CN101095055B - 低功率运动检测器 - Google Patents

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Abstract

提供一种能量高效的加速度测量系统。该系统包括：加速度计，响应于系统的加速度，用于提供具有量值的加速度计输出信号，该量值指示了加速度的至少一个分量。运动检测器响应于加速度计输出信号，并且只有在加速度计的量值达到阈值时才提供处理器中断信号。处理器响应于处理器中断信号以比运动检测器所能够达到的准确度更高的准确度但是以消耗比运动检测器所需功率更多的功率的方式来测量加速度。

Description

低功率运动检测器
技术领域
本发明涉及加速度计，并且更具体地涉及来自加速度计的信号的处理。
背景技术
加速度计被用来将重力引起或者运动引起的加速度转换成可以随后加以分析的电信号。加速度计被使用于广泛多样的应用中，这些应用包括汽车气囊和悬挂系统、计算机硬盘驱动、用于炸弹和导弹的爆炸系统以及机器振动监视器。加速度计在比如无线电话的便携设备中也是有用的，例如以便在设备充分地移动以指示有人已经拾起设备时使设备上电。比如无线电话的无线设备使用小型电池进行操作，因此对于无线设备的每个部件而言消耗尽可能少的功率是重要的，不仅包括加速度计而且包括用来评价来自加速度计的数据的电路。
最简单的加速度计仅能测量加速度矢量的一个分量，但是更复杂的加速度计被配备用来测量加速度的所有三个分量，在这种情况下加速度计称为3轴或者三轴加速度计。来自加速度计的输出信号可以是数字的，或者输出信号可以从模拟转换成数字。
多年来已经众所周知，典型的加速度计将包括附着于弹簧的“检测质量”(有时称为“地震质量”)，而输出信号然后将按照检测质量的位置来确定。这一产生输出信号的过程在可以是电势测定式或者电容式或者电感式的不同加速度计中以不同的方式来实现。近年来，已经开发例如完全不需要检测质量的其它类型的加速度计。由于微机电系统(MEMS)技术已经改进，所以加速度计的最小尺寸已经随着时间逐渐地变小。一些基于MEMS的加速度计甚至不需要任何移动部件。
必须处理来自加速度计的电输出信号以产生关于容纳加速度计的设备所经历的加速度的结论。根据典型的现有技术，来自三轴加速度计的数字输出信号将通过一种精细并且对能量要求很高的过程以完全的准确度来处理，该过程例如涉及到高通和低通滤波、抽选和校准的组合。如果此现有技术可以辅之以一种用于在需要较低准确度时使用的对能量要求较低的技术则将是很有用的。这在通常具有有限功率容量的便携无线设备中将是尤其有用的。
发明内容
本发明描述了一种用以实施运动检测器的方式，该检测器可以通过很高效地分析来自设备的三轴加速度计的信号来检测设备的加速度。一旦通过加速度计输出的能量高效的分析来检测此运动，就可以使用现有信号处理技术的完全准确度来量化加速度。换而言之，本发明将加速度计输出的分析大致分为两个部分：运动检测和运动量化。只有在运动检测的能量高效的过程已经指示了运动(例如加速度)已经达到某一阈值之后才执行运动量化的对能量要求很高的过程。
本发明在启动时自动地设置参考水平以便消除设备取向效应。本发明也自动地更新参考水平以便减少漂移问题。此外，本发明在比较之前涉及到采样求和以便消除较高频率的信号杂质。
因而，除绝对必要的情况之外没有主处理器活动，而仅当已经满足先前建立的移动检测标准时才将数据发送到主处理器。本发明的主要目的在于使主处理器减轻重复任务，以及在于以功率高效的方式局部地处理传感器输入和变换器输出，同时仅当有必要时才中断主处理器。
附图说明
图1示出了包括低功率运动检测器的系统。
图2示出了包括分析加速度所有三个分量的低功率运动检测器的系统的另一实施例。
图3示出了根据本发明实施例的方法。
图4示出了根据本发明实施例的低功率运动检测器。
