常见问题解答

器件定义

什么是 MEMS 加速度计? 

MEMS 加速度仪是测量加速度的静态力或动态力的微机电系统。 静态力指地球引力。 在地球表面上,一切物体都以定义为一个"g"的加速度下落,一个"g"大约等于9.81 m/s² (32.17 ft/s²)。 通常,"g"用作加速度单位,而不用m/s² 或 ft/s²表示加速度。 动态力在运动或振动作用于加速度计本身时产生。 加速度计支持以下功能,如屏幕旋转、硬盘驱动器保护、交互式游戏中的手势识别、电源管理中的活动监控等等。

什么是 MEMS 陀螺仪? 

MEMS 陀螺仪是检测围绕三个轴的旋转(俯仰、偏航和横滚)速率(单位度/秒)的微机电系统。MEMS 陀螺仪目前在手持式电子器件中用于电子防抖,GPS 辅助和用户界面,全球范围内这些设备的市场正在迅速扩大。

什么是地磁传感器? 

地磁传感器是检测沿着多个轴的地球磁场的传感器。 它们是唯一的提供绝对航向(方向)信息的传感器。 在与加速度计和陀螺仪配合使用时,磁强传感器改进了 GPS 的地理位置服务。

我需要什么类型的运动传感器?  

请查看下表,大致了解每种类型的运动传感器测量什么以及每种运动传感器的限制。

运动感测 101

  测量 限制
加速度计
  • 重力加速度与直线加速度的矢量和(米/秒2)
  • 提供用于校准偏航陀螺仪与横滚陀螺仪的重力矢量
  • 动态条件下干扰较大
  • 可进行滤波减少输出的干扰,代价是响应慢
罗盘
  • 上游传感器测量x,y,z轴的磁场强度
  • 如无局部干扰,平面(地球 x-y 坐标)矢量和指向磁北(绝对方向基准)
  • 用于校准偏航陀螺仪
  • 极易受局部磁场影响 通常响应较慢
  • 限制 PCB 的布置
陀螺仪
  • 旋转的角速率(度/秒)
  • 响应迅速且平稳
  • 让系统在存在磁场的情况下也能正常工作
  • 数据必须定期以高速率集成,以便计算方向矢量
  • 无绝对基准
  • 易漂移
  • 电流消耗大
高度计
  • 高度/大气压力 (kPa)
  • 增加了 GPS 高程
  • 环境影响
  • 低分辨率
Kionix 提供哪些开发工具? 

Kionix 提供开发工具包和电路板以及评估板,从而为客户提供一个简单的环境,让他们可以在其中着手开发包含 Kionix 加速度计的应用程序、固件及原型。  Kionix 目前为所有 Kionix 加速度计提供了 Kionix 加速度计应用程序和固件开发工具包EZ430-C9EZ430-F2013 开发板及工具,还 提供了 评估板。

什么是引脚兼容性? 

许多 Kionix 器件与我们竞争对手的产品实现了引脚兼容。 引脚兼容意味着类似功能分配给两种产品上每个对应的引脚。 此外,两种器件具有相同的封装尺寸和引脚布局。 这样,Kionix 器件可以作为竞争对手器件的直接替代件。

为何 Kionix 器件具有不同的引脚分配和封装尺寸? 

Kionix 器件具有多种封装尺寸和引脚分配。 引脚的数目和分配受到特殊应用集成电路功能集的约束。 例如,引脚数目受到以下因素影响:偏置引脚数目、中断引脚数目、器件有无数字接口以及器件使用哪种协议(I2C 或 SPI 或者两种)。 一些器件是纯模拟器件,而另一些可以通过 SPI 和/或 I2C 通讯协议连接。 并且,一些器件具有其中一个或两个中断引脚支持的嵌入式引擎,如数据就绪、轻击/两次轻击、自由落体、运动、方向等。 最后,我们的一些产品实现了与竞争对手产品的引脚兼容。

另一方面,封装尺寸也因感测元件和特殊应用集成电路的尺寸而异。 这两种硅元件影响最终封装能够有多小。 另外,客户时常要求我们满足预定的体积和引脚分配。

请查看以下我们的加速度计及其对应引脚数目列表:

10-pins:  KXCJ9, KXTJ9, KXTI9, KXTIA, KXTF9, KXTE9, KXSD9, KXUD9, KXTH9, KXTC9
12-pins:  KXTJ2
14-pins:  KXSS5, KXTH5, KXSC4, KXSB5, KXR94, KXRB5, KXD94
16-pins:  KXTIK, KXTC8

传感器融合

什么是传感器融合? 

