MEMS加速度计技术指标分析

为应用选择最合适的加速度计可能并不容易，由于不同制造商的数据手册的不同，其最为重要的技术指标也会大相径庭。在《传感器》三月刊上，我们从可穿戴设备与状态监控（CBN）的角度讨论了MEMS加速度计的技术应用。本期，我们将继续从物联网和资产状况监控的角度重点讨论各项关键技术指标和特性。

物联网/无线传感器网络

关键指标：功耗、支持智能节能和测量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽。

整个行业对物联网的前景都心知肚明。为了实现这种前景，将来几年需要部署数百万计的传感器。绝大多数这些传感器都会被安装在操作不便或空间受限的位置（如屋顶、街灯顶部、塔桅、桥梁、重型机械内等），以实现智能城市、智能农业、智能楼宇等概念。由于存在诸如此类限制，很可能一大部分这些传感器需要采用无线通信和电池供电方式，也可能需要某种形式的能量采集方式。

物联网应用的趋势是尽量减少以无线方式传输至云端或本地服务器进行存储和分析的数据，因为现有方法需要很高的带宽并且成本较高。通过在传感器节点进行智能处理，可以把无用数据与有用数据区分开，减少传输大量数据的必要性，从而降低带宽和成本要求。这就要求传感器具备智能特性，同时还要维持超低的功耗水平。标准物联网信号链如图1所示。在网关以外，ADI公司可为各个模块提供解决方案。请注意，并非所有解决方案都需要无线连接，对于众多应用来说，有线解决方案仍有必要，无论是RS-485接口，4 mA至20 mA，还是工业以太网等。

使节点具备一定的智能之后，就可以通过信号链只传输有用的数据——节省电能和带宽。在CBM中，在传感器节点局部完成的处理量取决于多个因素，如机器的成本和复杂性与状态监控系统的成本。传输的数据从简单的超范围报警到数据流不尽相同。ISO 10816等标准规定了相应的报警条件，当给定尺寸的机器以特定RPM转速运行时，如果振动速度超过预设阈值，机器就会输出报警信号。ISO 10816的目的是优化被测系统及其滚动轴承的有效寿命，因此需要减少传输的数据量，从而为在WSN架构中的部署提供更好的支持。

图1.ADI公司的边缘传感器节点解决方案。

对于用在ISO 10816应用中的加速度计，要求其g值范围为50g或以下并在低频下保持低噪声，因为系统会周期性地把加速度数据整合起来，以形成以mm/sec rms为单位的单一速度点。当整合含有低频噪声的加速度计数据时，速度输出中的误差可能会线性增大。ISO标准规定的测量范围为1 Hz至1 kHz，但用户都希望整合低至0.1 Hz的数据。传统上，在电荷耦合压电加速度计中，这受到了低频高噪声水平的限制，但ADI下一代加速度计能使本底噪声最低保持在直流水平，只受信号调理电子器件1/f的噪声转折频率的限制，通过细心的设计可使该值降至0.01 Hz。MEMS加速度计既可以用在面向低成本设备的经济型CBM应用中，也可以整合到嵌入式解决方案之中，因为与压电传感器相比，它们的尺寸更小、成本更低。

ADI公司广泛的加速度计产品是要求超低功耗的智能传感器节点的理想选择，其中集成多种特性，有助于延长电池寿命、减少带宽用量并因此降低成本。物联网传感器节点的部分关键指标有低功耗（ADXL362、ADXL363）和丰富的特性集合，以实现能量管理和特定数据检测，如过阈值活动、谱线轮廓报警、峰值加速值和超长活动或非活动（ADXL372、ADXL375）。

ADXL362的优势和特点：

● 超低功耗

● 可采用纽扣电池供电

● 1.8 μA（100 Hz ODR、电源2.0 V）

● 3.0 μA（400 Hz ODR、电源2.0 V）

● 270 nA运动激活唤醒模式

● 10 nA待机电流

● 高分辨率：1 mg/LSB

● 医疗植入式衍生选项

● 内置系统级节能功能包括：

● 运动激活的可调阈值休眠/唤醒模式

● 自主中断处理，无需微控制器干预，系统其余部分可以完全关断

● 深度嵌入式FIFO最大程度地减轻主机处理器负荷

● 唤醒状态输出支持实现独立的运动激活开关

● 噪声低至175 μg/√Hz

● 宽电源和I/O电压范围：1.6 V至3.5 V

● 采用1.8 V至3.3 V供电轨供电

● 通过外部触发器进行加速度采样同步

● 片内温度传感器

● SPI数字接口

● 可通过SPI命令选择测量范围

● 小尺寸、薄型(3mm×3.25mm ×1.06mm)封装

在把加速数据存储在FIFO中并检查是否存在活动事件时，所有这些加速度计都能使整个系统处于关断状态。发生冲击事件时，事件发生前收集的数据被冻结在FIFO中。如果没有FIFO，如果要在事件发生之前捕捉样本，就要求处理器连续采样并处理加速信号，结果会大幅缩短电池寿命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存储超过13秒的数据，因而能清楚展示活动触发之前发生的事件。不使用功率占空比，而是在所有数据速率下均采用全带宽架构，由此防止输入信号混叠，从而维持超低功耗。

