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，其采用對稱雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，驅(qū)動質(zhì)量塊由靜電力驅(qū)動產(chǎn)生可控的運(yùn)動速度，而檢測質(zhì)量塊則由哥氏力推動運(yùn)動。振蕩驅(qū)動電路采用了雙閉環(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)可以用來檢測旋轉(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)部無需集成旋轉(zhuǎn)部件，而是通過一個由硅制成的振動的微機(jī)械部件來檢測角速度，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，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)械陀螺儀很快就會成為繼微機(jī)械加速計(jì)之后用于動作感測的另一重要元件。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，簡化了設(shè)計(jì)難度，可測角速率達(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軸做周期性振動或其他運(yùn)動時，并且XY坐標(biāo)系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，就會在該物體上產(chǎn)生一個沿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，它采用了對稱的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。滑塊1和1’是檢測質(zhì)量塊， 2和2’是驅(qū)動質(zhì)量塊，并且檢測質(zhì)量塊是附著在驅(qū)動質(zhì)量塊之上。受限于結(jié)構(gòu)件3，檢測質(zhì)量塊能夠被動的隨驅(qū)動質(zhì)量塊沿驅(qū)動軸（X軸）運(yùn)動，而在檢測軸（Y軸）方向，檢測質(zhì)量塊則能在哥氏力的作用下自由運(yùn)動。所以檢測質(zhì)量塊會有兩個軸向運(yùn)動，一個是隨驅(qū)動質(zhì)量塊沿X軸的受限被動運(yùn)動，另一個是由哥氏力牽引著在Y軸的自由運(yùn)動。4（4’）和5（5’）分別是驅(qū)動電極和檢測電極。[2]
根據(jù)式1，哥氏力產(chǎn)生的加速度為a(t)=2ΩZ×。振動速度為已知量，如果得到檢測質(zhì)量塊上的哥氏力加速度a(t)，然后結(jié)合振動速度進(jìn)行同步解調(diào)，就可以檢測出XY坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度。這就是微機(jī)械振動陀螺儀的基本工作過程。由于加速度的檢測方法較為簡單，而保持一個振幅和頻率都恒定的振動速度卻比較困難，所以振動速度χ(t)對角速度的檢出起著關(guān)鍵作用。下面就LY530AL中振動驅(qū)動控制部分做一討論。
檢測質(zhì)量塊的位移方程為：
（2）
對式2求導(dǎo)可得振動速度方程：
（3）
圖3, 驅(qū)動電路雙閉環(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，檢測質(zhì)量塊的振動頻率和振幅直接決定陀螺儀的檢測精度。檢測質(zhì)量塊的驅(qū)動電路的主要功能是維持微機(jī)械陀螺振蕩時恒定的幅值，即恒幅振蕩。在早期的微機(jī)械陀螺儀中，驅(qū)動電路采用開環(huán)控制的方式，由外部的振蕩器來驅(qū)動內(nèi)部質(zhì)量塊的振動，此時的振幅往往會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)械陀螺儀的檢測精度的一致性。為此，后續(xù)的微機(jī)械陀螺儀中集成一個溫度傳感器，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。
為解決上述問題，使驅(qū)動質(zhì)量塊做一個頻率可控和幅度恒定的振動， LY530AL中驅(qū)動電路采用了雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，并且采取離散的自動增益控制方式，如圖3所示。在LY530AL的驅(qū)動微機(jī)械的結(jié)構(gòu)中，制作兩種梳狀電極：靜電力驅(qū)動電極和振動速度檢測電極，兩個電極獨(dú)立工作。靜電力驅(qū)動電極用來產(chǎn)生靜電力驅(qū)動檢測質(zhì)量塊，控制內(nèi)環(huán)通過該電極產(chǎn)生靜電力驅(qū)動質(zhì)量塊進(jìn)行恒頻振動，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)路中引入了一個可變增益放大器（VGA）。振動速度檢測電極測量質(zhì)量塊的峰值速度x(t)來獲得振蕩的幅度，經(jīng)過跨阻放大器放大和PID校正后，控制可變增益放大器（VGA），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）用來鎖定跨阻放大器的輸出端，產(chǎn)生一個用于解調(diào)的同步系統(tǒng)時鐘CLKDEM。
圖4，檢測電路結(jié)構(gòu)
