ADI:为使用挑选最合适的MEMS加速度计——第二部分

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简介

为运用挑选最适宜的加快度计或许并不简略，由于来自不同制造商的数据手册或许截然不同，让人难以确认最为重要的技能方针是什么。在本文第二部分，咱们将从可穿戴设备、情况监控和物联网运用的视点要点评论各项要害技能方针和特性。

可穿戴设备

要害方针：低功耗、小尺度、旨在增强节能功用的集成特性以及可用性。

用于电池供电型可穿戴运用的加快度计的要害方针是超低功耗（一般为μA级），以保证尽量延伸电池寿数。其他要害方针是尺度和集成的特性，比方备用ADC通道和深度FIFO，其作用是增进终端运用的电源办理和功用性。由于这些原因，可穿戴运用中一般选用MEMS加快度计。表1所示为部分生命体征监测(VSM)运用及其在具体运用中的对应设置。用于可穿戴运用的加快度计一般能够对运动分类；检测自由落体；丈量运动是否存在以确认是使体系上电、关断仍是休眠；辅佐完结数据交融，供ECG和其他VSM丈量运用。相同的加快度计也用在无线传感器网络和物联网运用中，由于它们具有超低功耗的特性。

在为超低功耗运用挑选加快度计时，有必要在数据手册中标称的功耗水平下调查传感器的功用。要调查的一项要害方针是带宽和采样速率是否会降至无法丈量可用加快度数据的水平。有些竞赛产品经过每秒关断并唤醒的办法到达坚持低功耗的意图，但这样做会错失要害的加快度数据，由于有用采样速率下降了。为了丈量实时人体运动的规模，需求大幅进步功耗。ADXL362 和 ADXL363 不会经过欠采样混叠输入信号；它们选用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。功耗随采样速率动态改变，如图1所示。需求留意的是，这些器材可在功耗仅为3 μA的情况下，以最高400 Hz的速率进行采样。在可穿戴设备中，这些较高的数据速率可完结额定的功用，如单击/双击检测。采样速率可降至6 Hz，以便在被捡起时或许检测到运动时设备能发动，此刻的均匀功耗为270 nA。这也使ADXL362和ADXL363十分适宜植入式运用，由于在这种运用中电池替换十分困难。

在部分运用中，加快度计每秒只需轮询一次或几回加快度即可。关于此类运用，ADXL362和ADXL363供给了一种唤醒办法，功耗仅为270 nA。ADXL363集成了一个三轴MEMS加快度计、一个温度传感器（典型份额因子为0.065°C）和一个板载ADC输入（用于同步转化外部信号），选用小尺度、薄型(3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm)封装。加快度和温度数据可存储在512样本多模FIFO缓冲器中，答应保存的数据时长高达13秒。

ADI公司开发了一款仅供演示运用的VSM手表（如图2所示），旨在展现ADXL362等超低功耗器材在电池供电和空间受限运用中的潜力。

ADXL362用于追寻运动和记载运动，协助从其他丈量成果中消除搅扰伪像。

情况监控(CBM)

要害方针：低噪声、宽带宽、信号处理、g规模和低功耗。

CBM需求监控多项参数，比方机器振荡，其意图是发现和指示或许发作的毛病。CBM是预防性维护的一个重要组成部分，其技能一般用于驱动涡轮机、电扇、泵、电机等机械。CBM加快度计的要害方针是低噪声和宽带宽。在编撰本文之时，供给3.3 kHz以上带宽的MEMS加快度计的竞赛公司十分少，有些专业制造商供给的最高带宽为7 kHz。

跟着工业物联网的开展，业界越来越注重削减布线和运用无线、超低功耗技能。这使得MEMS加快度计在尺度、分量、功耗等方面领先于压电加快度计，而且有或许完结集成智能特性。CBM中最常用的传感器是压电加快度计，由于这类传感器具有杰出的线性度、SNR、高温作业功用和宽带宽（典型规模为3 Hz至30 kHz，有些情况下或许高达数百kHz）。但是，压电加快度计在DC规模下的功用欠佳（如图3所示），因此在较低频率至DC规模内或许会呈现很多毛病，尤其是在风力涡轮机和相似的低RPM运用中。压电传感器的机械性质使其难以像MEMS相同完结大批量出产，而且本钱更高，在接口和电源方面的灵活性也比较低。