资产状况监控

关键指标：

功耗、支持智能节能和测量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽。

图2.准确捕获冲击特性。

资产状况监控(AHM) 一般指在一定时间内对高价值资产进行监控，无论是在静止状态或还是在运输途中。这些资产可能是船运集装箱里的货物、远程管道、平民、战士、高密度电池等，此类资产容易受到撞击或冲击事件的影响。对于可能影响资产功能性或安全性的此类事件，物联网提供了一种理想的报告基础设施。对于AHM中使用的传感器，关键指标是能测量与资产相关的高g 冲击及冲击事件并同时保持超低功耗。当把这类传感器嵌入电池供电或便携式应用中时，要考虑的其他关键传感器指标包括尺寸、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，以通过增加主机处理器休眠时间并允许用中断驱动算法检测和捕获冲击特性延长电池寿命。

ADXL372微功耗型±200gMEMS加速度计可满足新兴资产状况监控市场对智能物联网边缘节点的需求。该器件含有专门针对资产状况监控市场开发的多项独有特性，可简化系统设计，并在系统层次实现节能目的。高g事件（如冲击或撞击）通常与较宽频率下的加速度成分密切相关。要准确捕获这些事件，需要宽带宽，因为在带宽不足的条件下进行测量会显著降低记录事件的幅度， 导致错误。在数据手册中这是要特别注意的一项关键参数。有些器件达不到奈奎斯特采样速率标准的要求。ADXL375和ADXL372提供捕获整个冲击特性的选项，可用于进一步分析而无需主机处理器干预。使用冲击中断寄存器并结合加速度计的内部FIFO，可实现该功能。如图2所示，为了在触发事件之前确定冲击特性，有充足FIFO非常重要。如果FIFO不足，就无法记录和维持冲击事件以供进一步分析。

ADXL372的工作带宽可在超低功耗水平下达到3200Hz。陡峭的滤波器滚降也有利于有效抑制带外成分，为此，ADXL372集成了一个四极低通抗混叠滤波器。如果没有抗混叠滤波，凡是频率超过输出数据速率一半的输入信号都会混叠进目标测量带宽，导致测量误差。该四极低通滤波器提供用户可选滤波器带宽，因而可为用户应用带来极大的灵活性。

图3.默认阈值下的即时导通模式。

借助即时导通冲击检测特性，用户可以对ADXL372进行配置，使其能在超低功耗模式下捕获高于特定阈值的冲击事件。如图3所示，在发生冲击事件之后，加速度计会进入全测量模式，以便准确地捕获冲击特性。

有些应用要求只记录来自冲击事件的峰值加速样本，因为此类样本本身就能提供充足的信息。ADXL372 FIFO可以为每个轴存储峰值加速样本。FIFO中可以存储的最长时长为1.28秒（400 HzODR条件下，512个单轴样本）。3200Hz ODR条件下的170个3轴样本相当于一个50 ms的时间窗口，足以捕获到典型的冲击波形。对于不要求完整事件特性的应用，通过只存储峰值加速信息，可以大幅增加FIFO读取操作之间的时间，从而实现进一步节能。512个FIFO样本可以通过多种方式分配，包括下列方式：

● 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个冲击事件峰值集(x, y, z)

适当使用FIFO，使主机处理器能在加速度计自主收集数据时长时间保持休眠，可以降低系统级功耗。或者，使用FIFO收集数据可以减轻主机处理器的负荷，使它能处理其他任务。

市场上还有其他几款具有类似高g性能的加速度计，但它们不适合AHM/SHM物联网边缘节点应用，因为它们的带宽较窄，功耗较高。在提供低功耗模式的情况下，无法进行准确测量的一般都是低带宽。ADXL372真正实现了即用即忘的AHM/SHM实施模式，促使最终客户在可行的情况下重新考虑潜在资产类别。

结论

ADI公司提供面向多种应用的广泛加速度计产品，其中有些产品未在本文中重点讨论，比如航位推算、AHRS、惯性测量、汽车稳定和安全、医疗对准等。而新一代MEMS电容式加速度计非常适合要求低噪声、低功耗、高稳定性和温度稳定性的应用；具有低补偿的特性，并且集成众多智能特性，可提升系统整体性能并降低设计复杂度。