室内导航带来新商机，MEMS传感器加速系统融合
2012-09-11 20:14:38   来源：微迷   评论：0   点击：

作者：殷春燕

在智能手机性能配置全面提升的基础上，MEMS传感器进一步拓展出增强实境、定位服务、行人航位推算系统等先进功能。这些新的功能反过来又加速了MEMS传感器的系统融合趋势。

双核/四核处理器、多任务处理操作系统、高灵敏度GPS接收器、3G/4G无线通信、高像素摄像头、OLED/LCD触摸屏和大容量存储设备是当今智能手机的共同发展趋势，在此基础之上，MEMS传感器的用途也不再局限于简单的屏幕旋转、省电、运动检测、数字罗盘和游戏控制，而是进一步拓展出增强实境(AR)、定位服务(LBS)、行人航位推算系统(PDR)等更为复杂先进的功能。这些新的功能反过来又加速了MEMS传感器的系统融合趋势。

MEMS传感器助力实现室内精准定位

增强实境技术被视为下一个极富商业潜力的新兴应用，具体是指在一个实时显示的真实环境上叠加图形、声音和其它感知强化技术并使其具有互动性和可操纵性的功能或用户界面。比如，当一个人步入购物中心时，他可以通过手机上的3D地图查看所在位置和周边环境的各种信息，获取商家的实时促销信息、下载优惠券，同时还可以将自己的位置信息发送给他的朋友，实现更好的社交互动。

然而在过去的技术条件下，如何于室内环境随时随地获取精确且可靠的方位信息，使虚拟目标与真实世界的环境保持一致，是移动增强实境应用面临的主要挑战，因为在定位方面，尽管智能手机内置的GPS单元已经可以在户外完成不错的定位，但在室内却因为无法接收卫星定位信号而表现不佳，MEMS传感器则是协助GPS实现一体化导航系统、提供室内外定位服务的理想选择。

室内导航需要用到的MEMS传感器主要包括：加速计(检测步行人当前的状态是静止还是运动)、磁力计(可计算以地球北极为参考方向的绝对航向)、陀螺仪(可以连续提供从系统载体坐标到局部地球水平坐标的旋转矩阵)、压力传感器(在室内导航时，压力传感器可告诉你身处哪一楼层，辅助GPS计算高度；当GPS信号变弱时，辅助GPS提高定位精度)。

上述这些传感器大多数已存在于现有智能手机内。在中国，加速度计已经成为千元智能机的标配，1,000~2,500元左右的中端智能手机也都配备了磁力计，主要用于指南针测角度。陀螺仪的配比率还非常低，仅在少量国内高端机可见，比如魅族M9、小米2、OPPO Find、华为P1等，究其原因，主要和缺乏杀手级应用有关。

一个利好消息是，Google在今年第二季度宣布针对所有Android用户推出了支持室内导航的Google Maps，版本号为6.7，它可以帮助用户在错综复杂的建筑内也不会丢失方向，用户可以在其中查找到周边兴趣点的信息，包括商店优惠、餐厅半价特色菜品等，其商业价值不言而喻。受此影响，预计最快到明年，1,500元价位的手机都会配备磁力计，2,000元以上手机都会配备陀螺仪。

多轴方案优势明显

过往在低价智能机中，为了节省成本，普遍采用制程和良率更加成熟的分立式MEMS，但是如今MEMS器件的制造工艺已经显著提升，多轴MEMS不仅比组合方案的价格更加便宜，并且体积更小巧。

以飞思卡尔半导体最新一代Xtrinsic 6轴传感器FXOS8700CQ为例，该器件在一个封装内融合了加速计MMA845x和磁力计MAG3110，3mm×3mm×1.2mm的小型封装可以直接替换原MMA8452系列加速计，而无需做任何板上的设计改动。它的另一个优势是更强的抗干扰能力降低了系统设计难度。尽管PCB板含有扬声器和震动马达等永久磁铁，但FXOS8700CQ有较大的动态变化幅度——正负1,200μT，因此可以将其灵活地放置在PCB板的任何位置，而不怕磁力干扰。此外，对于有硬铁磁场干扰的平台，Xtrinsic 6轴传感器FXOS8700CQ还拥有嵌入式硬铁自校准功能，支持低功率硬铁偏移补偿，这也是业界唯一的软件校正算法。

看好增强实境、室内导航和其他需要高精度定位数据的位置服务等移动应用，消费类MEMS传感器鼻祖意法半导体(ST)更于今年第二季度率先推出全球首款包含9个自由度的传感器模块(3轴加速度计+3轴陀螺仪+3轴磁力计)，进一步扩大了其在传感器市场的技术领先优势。LSM333D今年年底投入量产，采用4mm×4mm×1mm封装(总体积16mm3)，该方案同样可以在不更改PCB设计的前提下替代意法半导体原来的分立式陀螺仪。