MEMS电容式加快度计具有更高的集成度，功用也更为丰厚，支撑自检、峰值加快、频谱报警、FFT和数据存储，抗冲击功用高达10000 g，具有直流呼应才能，而且尺度更小、分量更轻。ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357具有超低的噪声和超卓的温度安稳性，十分适宜情况监控运用，但其带宽约束使其无法进行愈加深化的确诊剖析。但是，即使带宽规模有限，这些加快度计也能供给重要的丈量值；例如，在设备转速超低的风力涡轮机情况监控中。这种情况下，需求低至直流的呼应。

ADXL100x系列单轴加快度计针对工业情况监控运用而优化，丈量带宽高达50 kHz，g值规模高达±100 g，而且具有超低的噪声功用——因此在功用方面可与压电加快度计平起平坐。有关ADI MEMS电容式加快度计与压电加快度计的具体评论请参阅以下文章：MEMS加快度计功用已臻老练。

ADXL1001/ADXL1002的频率呼应如图4所示。旋转机械中发作的首要毛病（如套筒轴承损坏、对准差错、不平衡、冲突、松动、传动装置毛病、轴承磨损和空化）都在ADXL100x系列情况监控加快度计的丈量规模以内。

压电加快度计一般不集成智能特性，而MEMS电容式加快度计（如ADXL100x系列）则集成了超量程检测电路，当发作超越指定g值规模约2倍的严峻超量程事情时，该电路可报警。在智能丈量和监控体系的开发中，这项功用十分要害。ADXL100x运用某种内部时钟智能禁用机制来在继续发作超量程事情时维护传感器元件，比方，电机发作毛病时就会呈现情况。这种办法能够减轻主机处理器的担负，并能添加一个传感器节点的智能化程度——这两项都是情况监控和工业物联网解决方案的要害方针。

MEMS电容式加快度计在功用上现已获得巨大腾跃，因此，新的ADXL100x系列现已开端强力竞赛并夺得曾经由压电传感器主导的阵地。ADXL35x系列具有职业最佳的超低噪声功用，还能替代CBM运用中的传感器。新式CBM解决方案和办法现已开端与物联网架构相交融，构成更好的检测、衔接及存储与剖析体系。ADI公司的最新加快度计将为边际节点带来愈加智能的监控，协助工厂办理方完结彻底集成的振荡监控和剖析体系。

对这些MEMS加快度计构成进一步弥补的是第一代CBM子体系，即ADIS16227及ADIS16228半自主型全集成式宽带宽振荡剖析体系（如图5所示）；这两款产品具有很多特性，比方六频段可编程报警、2级报警和毛病界说设置、旨在削减误报的可调呼应推迟、带情况标志的内部自检等。频域处理包含针对各轴的512点、实数值FFT和FFT均值功用，后一功用可下降本底噪声改变，然后进步分辨率。 ADIS16227 和 ADIS16228全集成式振荡剖析体系能够缩短规划时刻，下降本钱，下降处理器要求，削减空间约束，使其成为CBM运用的抱负挑选。

物联网/无线传感器网络

要害方针：功耗、支撑智能节能和丈量的集成特性、小尺度、深度FIFO和适宜的带宽。

整个职业对物联网的远景都心知肚明。为了完结这种远景，将来几年需求布置数百万计的传感器。绝大多数这些传感器都会被安装在操作不方便或空间受限的方位（如房顶、街灯顶部、塔桅、桥梁、重型机械内等），以完结智能城市、智能农业、智能楼宇等概念。由于存在诸如此类约束，很或许一大部分这些传感器需求选用无线通讯和电池供电办法，也或许需求某种办法的能量搜集办法。

