CN107005242B - 用于mems传感器系统同步的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的多个不同方面包括用于对传感器数据采集和/或输出进行同步的系统和方法。例如，本公开的多个不同方面在MEMS传感器系统中达到所期望水平的定时准确度，即使在定时器漂移显著的实施方式中也是如此。

Description

用于MEMS传感器系统同步的系统和方法
安迪·米罗塔(Andy Milota)
詹姆斯·林(James Lim)
威廉·凯里·科尔(William Kerry Keal)
相关申请的交叉引用
[不适用]
联邦政府赞助的研究或开发
[不适用]
序号列示
[不适用]
微缩平片/版权引用
[不适用]
背景技术
传感器电路和/或系统可以包括用于传感器采样的内部定时器。在多种不同示例实施方式中，用于传感器采样的定时器可能包括不准确性，例如定时器漂移，这给同步带来挑战。通过将这种方法与在此申请的其余部分中参照附图而阐述的本公开内容进行比较，常规和传统方法的其他局限性和缺点对本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
图1示出根据本公开的多个不同方面的、包括传感器同步功能的示例电子设备的框图。
图2示出根据本公开的多个不同方面的示例传感器系统。
图3示出根据本公开的多个不同方面的示例同步场景的时序图。
图4示出根据本公开的多个不同方面的示例同步场景的时序图。
图5示出根据本公开的多个不同方面的示例传感器系统。
图6示出根据本公开的多个不同方面的示例传感器系统。
发明内容
本公开的多个不同方面包括用于对传感器数据采集和/或输出进行同步的系统和方法。例如，本公开的多个不同方面在MEMS(微机电系统)传感器系统中达到所期望水平的定时准确度，即使在定时器漂移显著的实施方式中也是如此。
具体实施方式
下文论述通过提供本公开的多种示例来阐述本公开的多个不同方面。此类示例是非限制性的，因此本公开的多个不同方面的范围不必局限于所提供的示例的任何具体特征。在下文论述中，“例如”和“如”和“示例性的”这些表达是非限制性的且一般与“通过举例而非限制的方式”、“例如且不限于”等同义。
下文论述有时可能采用“A和/或B”这种表达。这种表达应理解为意指仅A、或仅B、或A与B二者兼有。类似地，“A、B和/或C”这种表达应理解为意指仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C全部。
在论述特定硬件，包括根据软件指令操作的硬件执行的功能时，下文论述有时可能采用“可操作以用于”、“操作以用于”等表达。“操作以用于”、“可操作以用于”等表达包括“在启用时操作以用于”。例如，“操作以用于”、“可操作以用于”等表达包括了操作以用于执行特定操作，但仅在接收到启用此类操作的信号之后才执行的模块。
下文论述有时可能涉及多种系统或设备功能模块。应该理解，这些功能模块是为了说明清晰而选择的，并且不一定是为了另行提供单独的硬件和/或软件模块。例如，本文论述的任何一个或多个模块可以通过共享的硬件来实施，包括例如共享的处理器。又如，本文论述的任何一个或多个模块可以共享软件部分，包括例如子例行程序。再如，本文论述的任何一个或多个模块可以利用独立的专用硬件和/或软件来实施。相应地，除非明确声明，否则本公开的多个不同方面的范围不应受限于模块之间的任意界限。此外，应该理解，本文论述涉及执行功能的模块时，所述论述一般是指纯硬件模块的实施方式和/或根据软件进行操作的处理器。此类软件可以存储在例如非瞬态机器可读介质中。
本文论述的多个示例实施例将芯片限定为包括通常由半导体材料形成的至少一个衬底。单一芯片可以由例如多个衬底形成，其中所述衬底被机械地键合以便预留功能。多芯片(或多片)包括至少2个衬底，其中2个衬底是电连接的，但不需要机械键合。
封装体提供了芯片(或例如多芯片模块)上的键合焊盘与可以焊接至印刷电路板(或PCB)的金属导线之间的电连接。封装体通常包括衬底和封盖。集成电路(IC)衬底可以指具有电路(通常为CMOS电路)的硅衬底。MEMS衬底为(多个)MEMS结构提供机械支承。MEMS结构层附接至MEMS衬底。MEMS衬底也称为操作衬底或操作晶圆。在一些实施例中，操作衬底用作MEMS结构的盖帽。
在所描述的实施例中，并入传感器的电子设备可以例如采用运动跟踪模块，也称为运动处理单元(MPU)，除了电子电路之外，运动跟踪模块还包括至少一个传感器。至少一个传感器可以包括多种传感器的任一种，例如陀螺仪、罗盘、磁强计、加速度计、麦克风、压力传感器、接近传感器、湿度传感器、温度传感器、生物传感器或环境光传感器、以及本领域中公知的其他传感器。
一些实施例可以例如包括各自提供沿相对于彼此垂直的三个轴线的测量的加速度计、陀螺仪、和磁强计或其他罗盘技术，并可称为9轴设备。其他实施例可以包括，例如加速度计、陀螺仪、罗盘和压力传感器，并可称为10轴设备。其他实施例可以并非包括所有这些传感器或可以提供沿一个或多个轴线的测量。
这些传感器可以例如在第一衬底上形成。多种实施例可以例如包括固态传感器和/或任何其他类型的传感器。MPU中的电子电路可以例如接收来自所述一个或多个传感器的测量输出。在多种实施例中，电子电路处理传感器数据。电子电路可以例如实施在第二硅衬底上。在一些实施例中，第一衬底可以在单一半导体芯片中垂直地堆叠、附接或电连接至第二衬底，而在其他实施例中，第一衬底可以在单一半导体封装体中侧向布置并电连接至第二衬底。
在示例实施例中，如共同拥有的美国专利号7,104,129(其在此通过引用以其整体并入本文)所描述，第一衬底通过晶圆键合而附接至第二衬底，以便提供电连接的同时对MEMS设备进行气密密封。这种制作技术有利地实现了允许在非常小且经济的封装体中设计和制造高性能多轴惯性传感器的技术。晶圆级集成将寄生电容最小化，允许相对于分立解决方案的改善的信噪比。这种晶圆级集成还能够实施将外部放大需求最小化的富特征集的结合。