图5示出了本发明的又一方法方面。
具体实施方式
本发明的运动检测器使用伴随有测量电子元件的加速度计已经生成的加速度数据。根据本发明的实施例，使用12位模拟到数字转换器(ADC)以及包括低通滤波、数个抽选级和校准算法的数字信号处理来获得完全准确度的加速度测量。具有1mg/lLSB的ADC用于±2g动态范围，而如果该动态范围改变则绝对分辨率相应地改变。该系统也包括用于利用最低可能的功率消耗来初始检测显著运动的运动检测器。只有运动检测器模式指示了已经达到运动阈值才会使用完全准确度模式。
在运动检测器模式下，较高水平的处理功能(例如使用应用处理器)可以保持于空闲状态直至有显著移动，这时就需要进一步处理。由此容纳加速度计的设备的处理器可以执行其它任务或者完全不执行任务，直至在加速度超过预定义限制时被运动检测器生成的信号所中断。
本发明的运动检测器有助于以数种不同方式节省功率。例如，系统处理器无需持续地监视移动，因此可以保持于空闲状态。另外在运动检测器模式过程中可以放松模拟和数字信号处理准确度要求，这就节省了附加功率。类似地可以放松模拟和数字信号处理数据速率(操作频率)要求，以便节省更多功率。在加速度计和处理器之间不需要连续的接口活动，这进一步节省了功率。
一旦检测到整个设备的移动，就可以将设备切换到完全准确度模式，并且可以唤醒应用处理器以进行移动的进一步分析或者作为对移动的响应而执行具体动作。
所述运动检测器的功能和性质具有数个重要方面。例如，针对每一轴将传入加速度数据求和到单个寄存器中。以这一方式求和的采样的数目是可编程的设置。当已经求和所编程数目的采样时，通过向左移位位矢量来对输出作除法，以便获得所选数目的采样的平均值。这一平均过程实施低通滤波功能，并且使运动检测器对较高频率的信号杂质不敏感。这一平均过程比需要乘法器的滤波器结构消耗明显更少的功率。
所述运动检测器的实施例的另一重要方面在于，当启用运动检测器时，自动地计算参考水平。这一功能的益处在于，当设置阈值水平时因而无需考虑不同信道上的偏移，并且也可以独立于设备取向和重力矢量来设置阈值水平。平均过程也用于这一参考水平计算(见先前对传入加速度数据平均过程的描述)。假设使用三轴加速度计，针对三轴中的各轴以这一方式计算参考水平。
所述运动检测器的实施例的又一重要方面在于可以自动地和周期性地更新参考水平，其中这一周期是可编程的参数。这一过程实施具有很低角频率(角频率是半功率点的频率，在该频率处滤波器传输它的峰值传输的一半)的高通滤波函数。这一过程也减少运动检测器对偏移漂移问题如温度漂移的敏感性。需要加速度计的复杂机器、机器人和无线设备在许多不同环境中运转，而那些加速度计因此需要在周围大气有变化，包括湿度、压力以及尤其是温度的变化时维持它们的精确度。也可以通过来自处理器的寄存器写操作来更新参考水平偏移。与上述传入加速度数据平均过程相组合，这一参考水平的自动更新以功率很高效的方式实施带通滤波功能。在不考虑重力方向的设备取向的情况下设置参考水平，并且因此极大地流水线化这些参考电平的设置，同时相应地减少了功率要求。
所述运动检测器的实施例的附加重要方面是独立地为各轴对阈值水平进行编程这一思想。这些阈值水平用于触发主处理器的中断，并且这些阈值水平参数确定绝对加速度水平与参考水平之间的差异以便触发中断。用于触发条件的公式如下：
|ax当前-ax参考|＞ax阈值。
|ay当前-ay参考|＞ay阈值。
|az当前-az参考|＞az阈值。
所述运动检测器的实施例的又一重要方面是可以针对不同轴上的单独中断条件对使用“AND”和“OR”逻辑运算符的不同组合进行编程以便以如下方式生成主处理器的中断，该方式可以根据整个设备被要求执行什么功能或者根据可以变化的其它因素来改变。例如可以通过为x轴设置两个参数、为y轴设置两个参数和为z轴设置两个参数对这些不同组合进行编程。可以启用/禁用每个轴以形成OR运算，或者需要/不需要每个轴以形成AND运算。如下组合是一些可能：
