【導讀】得益于手持設(shè)備等的強勁需求，預計2015年MEMS陀螺儀市場將達到11億美元。高性能及低成本等諸多優(yōu)勢使MEMS陀螺儀有望取代加速度計，成為移動MEMS和消費電子領(lǐng)域的盈利冠軍。而對于這位市場新寵，你又了解多少呢？
多軸MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)大幅縮小，單封裝集成數(shù)字接口，占板面積僅幾平方毫米，低廉的價格被大多數(shù)客戶接受，這些優(yōu)勢促使MEMS陀螺儀滲透到手持設(shè)備市場。MEMS陀螺儀讓便攜設(shè)備能夠增加很多令人驚喜的特色功能，其中包括提高相機性能的圖像穩(wěn)定功能；增加更多功能并提高易用性的用戶界面；令人興奮的游戲娛樂功能。MEMS陀螺儀還將用于需要高靈敏度、低噪聲、低漂移的航位推測和GPS輔助導航。
本文討論如何根據(jù)角速率和角位移測量結(jié)果，從一個MEMS陀螺儀快速獲取有價值的信息。 第一部分論述MEMS陀螺儀的工作原理和目標應用；第二部分介紹模擬輸出或數(shù)字輸出MEMS陀螺儀的主要參數(shù)；第三部分介紹MEMS陀螺儀的實用校準技巧；第四部分通過4個示例，從角位移的角度說明如何測試MEMS陀螺儀的性能。
一.MEMS陀螺儀技術(shù)概述
MEMS陀螺儀在高性能和低功耗方面取得了巨大的進步。這些器件可實現(xiàn)量產(chǎn)、價格低廉、尺寸緊湊，被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品中。
1. MEMS陀螺儀工作原理
MEMS陀螺儀利用科里奧效應測量運動物體的角速率，如圖1所示。
圖1：科里奧效應
根據(jù)科里奧效應，當一個物體(m)沿V方向運動且施加角旋轉(zhuǎn)速率Ω時，該物體將受到一個黃色箭頭方向的力。然后，從一個電容感應結(jié)構(gòu)可以測到科里奧效應最終產(chǎn)生的物理位移。
目前市面上的MEMS陀螺儀多數(shù)采用一種調(diào)音叉結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由兩個振動并不斷地做反向運動的物體組成，如圖2所示。當施加角速率時，每個物體上的科里奧效應產(chǎn)生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率Ω成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號；如果是數(shù)字陀螺儀，則轉(zhuǎn)換成最低有效位。
圖2：當施加角速率時
如果在兩個物體上施加線性加速度，這兩個物體則向同一方向運動。因此，不會檢測到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對傾斜、撞擊或振動等線性加速度不敏感。
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2.MEMS陀螺儀應用
下面是MEMS陀螺儀的目標應用：.
● MEMS陀螺儀能夠測量角速率。數(shù)碼相機使用陀螺儀檢測人手的旋轉(zhuǎn)運動，能夠?qū)D像起到穩(wěn)定的作用。在汽車上，偏航陀螺儀可以開啟電子穩(wěn)定控制（ESC）制動系統(tǒng)，防止汽車急轉(zhuǎn)彎時發(fā)生意外事故。當汽車出現(xiàn)翻滾狀況時，滾轉(zhuǎn)陀螺儀可以引爆安全氣囊。
● 當汽車導航系統(tǒng)無法接收GPS衛(wèi)星信號時，偏航陀螺儀能夠測量汽車的方位，使汽車始終沿電子地圖的規(guī)劃路線行駛，這個功能被稱之為航位推測系統(tǒng)。
● 偏航陀螺儀還能用于室內(nèi)機器人控制。
● 安裝在機器人四肢上的多路慣性測量單元(IMU)能夠跟蹤和監(jiān)測身體運動。
● IMU可用于空中鼠標。
● IMU還能用于運動控制式游戲平臺。
● IMU配合磁力計和GPS接收器，可以在手持設(shè)備上執(zhí)行個人導航功能。
二.理解MEMS陀螺儀的主要參數(shù)
● 電源（V）：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所需的直流電源電壓范圍。