在描述的实施例中，原始数据指来自传感器的尚未处理的测量输出。运动数据指已处理的原始数据。处理可以例如包括应用传感器融合算法或应用任何其他算法。在传感器融合算法的情况中，可以将来自一个或多个传感器的数据进行组合和/或处理以提供设备的取向。在描述的实施例中，在诸多结构中，MPU可以包括处理器、存储器、控制逻辑和传感器。
在多种设备使用场景中，例如针对多种应用的设备使用场景中，一个或多个传感器采集传感器样本的定时可能是至关重要的。例如，在执行图像稳定化处理的场景中，将陀螺仪信息的采集与图像信息采集进行同步和/或获知定时差可能是有所助益的。一般来说，传感器电路和/或系统可以包括用于传感器采样的内部定时器。此类内部定时器的特征可以例如为体现在定时器不准确性(例如，定时器漂移)，这给同步带来挑战。
相应地，本公开的多个不同方面包括用于将传感器数据采集和/输出进行同步的系统和/或方法。例如，本公开的多个不同方面提供了用于主机(或其他电路)的系统和方法，在主机确定需要同步信号时所述主机将同步信号发送到传感器电路。又如，本公开的多个不同方面提出了已包括用于管控采样的内部时钟的传感器电路通过其来接收提供更准确同步的更高频率的外部时钟(例如系统时钟)的系统和方法。再如，本公开的多个不同方面提供了向传感器电路传送多个同步信号的系统和方法，传感器电路处理接收到的同步信号以确定定时调整，以便与期望的传感器数据采集和/或输出数据速率更加接近地相匹配。另如，本公开的多个不同方面提供了向传感器电路传送多个同步信号的系统和方法，传感电路将与所述多个同步信号各自相对应的相应内部定时器值传送到主机，主机则对传感器电路的传感器数据采集和/或输出数据速率的定时进行调整来与期望的速率更加接近地相匹配。
首先参考图1，此附图示出根据本公开的多个不同方面的、包括传感器同步能力的示例电子设备的框图。正如将理解的，设备100可以实施为设备或装置，如可被用户在空间上移动的且由此可以感测其在空间上的运动和/或取向的手持和/可穿戴设备。例如，此类手持设备可以是移动电话(例如，蜂窝电话、在本地网络上运行的电话、或任何其他电话手机)、有线电话(例如，通过电线和/或光系链连接的电话)，个人数字助理(PDA)，计步器，个人活动和/或健康监控设备，视频游戏播放器，视频游戏控制器，导航设备，移动上网设备(MID)，个人导航设备(PND)，数码照相机，数码摄像机，双筒望远镜，远摄镜头，便携式音乐、视频或媒体播放器，遥控器，或者其他手持设备；或这些设备的其中一种或多种的组合。
在一些实施例中，设备100可以是自完备型设备，所述自完备型设备除了输入设备外还包括其自有的显示器和/或其他输出设备，如下文所述。但是，在其他实施例中，设备100可以与能够通过例如网络连接与设备100通信的另一种便携设备或如桌面型计算机、电子桌面设备、服务器计算机等的非便携式设备结合来实现功能。设备100可以例如通过使用任何类型的有线通信协议的有线连接(例如，串行传输、并行传输、基于包的数据通信)、无线连接(例如，电磁辐射、红外线辐射或其他无线技术)、或一种或多种有线连接和一种或多种无线连接的组合来进行通信。
如图所示，示例设备100包括MPU 120、应用(或主机)处理器112、应用(或主机)存储器114，并可包括一个或多个传感器，如(多个)外部传感器116。应用处理器112(例如，主机处理器)可以例如用来执行设备100的一般功能所涉及的这些不同计算和操作(例如，为设备100运行应用、执行操作系统功能、执行电源管理功能、控制用户接口功能等)。主机处理器112可以例如通过通信接口118耦合到MPU 120，通信总线可以是任一合适的总线或接口，如外围组件快速互连(PCIe)总线、通用串行总线(USB)、通用异步接收器/发射器(UART)串行总线、合适的高级微控制器总线架构(AMBA)接口、集成电路间(I2C)总线、串行数字输入输出(SDIO)总线或其他等效物。应用存储器114可以包括程序、驱动程序或利用MPU 120所提供的信息的其他数据。可以在共同未决、共同拥有的美国专利申请序列号12/106,921(于2008年4月21日提交)中找到有关应用(或主机)处理器112和MPU 120的示例性合适配置的详情，所述专利申请通过引用以其整体并入本文。
在本示例实施例中，MPU 120如所示包括传感器处理器130、内部存储器140和一个或多个内部传感器150。内部传感器150可以例如包括，陀螺仪151、加速度计152、罗盘153(例如，磁强计)、压力传感器154、麦克风155、接近传感器156等)。虽未示出，但内部传感器150可以包括多种传感器中的任一种，例如，温度传感器、光传感器、湿度传感器、生物传感器、图像传感器等。内部传感器150可以例如实施成基于MEMS的运动传感器，其包括如陀螺仪或加速度计的惯性传感器或如霍尔效应或洛伦兹场磁强计的电磁传感器。内部传感器150的至少其中一部分还可以例如是基于MEMS技术以外的传感器技术(例如，CMOS技术等)。如所期望的，内部传感器150中的一者或多者可用于提供沿三个正交轴线或任何等效结构测得的原始数据输出。内部传感器114可以存储用于处理内部传感器150中的一者或多者所输出的数据的算法、例行程序或其他指令，包括传感器同步模块142和传感器融合模块144，如本文更详细描述的。如果提供，外部传感器116可以包括一个或多个传感器，如加速度计、陀螺仪、磁强计、压力传感器、麦克风、接近传感器、图像传感器、环境光传感器、生物传感器、温度传感器和湿度传感器等。如本文所用，内部传感器一般指使用例如MEMS技术来实施的、与MPU 120集成到单个芯片中的传感器。而如本文所用的外部传感器一般指设备100上板载而未集成到MPU 120中的传感器。
