動(dòng)，主處理器STM32F103VET6負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。
該評(píng)估系統(tǒng)經(jīng)藍(lán)牙與筆記本相連接進(jìn)行驗(yàn)證，其具有很好的靈敏度和響應(yīng)速度，在使用過(guò)程中不存在光標(biāo)漂移現(xiàn)象，完全可以取代傳統(tǒng)的鼠標(biāo)。再與機(jī)頂盒連接測(cè)試時(shí)，相較于現(xiàn)有復(fù)雜的多按鍵遙控器，具有更好的直觀性，只需要利用3至5個(gè)按鍵，就可以對(duì)選單目錄進(jìn)行操控。
結(jié)論
本文介紹意法半導(dǎo)體微機(jī)械陀螺儀LY530AL的基本工作原理和使用方法，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路采用雙閉環(huán)控制，有效解決溫度等因素對(duì)陀螺儀檢測(cè)精度的影響。討論了LY530AL的主要參數(shù)以及它們?cè)诓煌瑧?yīng)用中的注意事項(xiàng)，最后LY530AL陀螺儀結(jié)合STM32評(píng)估測(cè)試板STM32-PRIMER2，實(shí)現(xiàn)了新型遙控器和空中鼠標(biāo)，驗(yàn)證LY530AL的性能。 |