1.x(启用x，禁用y和z)
2.y(启用y，禁用x和z)
3.z(启用z，禁用x和y)
4.x和y(启用和需要x和y)
5.x和z(启用和需要x和z)
6.y和z(启用和需要y和z)
7.x和y和z(启用和需要x、y和z)
8.x或y(启用x和y，禁用z)
9.x或z(启用x和z，禁用y)
10.y或z(启用y和z，禁用x)
11.x或y或z(启用x和y和z)
因此，例如组合#1意味着只有x轴上的加速度分量才引起主处理器的中断，而其它两个分量不是这一中断判决中的因素。组合#4意味着无论加速度z分量如何，x分量和y分量都必须达到必要阈值才引起中断。组合#9意味着x分量或者z分量可以引起中断而y分量是不相关的。
上文列举的十一种可能组合不是仅有的可能。例如，可以使用这些条件的平方和。这将允许系统并且特别是中断条件以与至少一个轴坐标旋转共变的方式起作用。
如上所示，运动检测器可以触发作为水平敏感或者边缘敏感中断而使用的中断信号。当满足所限定的中断规则(即在所选一个或者多个轴上超过阈值)时设置这一中断。可以通过写入中断确认寄存器来清除中断。可以从寄存器接口读取关于超过哪些轴的加速度阈值的状态。
另外，所述运动检测器的实施例的一个重要方面在于，当将设备模式设置为运动检测器模式而不是完全准确度模式时，模拟前端、ADC转换器以及数字处理功能的分辨率和数据速率例如从12位减少到8位。这一方式可以实现相当多的功率节省，而当检测移动开始或者检测存在移动时无需优于8位的准确度。为了分析移动本身，接着可以将设备自动地切换到完全性能模式(即完全准确度模式)。
另外，所述运动检测器的实施例的一个重要方面在于，当运动检测器处于“关闭”或者“空闲”状态时关断(gate off)时钟信号。当没有新数据要由运动检测器处理时也关断时钟。这造成了实现极低功率操作的仅几kHz的有效时钟速率。当设备处于完全准确度模式时或者当加速度计没有提供显著输出信号时或者在其它相似处境下运动检测器可以处于“关闭”或者“空闲”状态。
本发明的运动检测器可以例如用来实施简单的计步器。对于每一步，如果正确地设置阈值则会有超过阈值的加速度。这一加速度事件将触发处理器的中断以便可能在图形用户接口中更新计步器值。在另一情况下，连接到运动检测器的硬件可以自身计算这些步而不中断处理器，并且处理器在需要时读取步计数。
现在参照附图，图1示出了包括产生加速度计输出信号110的电容式加速度计105的系统100。低功率运动检测器115接收和分析加速度计输出信号110，而如果运动检测器确定显著加速度是存在的或者可能存在，则运动检测器将处理器中断信号120发送到处于空闲状态或者在执行其它任务的处理器125。如果处理器125至少基于以更大的准确度分析低功率运动检测器115所分析的相同数据而同意显著加速度是存在的或者可能存在，则处理器125将输出查询信号130发送到加速度计105以便寻找来自加速度计的更多输出，而加速度计然后在查询的输出信号135中将那一更多输出提供给处理器。处理器然后能够更完全和准确地分析加速度计输出数据和/或确定需要响应于加速度计输出数据而采取的动作。
然而应当注意，即使达到(或者可能已经达到)显著加速度的阈值，有时候仍会希望避免处理器125的更具体分析。一个例子是如下应用，该应用用于通过简单地对使用位于用户腕部的加速度计105以及低功率运动检测器105而测量的超过阈值(例如100gm)的次数(或者速率)进行计数来观察用户的活动程度。