虽然本文中的多种实施例可能是在MPU 120中实施的内部传感器的环境中描述的，但这些技术可被应用于非集成的传感器，如外部传感器116；并且类似地，传感器同步模块142和/或传感器融合模块144可以使用任何可用存储器资源中、如应用存储器114中所存储的指令来实施，并且可以使用任何可用处理器，如应用(或主机)处理器112来执行。再者，传感器同步模块142执行的功能可以使用硬件、固件和软件的任何组合来实施。
正如将理解的，应用(或主机)处理器112和/或传感器处理器130可以是运行设备100的软件程序和/或与设备100的功能相关的其他应用的一个或多个微处理器、中央处理单元(CPU)、微控制器或其他处理器。例如，可以提供不同软件应用程序，如菜单导航软件、游戏、相机功能控制、导航软件和电话或者范围广泛的多种其他软件和功能接口。在一些实施例中，可以在单个设备100上提供多个不同应用，在这些实施例的其中一些实施例中，可以同时在设备100上运行多个应用。可以在如电子存储器的计算机可读介质或如硬盘、光盘、闪存等的其他存储介质上提供多个软件层，以用于与应用处理器112和传感器处理器130一起使用。例如，可以为设备100提供操作系统层以便实时控制和管理系统资源，启用应用软件和其他层的功能，以及将应用程序与设备100的其他软件和功能通过接口连接在一起。在多种示例实施例中，一个或多个运动算法层可以提供对从内部或外部传感器提供的原始传感器数据进行低级处理的运动算法。再者，传感器设备驱动程序层可以提供与设备100的硬件传感器的软件接口。可以在应用存储器114中提供这些层的其中一些或全部以供传感器112访问，在内部存储器140中提供这些层的其中一些或全部以供传感器处理器130访问，或在任何其他合适的架构(例如，包括分布式架构)中提供这些层的其中一些或全部。
在一些示例实施例中，将理解的是，可以提供图1所示的示例架构来用于使用MPU120执行的传感器同步，并且可能无需应用处理器112和/或应用存储器114的参与。此类示例实施例可以例如通过单个衬底上的一个或多个内部传感器150来实施。而且，如下文将描述的，可以使用具有计算效率的算法来实施这些传感器同步技术以减少处理开销和功耗。
正如本文所论述的，本公开的多个不同方面可以例如包括，处理指示设备取向和/或位置的多种传感器信号。此类信号的非限制性示例是指示世界坐标系中的加速度计、陀螺仪和/或罗盘取向的信号。
在示例实施方式中，加速度计、陀螺仪和/或罗盘电路可以输出指示设备取向的向量。此类向量最初可以例如表示在本体(或设备)坐标系中。此类向量可以通过例如基于传感器融合计算的转换功能来处理，转换功能将取向向量转换成世界坐标系。此类转换可以例如逐个传感器地执行和/或基于汇总向量来执行，汇总向量基于来自多个传感器的信号。
如本文所提到的，传感器同步模块142或其任何部分可以通过根据存储在内部存储器140中的软件指令(例如，传感器同步模块软件)运行的处理器(例如，传感器处理器130)来实施，或通过纯硬件解决方案(例如，板载于MPU 120上)来实施。又如，传感器同步模块142或其任何部分可以通过根据存储在应用存储器114中的软件指令运行的应用处理器112(或其他处理器)来实施，或通过(例如，板载于设备100上且位于MPU 120外部的)纯硬件解决方案来实施。
图2至图6的论述将提供至少传感器同步模块142的操作的进一步示例详情。应该理解的是，本文论述的功能模块中任何或全部功能模块均可以用纯硬件实施方式来实施和/或通过根据软件指令运行的一个或多个处理器来实施。还应理解的是，任何或全部软件指令均可存储在非瞬态计算机可读介质中。
接下来参考图2，此附图示出根据本公开的多个不同方面的示例传感器系统。示例传感器系统200可以例如用于同步手持设备(例如，移动电话、PDA、相机、便携式媒体播放器、游戏设备等)的传感器。但是，要注意，传感器系统200不局限于手持设备，例如可容易地应用于可穿戴设备(例如，手表、头带、臂环、带式安装的设备、眼镜、健身设备、健康监护设备等)以及其他设备。示例传感器系统200可以例如与图1所示及本文论述的示例设备100共有任何或全部特征。例如，传感器系统200或其任何部分可以利用图1中根据存储在内部存储器140中的传感器同步模块142中的软件指令运行的传感器处理器130来实施。又如，传感器系统200或其任何部分可以利用根据存储在应用存储器114中的软件指令运行的应用(或主机)处理器112来实施。
传感器系统200可以例如包括处理电路210，所述处理电路利用一个或多个传感器电路来获取多种感测的信息和/或据此导出的信息。处理电路210可以包括各种各样电路类型中任一种的特征。例如，处理电路210可以包括主机电路(例如，应用处理器、调制解调器应用处理器等)、微控制器单元(例如，传感器集线器等)、传感器处理器、图像传感器或图像处理器等中一者或多者。处理电路210可以例如与图1所示且在本文中论述的示例系统100的应用处理器112和/或传感器处理器130共有任何一个或全部特征。
传感器系统200可以例如包括处理电路210所利用的一个或多个传感器电路。在示例系统200中示出了两个示例传感器电路220和250，但是本公开的范围不受限于任何特定数量的传感器电路。传感器电路220和250可以例如包括一个或多个MEMS传感器和/或非MEMS传感器。传感器电路220和250可以例如与图1所示且在本文中论述的系统100的内部传感器150和/或外部传感器116共有任何或全部特征。
传感器电路220和250中的一者或多者可以例如包括单个电子封装体中的集成电路。传感器电路220和250中的一者或多者可以例如包括芯片组。又如，传感器电路220和250中的一者或多者可以包括较大的集成设备，例如片上系统、多裸片单封装体系统等的一部分。