三合一方案还有一个更为重要的意义在于，不同传感器之间可以互为补偿。每一种MEMS传感器都有其天然的技术缺陷，例如磁力计容易受到环境磁场的干扰，而加速度/陀螺仪可以做磁力计的补偿，帮助磁力计校准；陀螺仪没有绝对参考点，但通过角速度推演角度，指南针恰好可以提供地磁参考点。

业界普遍认为9轴传感器会是未来热点。市场调研机构IHS iSuppli预测，到2015年手机和平板电脑9轴传感器融合技术的市场规模将超过13亿美元。业内人士也认为，明年下半年主流智能手机品牌厂商就会用到9轴传感器。相信在不远的将来还会有10轴(重力计+磁力计+陀螺仪+压力传感器)、11轴(增加温度传感器)、12轴(再增加光线传感器)的融合方案相继出现。据了解，ADI已经推出了十个自由度的单芯片，但目前主要用于偏航感知，而非消费类应用，12轴传感器方案则主要针对Windows 8操作系统开发。

软硬融合打造传感器系统

传感器是硬件，如何用软件将信号连接起来并进行处理以实现各种功能则是系统层面的考虑。2011年MEMS传感器软件市场快速成长，营收达3,000万美元。随着多自由度组合传感器(加速度计+陀螺仪+磁传感器+压力传感器……)的兴起，软件融合算法愈发重要，全球主流MEMS传感器供应商都在自行开发融合算法。

意法半导体于去年下半年推出名为iNEMO引擎传感器融合套件的传感器融合演算法，该公司表示，iNEMO引擎能结合其惯性模组，共同打造完整且可定制化的硬件/软件多轴MEMS传感器解决方案，以强化动作并准确辨识方位。

飞思卡尔也在今年为其电子罗盘推出Xtrinsic传感器融合软件。电子罗盘应用结合了磁力计提供的航向以及惯性传感器的校正数据，为偏离磁场进行补偿。另外，该公司为其MEMS传感器用户提供免费下载的传感器融合演算法。

业内人士认为，目前的融合算法各家各有所长，意法半导体的算法占用资源最少，性能反应平滑、实时、无延时，在快速运动状态下表现更好，而飞思卡尔磁力计驱动程序的公开性做得最好。

前面提到多轴方案有很多优点，但它也有其固有缺陷，那就是灵活性不高，不能根据客户的要求及时改版。为此，SPI公司提供了另一种思路：一种独立于硬件之外、完全以软件为主的传感器融合方案。这种基于程序代码的单一软件方案可在跨平台使用，它能够完全执行于应用处理器、传感器或整个系统上。其最显著的优势就是灵活性，可让系统设计者为每个传感器选用不同的供应商。

此外，SPI公司的FreeMotion软件库包含了一套专用演算法，能够关断耗电的传感器，如陀螺仪，并在用户动作缓慢时，以低功耗传感器的方式模拟其功能，为传感器降低约90%的功耗。

需要看到的是，由于MEMS结构自身的特点，每家供应商都采用自己独有的设计，即便同样是加速计，其信号处理算法也很可能大相径庭，如何把这么多不同的算法整合到一起，对SPI公司的确是一个不小的挑战。该思路是否确实可行，还有待市场的检验。

Sensor Hub促进多传感器与MCU融合

随着智能手机所采用的MEMS器件数量与种类的迅速增加，功耗上升等弊病也随之衍生。为此，多传感器融合算法被前移到MCU，大大降低CPU的使用率，以降低功耗。微软要求安装Windows 8操作系统的平板电脑与Ultrabook必须支持Sensor Hub功能，客观上促进了这一分化的加速。

飞思卡尔是全球最早提出传感器+MCU单芯片方案的公司，早在去年就推出了相应的产品。考虑到要接收大量MEMS传感器信号，该公司最新的加速计方案除了集成一颗32位MCU之外，还集成了16/128K字节Flash+RAM。据了解，该公司针对Windows 8 Ultrabook已开发出整合MEMS传感器、MCU、算法及参考设计的完整方案，并已供货给日本笔记本电脑大厂。

意法半导体拥有完整的MEMS传感器产品线，配搭自有的Cortex-M3通用型MCU，能完全涵盖Sensor Hub应用所需的全部功能。目前已经有笔记本电脑厂商Windows 8方案采用其9轴MEMS传感器，下一代9轴MEMS+MCU的更高集成度产品也即将在明年上半年问世。

在这一波市场机会面前，德州仪器、意法半导体和飞思卡尔等同时拥有MEMS传感器和MCU产品的厂商无疑将占据先导优势，并有望借高集成度单芯片方案拉高其他MEMS传感器业者进入Sensor Hub市场的门槛。