● 電源電流 (mA)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀正常工作所消耗的電流大小。
● 睡眠模式電源電流 (mA)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀在睡眠模式下所消耗的電流大小。
● 關(guān)機模式下的電源電流(μA)：這個參數(shù)規(guī)定了當陀螺儀電源關(guān)閉時所消耗的電流大小。
● 全量程 (dps)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀的量程范圍。
● 零速率輸出值(電壓或最低效位)：這個參數(shù)規(guī)定了當陀螺儀沒有被施加角速率時的零速率輸出信號的數(shù)值。
● 靈敏度 (mV/dps或dps/LSB)：這個參數(shù)規(guī)定了在零速率輸出值時1 dps與模擬陀螺儀輸出電壓變化的關(guān)系，用mV/dps表示；數(shù)字陀螺儀的靈敏度(dps/LSB)表示1個最低有效位與dps的關(guān)系。
● 靈敏度變化與溫度關(guān)系(%/°C)：這個參數(shù)規(guī)定了當溫度偏離25℃室溫時，以℃為單位的靈敏度百分比變化。
● 零速率輸出值變化與溫度關(guān)系(dps/℃)：這個參數(shù)規(guī)定了當溫度偏離25℃室溫時，以℃為單位的零速率輸出值的變化。
● 非線性 (% FS)：這個參數(shù)規(guī)定了陀螺儀輸出與最佳匹配直線之間的最大誤差占全量程(FS) 的百分比。
● 系統(tǒng)帶寬(Hz):這個參數(shù)規(guī)定了角速率信號頻率范圍：從直流到模擬陀螺儀可測量的內(nèi)部帶寬（BW）。
● 速率噪聲密度 (dps/√Hz):這個參數(shù)規(guī)定了能夠從陀螺儀輸出以及BW參數(shù)獲得的模擬陀螺儀和數(shù)字陀螺儀的標準分辨率。
● 自測 (mV or dps)：這個功能可用于測試陀螺儀工作是否正常。這個功能的好處是在陀螺儀安裝到印刷電路板后無需旋轉(zhuǎn)印刷電路板即可測試陀螺儀。
三.MEMS陀螺儀校準
每個陀螺儀在出廠前都經(jīng)過嚴格的性能測試以及靈敏度和零速率輸出值校準。不過，當陀螺儀組裝到印刷電路板后，因為機械或電焊應力的影響， 零速率輸出值和靈敏度可能會略微偏離工廠校準調(diào)試值。對于游戲機和遙控器等應用，設(shè)計人員只要用數(shù)據(jù)表中的典型零速率和靈敏度參數(shù)，即可把陀螺儀的測量信號轉(zhuǎn)換成角速率。對于要求嚴格的應用，設(shè)計人員需要重新校準陀螺儀的零速率輸出值、靈敏度和以下重要參數(shù):
● 失準 (又稱跨軸靈敏度)
● 線性加速度靈敏度或g-靈敏度
● 長期運行偏差穩(wěn)定性
● 導通-導通偏差穩(wěn)定性
● 長時間工作后偏差和靈敏度漂移
1.消除零速率不穩(wěn)定性
公式1是陀螺儀輸出的表達式。
其中：
Rt (dps)是實際角速率
Rm(LSB)是陀螺儀的測量結(jié)果
R0 (LSB)是零速率輸出值
SC (dps/LSB)是靈敏度
為修正導通-導通偏差不穩(wěn)定性，在陀螺儀上電后，用戶可以采集50～100個輸出數(shù)據(jù)樣本，取這些樣本的平均值作導通零速率輸出值R0 ，假設(shè)該陀螺儀是靜止狀態(tài)。
因為溫度變化和測量噪聲，當陀螺儀是靜止狀態(tài)時，陀螺儀的每次讀數(shù)可能略有不同。設(shè)定一個閾值Rth ，如果陀螺儀測量值的絕對值小于閾值，則使陀螺儀的讀數(shù)歸零，如公式2所示。這個方法將消除零速率噪聲，當陀螺儀靜止時，角位移不會累加。
每當陀螺儀靜止時，用戶可以采集50～100個陀螺儀數(shù)據(jù)，然后取這些樣本的平均值作為零速率輸出值R0。這個方法可以消除零速率運行偏差和微小溫度變化。在零速率采樣后，必須從上面的幾步開始考慮不穩(wěn)定性，因此公式 (1) 變?yōu)椋?br />
因此，下一步就是利用一個參照系統(tǒng)確定公式3中的靈敏度SC的數(shù)值。
應該強調(diào)的是，MEMS陀螺儀的靈敏度非常穩(wěn)定，受工作時間和環(huán)境溫度的影響很小，僅上面提到的高靈敏度應用才需要校準過程。