传感器电路220和250中的一者或多者可以例如包括MEMS陀螺仪电路。又如，传感器电路220和250中的一者或多者可以包括集成的MEMS陀螺仪和加速度计电路(例如，在同一个裸片上和/或同一个封装体中)。再如，传感器电路220和250中的一者或多者可以包括集成的MEMS陀螺仪、加速度计和罗盘电路(例如，在同一个裸片上和/或同一个封装体中)。另如，传感器电路220和250中的一者或多者可以包括集成的MEMS陀螺仪、加速度计、罗盘和压力传感器电路(例如，在同一个裸片上和/或同一个封装体中)。又另如，传感器电路220和250中的一者或多者可以包括集成的MEMS陀螺仪、加速度计、罗盘、压力传感器和麦克风电路(例如，在同一个裸片上和/或同一个封装体中，在不同的封装体中等)。所述一个或多个传感器220和250还可以包括生物传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、接近传感器等(例如，在同一个裸片上和/或同一个封装体中，在不同的封装体中等)。
第一传感器电路220可以例如，包括RC振荡器模块222，通常利用所述RC振荡器模块来控制第一传感器电路220的感测定时、传感器数据处理和/或数据I/O活动。RC传感器模块222可以例如是相对低质量的、便宜的、且低功率的设备。例如，RC振荡器模块222可以特征为10K或更大ppm的稳定性。又如，RC振荡器模块222可以特征为5K或更大ppm的稳定性、20K或更大ppm的稳定性、100K或更大ppm的稳定性等。
RC振荡器模块222的输出信号可以例如直接地或通过复用电路223输入到快速时钟发生器模块224中，所述快速时钟发生器模块例如基于RC振荡器模块222的输出向第一传感器电路220的多个不同传感器处理模块提供时钟信号。例如，快速时钟发生器模块224可以向样本链模块226、输出数据速率(ODR)发生器模块228、输出数据存储模块230等提供时钟信号。复用电路223还可以接收外部时钟输入234的外部时钟信号。复用电路223可以例如在处理电路210和/或第一传感器电路220的控制下，选择是将在外部时钟输入234处接收的外部时钟信号还是将从RC振荡器模块222接收的时钟(或定时)信号提供给快速时钟发生器模块224。
第一传感器电路220还可以例如包括MEMS模拟模块225。MEMS模拟模块225可以例如包括MEMS传感器(例如，本文论述的MEMS传感器中任一个或其他MEMS传感器)的模拟部分。
第一传感器电路220还可以包括样本链模块226。样本链模块226可以例如对来自MEMS模拟模块225的一个或多个模拟信号输出进行采样，并且将这些样本转换成一个或多个相应数字值。在示例实施方式中，样本链模块226可以例如包括西格玛-德尔塔A/D转换器，所述转换器进行过采样并累计以例如输出16位数字值。
第一传感器电路220可以例如额外包括输出数据速率(ODR)发生器模块228，所述输出数据速率发生器模块例如以输出数据速率(ODR)将来自样本链模块226的数字传感器信息存储在输出数据存储模块230中。
第一传感器电路220还例如可以在例如输出数据存储器模块230(例如，其寄存器或寄存器组、通用存储器等)的输出处提供数据接口232，，处理电路210可以经由所述数据接口与第一传感器电路220通信。例如，处理电路210可以经数据总线接口212(例如，I2C接口、SPI接口等)在通信上耦合到第一传感器电路220。
虽然第一传感器电路220图示为具有单个的MEMS模拟模块225、样本链模块226、ODR发生器模块228以及输出数据存储模块230，但是呈现这样单个组的模块是为了说明清楚而非限制。例如，第一传感器电路220可以包括多个MEMS模拟模块，它们各自与相应的样本链模块、ODR发生器模块和/或输出数据存储模块相对应。
注意，第一传感器电路220还可以包括处理传感器信息以输出设备位置、取向等信息的一个或多个处理器。例如，输出到输出数据存储模块230的信息可以包括原始传感器数据、运动数据、经过滤的传感器数据、经多种坐标系之间转换的传感器数据、位置信息、取向信息、定时信息等。
第一传感器电路220可以例如包括同步信号输入234，所述同步信号输入从外部源接收同步信号，例如脉冲，并且将第一传感器电路220的输出数据速率(ODR)对准所接收的脉冲。脉冲可以例如，包括ODR_SYNC_IN脉冲。同步信号输入234可以例如耦合到第一传感器电路220内的ODR发生器模块228。同步信号输入234可以例如，从处理电路210(例如，从处理电路210的同步信号输出214)接收同步信号。
第二传感器电路250可以例如与本文论述的示例第一传感器电路220共有任何或全部特征。例如，与第一传感器电路220一样，第二传感器电路250可以包括RC振荡器模块252、复用器253、快速时钟发生器模块254、MEMS模拟模块255、样本链模块256、ODR发生器模块258、输出数据存储模块260、数据接口262、以及同步信号输入264。
图3示出根据本公开的多个不同方面的示例同步场景的时序图300。时序图300最上方的时间线，标记为“内部ODR”，表示传感器电路(例如，第一传感器电路220、第二传感器电路250、本文论述的任何传感器电路、通用传感器电路等)的内部输出数据速率(ODR)。内部ODR可以例如由ODR发生器模块228生成。虽然在理想情况下ODR可以以恒定周期出现，但实践中，ODR周期可能漂移。例如，如本文所解释的，振荡器模块(例如，RC振荡器模块222和252，或本文论述的任何振荡器模块)可能是以经济效率和/或功率效率优先于性能地构造的。此类振荡器漂移的示例可以在内部ODR脉冲之间不一致的时间间隔中见到，如图3中内部ODR时间线所示。
时序图300最下方的时间线，标记为“ODR同步”，表示同步信号(例如，从处理电路210的同步信号输出214中输出的ODR同步信号，本文论述的任何同步信号、通用同步信号等)。如图3所示，当第一同步脉冲310从例如处理电路210传送到传感器电路220时，使得内部ODR信号315移动以对准第一同步脉冲310。在稍后某个时间，当第二同步脉冲320从处理电路210传送到传感器电路220时，使得内部ODR信号325移动以对准第二同步脉冲。例如，虽然ODR发生器模块228按常规尚未准备捕获和存储来自样本链模块226的数据，但是第二同步脉冲320的到达可以强制ODR发生器模块228进行动作。此示例同步的发生标记为330，并且将在本文其他位置予以引述。