由式1可知，所要檢測的角速度ΩZ是調(diào)制在驅(qū)動質(zhì)量塊振動速度上的，因此在檢測電路中需要采取與驅(qū)動電路同步的解調(diào)方式。對于檢測質(zhì)量塊在檢測軸上的運(yùn)動采用了全差分開環(huán)的架構(gòu)，如圖4所示。齒狀差分電容對產(chǎn)生的信號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，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)動環(huán)路能夠驅(qū)動質(zhì)量塊產(chǎn)生一個可控的振動頻率和振幅，較好地解決了溫度或者其它制作缺陷對檢測振幅的影響，顯著提高其檢測精度。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速度和較短自恢復(fù)時間。
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）和測量范圍，這些參數(shù)是評判微機(jī)械陀螺儀性能的重要標(biāo)志，同時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來表征，LY530AL的白噪聲只有：0.1°/s/√Hz。這三個參數(shù)著重說明該陀螺的內(nèi)部性能和其抗干擾能力，而對使用者而言，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來與之匹配。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的最大的角速度，單位是°/s，不同的應(yīng)用對陀螺儀的測量范圍有不同的要求，LY530AL的測量范圍是±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），可以通過管腳5來選擇所希望的接口方式。在上文中已經(jīng)提到，LY530AL需要一個鎖相環(huán)來同步驅(qū)動和檢測兩部分電路，C1、C2和R1為鎖相環(huán)所需一個二階低通濾波器[4]。
如圖5中所示，LY530AL在模擬輸出端集成了兩個一階片上濾波器用來濾除高頻信號：開關(guān)電容低通濾波器（截至頻率：400Hz）和一個有源濾波器。有源濾波器的電阻為180kΩ，已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，使用時需要外接電容CACT來設(shè)置截至頻率計(jì)算方法如式4。如果上述兩級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之間走線較長時，其中還可加入運(yùn)算放大器增強(qiáng)其驅(qū)動能力來符合ADC對輸入信號的要求。
（4）
對于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時間。在使用其模擬接口時，LY530AL消耗電流典型值為：4.8mA，并還設(shè)置有一個PD管腳，控制其在待機(jī)時進(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)有自測的功能，能夠自行檢測其內(nèi)部的微機(jī)械部分是否正常。在使用模擬接口時，通過ST管腳來啟動自測功能，這時芯片內(nèi)部會產(chǎn)生一個靜電力作用在微機(jī)械部分上，來模擬一定的哥氏力，輸出電壓也會隨之變化。如果電壓的變化值在一定的范圍之內(nèi)，說明芯片內(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，通過內(nèi)置的開源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UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口等，如圖7所示。 同時其采用了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STM32-PRIMER2的20針的擴(kuò)展連接器，構(gòu)建如圖8所示的測試系統(tǒng)。
圖8，LY530AL評估系統(tǒng)框圖
該評估系統(tǒng)無線通訊部分采用STM的藍(lán)牙收發(fā)模塊GS-BT2416C2通過UART接口和主處理器STM32F103VET6進(jìn)行通訊；采用了兩顆LY530AL分別檢測Yaw和Pitch上的轉(zhuǎn)動，一顆水平放置，另一顆垂直主板放置，分別通過SPI接口和主處理器進(jìn)行通訊；三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來檢測遙控器在XYZ三個軸上的水平移動，主處理器STM32F103VET6負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。
該評估系統(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)頂盒連接測試時，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個按鍵，就可以對選單目錄進(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，通過對驅(qū)動電路采用雙閉環(huán)控制，有效解決溫度等因素對陀螺儀檢測精度的影響。討論了LY530AL的主要參數(shù)以及它們在不同應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，最后LY530AL陀螺儀結(jié)合STM32評估測試板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。 |