物联网运用的趋势是尽量削减以无线办法传输至云端或本地服务器进行存储和剖析的数据，由于现有办法需求很高的带宽而且本钱较高。经过在传感器节点进行智能处理，能够把无用数据与有用数据区分隔，削减传输很多数据的必要性，然后下降带宽和本钱要求。这就要求传感器具有智能特性，一起还要坚持超低的功耗水平。规范物联网信号链如图6所示。在网关以外，ADI公司可为各个模块供给解决方案。请留意，并非一切解决方案都需求无线衔接，关于很多运用来说，有线解决方案仍有必要，无论是RS-485接口，4 mA至20 mA，仍是工业以太网等。

使节点具有必定的智能之后，就能够经过信号链只传输有用的数据——节约电能和带宽。在CBM中，在传感器节点部分完结的处理量取决于多个要素，如机器的本钱和复杂性与情况监控体系的本钱。传输的数据从简略的超规模报警到数据流不尽相同。ISO10816等规范规则了相应的报警条件，当给定尺度的机器以特定RPM转速运行时，假如振荡速度超越预设阈值，机器就会输出报警信号。ISO 10816的意图是优化被测体系及其滚动轴承的有用寿数，因此需求削减传输的数据量，然后为在WSN架构中的布置供给更好的支撑。

关于用在ISO 10816运用中的加快度计，要求其g值规模为50g或以下并在低频下坚持低噪声，由于体系会周期性地把加快度数据整合起来，以构成以mm/sec rms为单位的单一速度点。当整合含有低频噪声的加快度计数据时，速度输出中的差错或许会线性增大。ISO规范规则的丈量规模为1 Hz至1 kHz，但用户都期望整合低至0.1 Hz的数据。传统上，在电荷耦合压电加快度计中，这遭到了低频高噪声水平的约束，但ADI下一代加快度计能使本底噪声最低坚持在直流水平，只受信号调度电子器材1/f的噪声转机频率的约束，经过仔细的规划可使该值降至0.01 Hz。MEMS加快度计既能够用在面向低本钱设备的经济型CBM运用中，也能够整合到嵌入式解决方案之中，由于与压电传感器比较，它们的尺度更小、本钱更低。

ADI公司广泛的加快度计产品是要求超低功耗的智能传感器节点的抱负挑选，其间集成多种特性，有助于延伸电池寿数、削减带宽用量并因此下降本钱。物联网传感器节点的部分要害方针有低功耗（ADXL362、ADXL363）和丰厚的特性调集，以完结能量办理和特定数据检测，如过阈值活动、谱线概括报警、峰值加快值和超长活动或非活动（ADXL372、ADXL375）。

在把加快数据存储在FIFO中并查看是否存在活动事情时，一切这些加快度计都能使整个体系处于关断情况。发作冲击事情时，事情发作前搜集的数据被冻结在FIFO中。假如没有FIFO，假如要在事情发作之前捕捉样本，就要求处理器接连采样并处理加快信号，成果会大幅缩短电池寿数。ADXL362和ADXL363 FIFO能够存储超越13秒的数据，因此能清楚展现活动触发之前发作的事情。不运用功率占空比，而是在一切数据速率下均选用全带宽架构，由此避免输入信号混叠，然后坚持超低功耗。

财物情况监控

要害方针：功耗、支撑智能节能和丈量的集成特性、小尺度、深度FIFO和适宜的带宽。

财物情况监控(AHM)一般指在必定时刻内对高价值财物进行监控，无论是在停止情况或仍是在运送途中。这些财物或许是船运集装箱里的货品、长途管道、布衣、兵士、高密度电池等，此类财物简略遭到碰击或冲击事情的影响。关于或许影响财物功用性或安全性的此类事情，物联网供给了一种抱负的陈述基础设施。关于AHM中运用的传感器，要害方针是能丈量与财物相关的高g 冲击及冲击事情并一起坚持超低功耗。当把这类传感器嵌入电池供电或便携式运用中时，要考虑的其他要害传感器方针包含尺度、过采样和旨在精确处理高频成分的抗混叠特性，还有各种智能特性，以经过添加主机处理器休眠时刻并答运用中止驱动算法检测和捕获冲击特性延伸电池寿数。