作为另一个示例，ODR发生器模块228通常可以尝试以目标周期T周期性地工作。在第一时间，ODR发生器模块228从样本链226获取第一传感器数据，并将所获取的第一传感器数据存储在输出数据存储模块230中。在正常操作下，ODR发生器模块228于是将等到第二时间，第二时间等于第一时间加目标周期T，并且然后获取并存储第二传感器数据。但是，因为RC振荡器模块222不完善，ODR发生器模块228可能滞后。接着所述示例，当接收到ODR同步信号时，ODR发生器模块228可以在ODR发生器模块228正常应已经完成获取并存储第二传感器数据之前通过即刻进行此操作来做出响应(尽管存在某种延迟，对此本文将进行论述)。
同步过程可以按需执行。例如，当开始执行其中多种传感器之间要求相对较高同步程度的应用时，处理电路210可以生成ODR同步信号，在同步信号输出214处输出此类信号。例如，在相机应用初始化时，图像传感器与陀螺仪之间的同步程度相对较高(例如，对于光学图像稳定性(OIS)或电子图像稳定性(EIS)操作来说)可能是有所获益的。处理电路210可以例如在相机应用(例如，在主机操作系统的指令下，在应用的指令下等)初始化时生成ODR同步信号。又如，在应用执行过程中可能出现对此类同步的需要，例如在所述应用将要执行需要相对较高同步程度的活动时。例如，当对相机应用触发聚焦按钮时，或在向相机应用提供指示将要拍摄照片的用户输入时，处理电路210可以生成ODR同步信号。
处理电路210可能偶发性地(例如，周期性地)按需执行同步过程，例如基于预定的重新同步速率。又如，知晓传感器电路220的内部ODR信号的稳定性(或漂移)和/或知晓所期望的同步程度，处理电路210就可以智能地确定何时生成ODR同步信号。例如，如果对于每个时间量T，传感器电路220的内部ODR信号的较差情况漂移累积到不可接受的错位程度，则处理电路210可以以小于T的时间段向传感器电路220输出ODR同步信号。这种重新同步可以例如持续地进行，在特定应用正运行时进行，当检测到用户输入指示最近或当前正使用同步很重要的应用时进行，当用户输入指示系统200的需要增强的传感器同步的功能迫近时进行，当检测到主机设备的使用时进行等。
作为示例，时间对准不确定性可以表示为：
不确定性＝(传感器系统ODR ppm/sec漂移)/(ODR同步频率)
因此，随着ODR同步频率的增大，对准不确定性降低。然而，能量和处理成本一般会随着ODR同步频率的增大而上升。
注意，不同的应用可能具有相应不同的同步要求。因此，第一和第二应用可能导致以相应不同的速率生成ODR同步信号。即使在特定应用内，仍可能按不同的速率(例如，在正常相机操作对图片传真操作过程中，在可以实时检测稳定程度的情况下相对稳定用户对相对不稳定用户的操作过程中等)来生成ODR同步信号。
处理电路210还可以例如，确定何时不再需要同步活动。例如，在相机或其他图像获取应用关闭时，处理电路210可以确定不再需要增大的(或增强的)同步量。此时，传感器电路220的定时可以恢复到RC振荡器模块222的自主控制。又如，在确定用户生命特征的健康相关的应用完成执行健康监测活动之后，处理电路210可以不继续生成ODR同步信号。另如，在使用相机应用拍摄照片并且持续阈值时间未接收到用户输入之后，相机应用可以(例如，利用软件指令)指示处理电路210中断生成ODR同步信号。再另如，在导航应用的执行过程中，例如，在户外导航和/或依赖于如惯性传感器的板载传感器的其他导航过程中，处理电路可以按需生成ODR同步信号，但可以然后例如当基于GPS的导航接管控制时中断此类生成。
如本文例如在图2的论述中提及的，根据本公开的多个不同方面，传感器电路220可以包括外部时钟信号的外部时钟输入234。在示例配置中，来自RC振荡器模块222和外部时钟输入234的输出均可以被输入到复用器223，以及可以选择期望的时钟以供传感器电路220利用。例如，无论何时存在(例如，能量检测电路耦合到外部时钟输入234的情况下)，传感器电路220都可以选择外部时钟信号来利用，传感器电路220可以仅在处理电路210指示如此时(例如，在操作系统的控制下和/或处理电路210所执行的操作相关的应用的控制下)等才选择外部时钟信号来利用。又如，处理电路210可以指示传感器电路220在处理电路210生成ODR同步信号的过程中利用外部时钟信号。
例如，外部时钟信号，例如系统或主机信号可能比传感器电路220的内部时钟更加准确。在这种场景中，利用相对更准确的外部时钟来控制内部ODR信号可以有利地降低处理电路210生成ODR同步信号的速率或频率。换言之，如果传感器电路220的内部ODR信号没有漂移太多，则无需频繁地重新同步。
应该注意的是，虽然以上论述着重于一个传感器电路，但是本公开的范围不限于任何特定数量的传感器电路。例如，可以并入任何数量的传感器电路。在包括多个传感器电路的实施方式中，每个传感器电路可以具有相应的同步要求。例如，在这种场景中，可以所有这些传感器电路共享同步输入，所述共享同步输入可以例如设计成对最需要同步的传感器电路进行同步。
又如，在这种场景中，各个传感器可以具有专用线路(或共享总线上的地址)，使用所述专用线路来根据传感器自身的需求单独地同步传感器。以此方式，可以避免对无需这种同步的传感器进行不必要的同步。在多个传感器共享共用同步线路的示例场景中，处理电路210可以基于这些传感器电路的最差情况内部ODR偏移率确定ODR同步脉冲速率。例如，第一传感器电路可能具有最大内部ODR漂移率。在这种场景中，处理电路210可以仅基于第一传感器电路的内部ODR漂移率来确定所有传感器电路的ODR同步脉冲频率。在另一个示例场景中，处理电路210还可以基于当前正在执行的应用的实时需求来确定ODR同步脉冲速率。例如，如果具有最差相应内部ODR漂移率的特定传感器并非正被当前应用所使用，则在确定何时生成ODR同步脉冲(例如，其频率)时，处理电路210无需考虑此处理器。