参照图2，该图以比图1中更多一些的细节示出了根据本发明又一实施例的系统200。电容式加速度计205提供输出210，该输出包括用于各坐标轴的输出。该输出被提供给传感器接口和信号处理ASIC 215。这一集成电路215包括具有用以将电容转换成电压(C到V)的能力的前端220，而这一电压被提供给ADC 225。注意到可以使用其它类型的加速度计而不是电容式加速度计，而一些可选加速度计是电势测定式和电感式加速度计。所得数字信号230被馈送到低功率运动检测器115，该检测器分析那一数据并且将中断信号240提供给应用处理器245和完全准确度数字信号处理器250。处理器250然后接收进一步数字化的加速度计输出255以供滤波、抽选和校准以便更完全地分析加速度计输出。处理器250然后能够经由总线接口260提供指令等给应用处理器245，使得应用处理器可以响应于检测和量化的加速度采取适当的动作。
图3示出了根据本发明一个实施例的简化方法300。例如当设备被再充电时或者当设备中的单元没有检测到任何加速度时，启用(305)位于设备内的低功率运动检测器。然后为三个坐标轴中的各轴设置(310)参考水平，其中坐标轴对应于设备的轴而非环境的固定轴。设置参考水平可以涉及到例如针对偏移误差来调节加速度测量，这些偏移误差是比如温度、空气压力、湿度这样的因素以及甚至在测量加速度之前可以考虑到的其它因素所造成的。对三个轴中各轴的加速度计数据进行平均(315)，这是一种不突出测量误差的简单和功率高效的方式。自动地和周期性地更新(320)一个或者多个参考水平以补偿变化的环境条件。如果平均加速度减去参考电平超过阈值则提供(325)处理器中断信号，使得处理器然后可以用通常的完全准确度来监视加速度和/或响应于加速度的检测来采取动作。
图4描绘了根据本发明一个实施例的低功率运动检测器115的实施例。X轴加速度计数据405被馈送到x轴求和寄存器410，并且类似地，y轴数据415和z轴数据420被分别地馈送到y轴求和寄存器425和z轴求和寄存器430。这三个寄存器各自也从保持对各种求和的计数的采样计数器435和信道计数器440接收输入。求和寄存器将求和的平均提供给相应偏移和比较单元445。偏移和比较单元445应用至少一个参考水平寄存器450所提供的偏移，并且比较那一结果与由至少一个配置和控制寄存器455提供给偏移和比较单元445的至少一个阈值。参考水平寄存器450被配置用以从控制参考水平更新过程的机器460接受更新。偏移和比较单元445将它们的偏移和比较结果提供给将应用组合的屏蔽和组合单元465，该组合比如是上文列举的组合1-11。如果那一组合的结果是检测到显著加速度，则中断单元470负责向运动检测器115以外的部件告警。
图5示出了根据本发明实施例的方法500。起初关闭(505)运动检测器。在开启时运动检测器进入运动检测器模式(510)，并且设置(515)参考水平，使得适当地偏移来自加速度计的数据以补偿加速度计操作于其中的可变环境条件。如果没有来自加速度计的显著数据(例如由于加速度计数据没有随时间显著地改变)，则运动检测器转向空闲模式并且可以最终地回复到“关闭”模式(505)。然而，如果运动检测器确实从加速度计接收到显著数据，则运动检测器更新(520)加速度数据的求和，比较(525)那一偏移求和与阈值，并且如果比较525的结果是肯定的(即如果超过阈值)则激活(540)中断。该中断使运动检测器回到(545)空闲状态，因为另一单元(例如完全准确度信号处理器)将变得负责分析加速度计数据而不是运动检测器执行那一分析。不仅在启动运动检测器时而且在已经过去指定时间之后自动地和周期性地对参考水平进行重置(515)，或者可以用寄存器写来强制进行这一重置515。在可接受非活动的时段过程中，比如当在已经检测到运动并且已经发送中断信号到处理器之后运动检测器被置于空闲或者关闭时，时钟选通控制540控制加速度测量系统某些区域的空闲或者关闭。