ADXL372微功耗型±200 g MEMS加快度计可满意新式财物情况监控商场对智能物联网边际节点的需求。该器材含有专门针对财物情况监控商场开发的多项独有特性，可简化体系规划，并在体系层次完结节能意图。高g事情（如冲击或碰击）一般与较宽频率下的加快度成分密切相关。要精确捕获这些事情，需求宽带宽，由于在带宽缺乏的条件下进行丈量会明显下降记载事情的起伏，导致过错。在数据手册中这是要特别留意的一项要害参数。有些器材达不到奈奎斯特采样速率规范的要求。ADXL375和ADXL372供给捕获整个冲击特性的选项，可用于进一步剖析而无需主机处理器干涉。运用冲击中止寄存器并结合加快度计的内部FIFO，可完结该功用。如图7所示，为了在触发事情之前确认冲击特性，有足够FIFO十分重要。假如FIFO缺乏，就无法记载和坚持冲击事情以供进一步剖析。

ADXL372的作业带宽可在超低功耗水平下到达3200 Hz。峻峭的滤波器滚降也有利于有用按捺带外成分，为此，ADXL372集成了一个四极低通抗混叠滤波器。假如没有抗混叠滤波，但凡频率超越输出数据速率一半的输入信号都会混叠进方针丈量带宽，导致丈量差错。该四极低通滤波器供给用户可选滤波器带宽，因此可为用户运用带来极大的灵活性。

凭借即时导通冲击检测特性，用户能够对ADXL372进行装备，使其能在超低功耗办法下捕获高于特定阈值的冲击事情。如图8所示，在发作冲击事情之后，加快度计会进入全丈量办法，以便精确地捕获冲击特性。

有些运用要求只记载来自冲击事情的峰值加快样本，由于此类样本自身就能供给足够的信息。ADXL372 FIFO能够为每个轴存储峰值加快样本。FIFO中能够存储的最长时长为1.28秒（400 Hz ODR条件下，512个单轴样本）。3200 Hz ODR条件下的170个3轴样本相当于一个50 ms的时刻窗口，足以捕获到典型的冲击波形。关于不要求完好事情特性的运用，经过只存储峰值加快信息，能够大幅添加FIFO读取操作之间的时刻，然后完结进一步节能。512个FIFO样本能够经过多种办法分配，包含下列办法：

• 并行3 轴数据的170 个样本集
• 并行2 轴数据的256 个样本集（用户可选）
• 单轴数据的512 个样本集
• 170 个冲击事情峰值集(x, y, z)

恰当运用FIFO，使主机处理器能在加快度计自主搜集数据时长时刻坚持休眠，能够下降体系级功耗。或许，运用FIFO搜集数据能够减轻主机处理器的负荷，使它能处理其他使命。

商场上还有其他几款具有相似高g功用的加快度计，但它们不适宜AHM/SHM物联网边际节点运用，由于它们的带宽较窄，功耗较高。在供给低功耗办法的情况下，无法进行精确丈量的一般都是低带宽。ADXL372真实完结了即用即忘的AHM/SHM施行办法，促进终究客户在可行的情况下重新考虑潜在财物类别。

定论

ADI公司供给面向多种运用的广泛加快度计产品，其间有些产品未在本文中要点评论，比方航位计算、AHRS、惯性丈量、轿车安稳和安全、医疗对准等。咱们的新一代MEMS电容式加快度计十分适宜要求低噪声、低功耗、高安稳性和温度安稳性的运用；具有低补偿的特性，而且集成很多智能特性，可提高体系全体功用并下降规划复杂度。ADI公司供给一切相关数据手册信息，旨在协助您为您的运用挑选最适宜的器材。以上列出的一切器材以及其他器材均可供评价和原型制造运用。更多信息，请拜访：analog.com/MEMS 。

参阅电路

Broeders, Jan-Hein. “从可穿戴设备过渡到医疗设备，”ADI公司，2017年。

Scannel, Bob. “嵌入式智能和通讯可完结牢靠且接连的振荡监控，”ADI公司，2015年。

Spence, Ed. “关于情况监控的MEMS加快度计您需求知道哪些，”ADI公司，2016年。