参考图4，此附图示出根据本公开的多个不同方面的示例同步方案的时序图400。最上方标记为“快速时钟”的时间线表示快速时钟信号，例如像可以是从快速时钟发生器模块224输出的。快速时钟信号可以例如基于传感器电路220的外部时钟输入234处接收的外部时钟。中间标记为“内部ODR”的时间线表示传感器电路220的内部ODR信号。内部ODR信号可以例如同步到快速时钟信号。内部ODR信号可以例如与图3所示的内部ODR信号相同。最下方标记为“ODR同步”的时间线表示同步信号(例如，从处理电路210的同步信号输出214输出的ODR同步信号)。ODR同步信号可以例如与图3所示的ODR同步信号相同。
虽然图3中未示出，但是将内部ODR信号同步到ODR同步信号可能要花费一个或多个时钟周期。此情况的示例在图4中例如以标记为430的区域示出。例如，ODR同步脉冲的上升沿与下一个已同步的内部ODR脉冲之间可能存在某个延迟。例如，在前一个内部ODR事件423(例如，时钟事件)之后，处理电路210将来自同步信号输出214的ODR同步信号425输出到传感器电路220。传感器电路220可以例如在快速时钟的上升沿441注意到ODR同步脉冲或将其时钟输入。然后可以在快速时钟的下一个上升沿442处出现下一个内部ODR事件425(例如，时钟事件、传感器数据存储事件等)。注意，在生成下一个内部ODR事件425之前，可能需要快速时钟的一个或多个周期，这取决于具体的实施方式。
一般而言，快速时钟信号越快(或频率越高)，经同步的内部ODR脉冲在时间上就越接近ODR同步脉冲的上升沿。例如，可以将快速时钟信号的速率指定为小于某个最大可接受延迟的结果(例如，1ms、1μs、小于1μs等)。
现在参考图5，其示出根据本公开的多个不同方面的示例传感器系统500。示例传感器系统500可以例如，与图1和图2所示以及本文论述的示例系统100和200以及本文论述的所有传感器系统共有任何或全部特征。例如，图5所示的示例传感器系统500的方面可以容易地并入到图1和图2所示的系统100和200中和/或本文论述的任何系统中，并且反之亦然。注意，为了说明清楚，图5所示的示意图中未示出本文论述的其他系统的多种模块(例如，MEMS模拟模块225、样本链模块226、输出数据存储模块230等)。
图5所示的传感器系统500的组件可以与图1和图2的相似命名的组件共有任何或全部特征。例如，图5的处理电路510可以与图1的处理电路(例如，应用处理器112和/或传感器处理器130)、图2的处理电路210、本文论述的任何处理电路等共有任何或全部特征。又如，图5的第一传感器电路520和第二传感器电路550可以与图1的传感器电路116和150、图2的第一和第二传感器电路220和250、本文论述的任何传感器电路等共有任何或全部特征。
一般而言，处理电路510可以用第一传感器电路520已知的、准确且恒定的频率和/或周期生成一系列同步脉冲(例如，ODR同步脉冲)，然后这些同步脉冲被送到第一传感器电路520(例如，在同步信号输出514处输出)。第一传感器电路520然后可以将其内部时钟频率与已知的ODR同步频率进行比较。一旦第一传感器电路520得知与其内部时钟关联的误差，第一传感器电路520就可以调整其内部定时(例如，通过将内部时钟缩放至其所期望的频率，通过对用于创建ODR的除数值进行缩放等)，从而使之更准确地匹配期望的ODR。可以通过一个或多个传感器电路来例如独立地执行此过程。
例如，可以将RC振荡器模块522的输出提供到计数器模块540。在示例场景中，在来自处理电路510的第一ODR同步脉冲到达时，可以将计数器的值存储在寄存器组542的第一寄存器中。继续所述示例场景，在来自处理电路510的第二ODR同步脉冲到达时，可以将计数器的值存储在寄存器组542的第二寄存器中。比较模块544然后可以将所存储的第一和第二计数器值之间的差与预期计数差值加以比较，预期计数差值例如是从预期计数差模块545接收的、是如果使得RC振荡器模块522在理想情况下工作所应得到的。然后所述比较的结果可以输出到调整模块546。
然后调整模块546可以例如确定例如对于时钟频率和/或时钟分频值的调整，以便实现第一传感器电路520的(例如，内部ODR信号的)所期望的内部定时调整。然后调整模块546可以将所确定的调整的信息传送到采样率发生器模块548。注意，可以经处理电路510的数据接口512和经第一传感器电路520的数据接口532将ODR同步脉冲间隔和/或预期计数差值的信息传送到第一传感器电路520。此类信息还可以例如包括频率信息。
在示例场景中，如果计数器之间的理想差值应该是100，但是仅为99，则可以通过例如更改时钟分频值、更改定时器电路中的可变电阻器和/或可变电容器的值等来校正这种偏差。
正如上文就图2所示的示例系统200而言论述的，处理电路510可以确定何时要执行本文论述的同步，并且例如通知传感器电路520和550是否要执行同步。又如，传感器电路520和550也可以确定是否要执行同步。正如本文论述的，智能地确定何时执行例如与正常操作不同的、增强的同步，可以通过免除不必要的通信和/或处理而有益地节省能量。
现在参考图6，此附图示出根据本公开的多个不同方面的示例传感器系统600。图6的示例传感器系统600可以例如与图1、图2和图5所示及本文论述的示例系统100、200和500共有任何或全部特征。例如，图6所示的示例传感器系统600的方面可以容易地并入到图1、图2和图5所示的系统100、200和500中，并且反之亦然。注意，为了说明清楚，图5所示的示意图中未示出本文论述的其他系统的多种模块(例如，MEMS模拟模块225、样本链模块226、输出数据存储模块230等)。
图6所示的传感器系统600的组件可以与图1、图2和图5的相似命名的组件100、200和500共有任何或全部特征。例如，图6的处理电路610可以与图1的处理电路(例如，图1的应用处理器112和/或传感器处理器130)、图2的处理电路210以及图5的处理电路510、本文论述的任何处理电路等共有任何或全部特征。又如，图6的第一传感器电路620和第二传感器电路650可以与图1的传感器电路116和150、图2的第一和第二传感器电路220和250、图5的第一和第二传感器电路520和550、本文论述的任何传感器电路等共有任何或全部特征。