将理解到所有当前附图和对最佳实施例的附带叙述讨论并不旨在于完全地严格对待所考虑的方法。系统和装置。本领域技术人员将理解到本发明的步骤和信号代表了不排除各种类型的中间交互的一般因果关系，并且还将理解到可以通过在这里无需进一步详述的硬件和软件的各种不同组合来实施在本申请中描述的各种步骤和结构。

Claims (11)

1.一种加速度测量系统，包括：
用于响应于所述系统的加速度提供具有量值的加速度计输出信号的加速度计，所述量值指示了所述加速度的至少一个分量；
用于响应于所述加速度计输出信号在所述量值达到阈值的情况下提供中断信号的运动检测器；以及
用于响应于所述中断信号以比所述运动检测器所能够达到的准确度更高的准确度来测量加速度的处理器，
其中所述中断信号用于中断所述处理器的功率节省状态，以及用于开始所述运动检测器的功率节省状态，并且
其中所述处理器仅当所述中断信号已经中断所述处理器时才响应于所述加速度计输出信号。
2.根据权利要求1所述的系统，
其中所述中断信号标记从运动检测器模式到完全准确度模式的改变，
其中在所述完全准确度模式期间，所述处理器被配置为利用包括低通滤波、多个抽选级和校准算法的数字信号处理，以及
其中所述运动检测器模式比所述完全准确度模式消耗更少能量。
3.根据权利要求1所述的系统，
其中所述系统还包括用于将所述加速度计输出信号从模拟转换成数字的转换器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器还被配置为只有所述处理器已经接收到所述处理器中断信号的情况下才执行对所述加速度的响应。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统容纳于也包括移动通信终端的便携设备中。
6.一种加速度测量方法，包括：
响应于加速度向运动检测器提供具有量值的加速度计输出信号， 所述量值指示了所述加速度的至少一个分量；
响应于所述加速度计输出信号在所述量值达到阈值的情况下提供处理器中断信号；以及
响应于所述处理器中断信号以比运动检测器所能够达到的准确度更高的准确度来测量加速度；
其中所述处理器中断信号用于中断处理器的功率节省状态，以及用于开始所述运动检测器的功率节省状态，以及
其中所述处理器只有在所述处理器中断信号已经中断所述处理器的情况下才响应于所述加速度计输出信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述以较高准确度对所述加速度进行测量利用低通滤波、多个抽选级和校准算法。
8.一种加速度测量装置，包括：
运动检测器，被配置为接收具有量值的加速度计输出信号，所述量值指示了所述加速度的至少一个分量；以及
中断单元，被配置为在所述量值达到阈值的情况下提供处理器中断信号，所述处理器中断信号使得处理器以比运动检测器所能够达到的准确度更高的准确度来测量加速度；
其中所述装置被配置为在所述量值达到所述阈值的情况下进入功率节省状态，以及
其中所述处理器中断信号用于使得所述处理器响应于所述加速度计输出信号。
9.根据权利要求8的装置，还包括：所述加速度计、所述处理器。
10.根据权利要求8的装置，还包括：
至少一个参考水平寄存器，被配置为为各轴设置和周期性地更新参考水平，
用于各坐标轴的求和寄存器，被配置为对从所述加速度计获得的加速度数据进行平均以产生平均加速度， 
偏移和比较单元，被配置为使用所述参考水平来偏移所述平均加速度，用于提供偏移加速度，以及用于比较所述偏移加速度与所述阈值，
中断单元，被配置为如果达到所述阈值则提供所述处理器中断信号。
11.根据权利要求10所述的装置，
其中使用所述求和寄存器以取代乘法器，
其中与设备取向和重力方向相独立地设置和更新所述参考水平，以及
其中以足以补偿温度漂移的间隔来执行所述参考水平的所述更新。 
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