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2.使用角速率測量臺確定靈敏度
因為陀螺儀能夠直接測量角速率，所以角速率測量臺是校準陀螺儀靈敏度的最佳參考標準。在一個精確角速率測量臺內(nèi)有一個內(nèi)嵌溫度單元。為了確保在校準陀螺儀過程中角速率測量臺不受環(huán)境振動的影響，角速率測量臺被置于一個振動隔離平臺之上。
把手持設(shè)備置于一個正方體的鋁盒或塑料盒內(nèi)，然后把整個系統(tǒng)安裝在角速率測量臺上進行校準。使角速率測量臺沿順時針和逆時針兩個不同方向旋轉(zhuǎn)。如果被校準的是多軸陀螺儀，把方正形測試盒置于角速率測量臺上的不同方位，然后重復上面的校準過程。收集完陀螺儀在不同狀況下的原始數(shù)據(jù)后，即可確定零速率輸出值、靈敏度、失準矩陣和g靈敏度值。
校準陀螺儀還可以選用步進電機旋轉(zhuǎn)測量臺，用一臺個人電腦控制步進電機旋轉(zhuǎn)測量臺。
3.使用數(shù)字羅盤確定靈敏度
如果沒有角速率測量臺，可以使用數(shù)字羅盤代替角速率測量臺。
在校準陀螺儀前，需要校準數(shù)字羅盤的傾斜度，然后將其置于周圍沒有干擾磁場的平臺上。合并在固定采樣間隔內(nèi)采集的數(shù)字羅盤相對方向信息和陀螺儀輸出數(shù)據(jù)，按公式4校準陀螺儀的靈敏度。
其中：
N：采樣數(shù)量
h：采樣間隔
H(1) ：電子羅盤初始方向
H(n)：羅盤在第n個樣本時的方向
SC (dps/LSB)：陀螺儀靈敏度
ΔR(i) ：在去除零速率輸出值和死區(qū)后，在第i個樣本的陀螺儀
輸出數(shù)據(jù)公式4可改寫為：
(5)其中：
因此， 我們可以從公式5得到利用最小平方方法計算的SC。
圖3描述了以度為單位的羅盤相對方向的變化，以及合并數(shù)據(jù)后的陀螺儀角位移。通過觀察圖3不難看出，羅盤相對方向變化（紅線）與陀螺儀位移（藍線）有非常好的線性關(guān)系。通過公式6，我們可以求得陀螺儀靈敏度校準參數(shù)。
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4.MEMS陀螺儀測試
在完成陀螺儀校準后，最后一步是測試陀螺儀的性能，了解如何從陀螺儀原始數(shù)據(jù)中獲取有價值的角位移信息。
測試1：當陀螺儀靜止時
圖3：羅盤相對方向和陀螺儀角位移
當陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)時，陀螺儀輸出原始數(shù)據(jù)應在零速率輸出值附近，且數(shù)據(jù)整合后陀螺儀方向應始終為0°。
測試2：當陀螺儀順時針整圈旋轉(zhuǎn)時
在采集30-～50個陀螺儀原始數(shù)據(jù)樣本以修正零速率輸出值偏差后， 使陀螺儀順時針旋轉(zhuǎn)90°，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，直到旋轉(zhuǎn)360°。見圖4。
圖4：整圈順時針旋轉(zhuǎn)的單軸陀螺儀
測試3：當陀螺儀逆時針整圈旋轉(zhuǎn)時
在采集30～50個陀螺儀原始數(shù)據(jù)樣本以修正零速率輸出值偏差后，使陀螺儀逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再旋轉(zhuǎn)90°，直到旋轉(zhuǎn)360°。這種情況下，每次旋轉(zhuǎn)90°時，角速率都不相同，但是陀螺儀方向測量精確歸零，誤差大約僅1.6°。
5.結(jié)論
隨著MEMS技術(shù)和制程的進步，MEMS陀螺儀的成本不斷降低，性能不斷提高，功耗越來越低，尺寸越來越小，能夠讓手持設(shè)備增加更多新功能。
MEMS陀螺儀是在特性測試和質(zhì)量檢測過程中完成校準。大多數(shù)應用沒有必要校準陀螺儀，不過，對于復雜的要求嚴格的應用（如導航和航位推測），在組裝到印刷電路板后投入量產(chǎn)前，需重新校準零速率輸出值和靈敏度。
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