图6所示的传感器系统600例如与图5所示的传感器系统500的总体不同之处可以在于，处理电路610在调整传感器电路620和650的内部时钟速率中起到相对更主导的作用。
一般而言，处理电路610可以生成充足地间隔开的两个或更多个ODR同步脉冲，使得处理电路610能够在每个脉冲之间例如通过数据接口632读取传感器电路620中的内部寄存器642。处理电路610可以例如从同步信号输出614输出此类ODR同步脉冲。例如，每个ODR同步脉冲可以使得传感器电路620将其自身内部定时器值捕获在处理电路610经数据接口632可访问的寄存器642中。知晓发送到传感器电路620的这些脉冲各自之间的时间周期以及对应存储(例如锁存)的内部定时器计数，处理电路610就可以估计传感器电路620的时钟误差。然后处理电路610可以使用此误差估计值来对传感器电路ODR进行编程，从而使之更对准期望的速率。可以通过一个或多个传感器电路(例如，第一传感器电路620、第二传感器电路650等)来例如独立地执行此过程。
在示例场景中，如果传感器电路620的期望ODR是100Hz、且估计的时钟误差为+1％，则处理电路620可以将传感器电路620的ODR编程为99Hz，以便为传感器电路620提供100Hz或与之相近的有效ODR。此估计过程可以基于计划来重复执行或在工作条件保证(例如，基于传感器电路620的温度和/或其他工作参数改变了大于指定阈值)时重复执行。
例如，可以将RC振荡器模块622的输出提供到计数器模块640。在来自处理电路610的第一ODR同步脉冲(例如，在同步信号输入634处)到达时，可以将计数器模块640的第一计数器值存储在寄存器642中。在生成第二ODR同步脉冲之前，处理电路610可以例如经传感器电路620的数据接口632和处理电路610的数据接口612从寄存器642读取存储的第一计数器值。在来自处理电路610的第二ODR同步脉冲到达时，可以将计数器模块640的第二计数器值存储在寄存器642中(或，在已生成两个ODS同步脉冲之后读取两个计数器的场景中，例如存储在第二寄存器中)。然后处理电路644的比较模块644可以将第一与第二计数器值之间的差与如果使得RC振荡器模块622在理想情况下工作所应得到的预期差值进行比较。然后处理电路610的调整确定模块646可以例如确定对例如传感器电路220的时钟频率和/或分频值的调整，以便实现传感器电路220的(例如，内部ODR信号的)所期望的内部定时调整。然后处理电路610的调整确定模块646可以经传感器电路620的数据接口632(例如，经数据总线，例如I2C或SPI总线)将所期望的定时调整的信息(例如，被请求的ODR中的调整)传送到传感器电路620的调整模块646。
本文论述的示例传感器系统例如包括具有同步信号输入634的传感器电路620。应该注意的是，同步信号输入634可以实施在共享的集成电路引脚上，例如可以为多个不同同步信号所利用的集成电路引脚。例如，单个集成电路引脚可配置成接收ODR_SYNC_IN输入信号和/或F-SYNC输入信号。例如，在期望利用本文论述的基于ODR_SYNC_IN的示例功能的系统中，可以例如在系统初始化时和/或系统构建时将传感器电路620编程为利用共享的引脚作为ODR_SYNC_IN引脚。又如，在期望利用旧有的基于F-SYNC的同步的系统中，可以将传感器电路620编程为利用共享的引脚作为F-SYNC引脚。此类系统可以例如在接收到F-SYNC信号之后标记下一个样本。
图1、图2、图5和图6所示且本文论述的示例系统100、200、500和600被呈现来说明本公开的多个不同方面。本文呈现的任何系统都可以与本文呈现的任何其他系统共有任何或全部特征。此外，应该理解的是，为了说明清楚这些不同模块被分开，并且本公开的多个不同方面的范围不应受限于模块之间的任意界限。例如，这些模块中任一者或多者可以与任一个或多个其他模块共有硬件和/或软件。
如本文论述的，本文论述的这些模块和/或功能中的任何一者或多者可以通过纯硬件解决方案来实施或通过执行软件指令的处理器(例如，应用或主机处理器、传感器处理器等)来实施。相似地，其他实施例可以包括或提供非瞬态计算机可读介质和/或存储介质、和/或非瞬态机器可读介质和/或存储介质，其上存储有机器代码和/或计算机程序，所述机器代码和/或计算机程序具有可由机器和/或计算机(或处理器)执行从而致使机器和/或计算机执行如本文描述的方法的至少一个代码段。
总之，本公开的多个不同方面包括用于将传感器数据采集和/输出进行同步的系统和方法。尽管前文已经参照某些方面和实施例描述了本公开，但本领域技术人员应理解的是，可以进行多种不同改变并且可以替换等效方案，而不偏离本公开的范围。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应本公布的传授内容而不脱离其范围。因此，所旨在的是本公开并不受限于所披露的这些具体实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (23)

1.一种用于修改传感器输出数据速率ODR的系统，所述系统包括：
具有输出测量值的传感器和处理器的至少一个模块，所述处理器至少可操作用于：
在第一间隔期间，按目标周期T以规律的目标ODR来获取可用传感器测量值并存储所获取的传感器测量值；
在第二间隔期间，在第一时间获取并存储第一传感器测量值；
接收ODR同步信号；
响应于所接收的ODR同步信号，修改所述传感器的操作以便在不同于所述第一时间加所述目标周期T的第二时间，获取并存储第二传感器测量值，
其中所述第二传感器测量值是直接在所述第一传感器测量值之后获取的。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于生成内部时钟信号，以及接收到所述ODR同步信号与获取并存储所述第二传感器值之间的延迟是所述内部时钟信号的至少一个周期。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于在启动应用时生成所述ODR同步信号。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述应用包括相机应用。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于：
确定何时期望增强的传感器同步；以及
响应于确定期望增强的同步，生成所述ODR同步信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于响应于和与增强的传感器同步相关联的活动相对应的用户输入，确定何时期望增强的传感器同步。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述活动包括拍摄照片。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于针对图像稳定生成所述ODR同步信号。
9.一种用于修改传感器输出数据速率ODR的系统，所述系统包括：
具有输出测量值的传感器和内部传感器同步时钟的至少一个模块，其中所述模块进一步包括处理器，所述处理器至少可操作用于：
从外部源接收第一同步信号；
从所述外部源接收第二同步信号；
至少部分地基于所述内部传感器同步时钟，确定所接收的第一同步信号与所接收的第二同步信号之间的时间差；
至少部分地基于所确定的时间差和预期的时间差，确定对所述内部传感器同步时钟的调整，其中以由所述内部传感器同步时钟建立的ODR获取并存储所输出的测量值；并且
通过将所确定的调整施加于所述ODR来修改所述传感器的操作，以便以所调整的ODR获取后续的传感器测量值。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于至少部分地基于所确定的调整来调整所述内部同步时钟的频率和/或分频值。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于对多个传感器电路独立地执行以下动作：所述接收第一同步信号、所述接收第二同步信号、所述确定时间差、以及所述确定调整。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于：
在接收到所述第一同步信号时，存储第一计数器值；
在接收到所述第二同步信号时，存储第二计数器值；以及
至少部分地基于第一和第二存储的计数器值，确定所述第一同步信号与所接收的第二同步信号之间的所述时间差。
13.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于从外部源接收有关所述预期的时间差的信息。
14.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于在启动应用时生成第一和第二同步信号。
15.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于：
确定何时期望增强的传感器同步；以及
响应于确定期望增强的同步，生成第一和第二同步信号。
16.如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于针对图像稳定生成第一和第二同步信号。
17.一种用于修改传感器输出数据速率ODR的系统，所述系统包括：
具有输出测量值的传感器电路和时钟电路的至少一个模块，其中所述模块进一步包括处理器，所述处理器至少可操作用于：
向所述传感器电路首先传送第一同步信号；
在所述首先传送之后，从所述传感器电路接收第一计数器值；
向所述传感器电路再次传送第二同步信号；
在所述再次传送之后，从所述传感器电路接收第二计数器值；
至少部分地基于来自所述传感器电路的第一和第二计数器值，确定对所述传感器电路的所述时钟电路的调整；
将所确定的对所述时钟电路的调整的信息传送到所述传感器电路，其中以由所述时钟电路建立的ODR获取并存储所述传感器测量值；并且
通过将所确定的调整施加于所述ODR来修改所述传感器的操作，以便以所调整的ODR获取后续的传感器测量值。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于：
确定所接收的第一和第二计数器值之间的差；
将所确定的差与预期的差进行比较；以及
至少部分地基于所述比较来确定对所述传感器电路的所述时钟电路的所述调整。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所确定的对所述时钟电路的调整包括对时钟频率和/或时钟分频值的调整。
20.如权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于对多个传感器电路独立地执行以下动作：所述首先传送、所述接收第一计数器值、所述再次传送、所述接收第二计数器值、所述确定调整、以及所述传送信息。
21.如权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于在启动应用时生成第一和第二同步信号。
22.如权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个模块可操作用于：
确定何时期望增强的传感器同步；以及
响应于确定期望增强的同步，生成第一和第二同步信号。
23.如权利要求17所述的系统，其中，所述至少一个模块操作用于针对图像稳定生成第一和第二同步信号。
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