传感器融合是一种智能地将来自多种传感器的数据合并以期增强应用或系统性能的软件。合并来自多种传感器的数据可以改善单独的传感器在计算准确的位置和方向信息时效率低下的情况。

请访问我们的 "传感器融合"页面, 了解详细信息。

传感器融合怎样在不同操作系统中工作? 

传感器融合可在多种操作系统中工作,包括 Google's Android OS、Apple's iOS 和 Microsoft's Windows OS。 但是,每种平台都会带来自己独有的一系列传感器融合挑战,为了最大限度地增强传感器功能和用户体验,必须克服这些挑战。

由于这些平台差异巨大,及早接触开发硬件和软件对于传感器供应商极为重要。

通常,传感器供应商的目标就是与它们的技术合作伙伴及它们共同的客户合作,一起克服这些挑战。

Sensor Manager Architecture

FlexSet™

什么是 FlexSet™? 

Kionix FlexSet™ 是业内唯一可由用户控制的功耗和噪声优化工具。Kionix 提供在线和可下载的图形用户界面,用户可以完全自定义功耗和噪声参数,专门用于设计和信息传递/教学用途。

设计者可以方便地调整功耗和噪声参数,以根据自己独特的应用要求创建完全自定义的解决方案。使用 FlexSet™ 可以调整功耗和噪声值,以获得卓越的系统性能和低功耗,为设计者提供了当今市场上最全面、最灵活的加速度计优化功能。

此新技术内置到了 Kionix 的最新加速度计中,包括 KX022 (2x2mm) 和 KX023 (3x3mm),它将成为 Kionix 未来推出的低功耗、高性能产品的基石。

FlexSet™ 主要有哪些好处?  

系统设计者总是希望能耗值和噪声值达到最低,但是这两个参数需要平衡 —

电源:如果向接口电路提供更大的处理能力,则在给定的时段可以采集更多样本并提高平均值,这将提高准确度。 但是,如果执行更复杂的滤波和其它步骤来提高读取准确度和避免出现与噪声相关的误差,也将使传感器电流增大。 能够容忍较低准确度的应用程序模式可以采用更低的电流。

噪声:噪声会影响系统在不触发错误的情况下正确识别用户和环境输入并做出反应的能力。如要降低噪声,需要更大的采样率(过采样)、更长的采样时间和更改其它参数,这些都会导致功耗增大。

使用 FlexSet™,设计者可以自定义加速度计采样率、数据输出速率和其它值,以真正设计属于自己的加速度计。FlexSet™ 提供的自定义范围远远超过目前市场上提供的标准用户可选参数。

另外,FlexSet™ 增强了集成算法的可编程性,这些增强使系统设计者可以轻松实现其它系统功能,如屏幕旋转、Tap/Double-tap™ 和运动唤醒功能。FlexSet™ 还可以打开和关闭算法引擎,可以节省更多的功耗。

FlexSet™ 工具的工作原理是什么?  

使用交互式 FlexSet™ 用户界面,设计者可以看到如何通过调整功耗和噪声值来符合系统要求并获得最佳的性能输出。

此工具是设计师自定义加速度计参数时可以选择的实际寄存器的典型,它让系统设计者可以通过精确地选择设计参数选择来调整系统性能。设计者可以控制多个开关选择和下拉菜单,它们提供了多个操作配置,包括 ODR、样品平均值、操作模式、样品缓冲区、带宽等。

选定值的相应输出将在用户控制面板旁的图形中显示。 图形将根据值的调整而动态变化,还包括一个"比较案例"模式,以便设计者可以并排比较各个设置。使用 FlexSet™ 可以无限地调整值,以获得完全自定义的解决方案来符合独特的应用程序需求,为设计者提供了当今市场上最全面、最灵活的加速度计优化功能。

带宽

什么是带宽?  

带宽是加速度计或陀螺仪工作的频率范围。 Kionix 传感器在 0Hz 到用户可定义的上截止频率之间响应。

电气

Kionix 的 DFN 封装的中心垫是否应该接地?  

是的,Kionix 的 DFN 封装的中心垫应该接地。这样将使噪声最低。一般情况下,建议将中心垫焊接到印刷电路板 (PCB) 上,这有助于在传感器与 PCB 之间形成一个坚固机械连接。

如何使用加速度计的数字输出计算加速度?  

Kionix 有几种数字三轴加速度计产品。所有这些产品都提供与每个轴的线性加速度成比例的数字输出。根据标准约定,零加速度(或零 G 准位)通常定义为相当于最大输出值(12 位输出为 4096,10 位输出为 1024 等)一半的输出。对于提供 12 位输出的加速度计,零 G 准位将等于 2048。输出大于 2048 表示正加速度。输出小于 2048 表示负加速度。加速度的数量通常用单位 g (1g = 9.8m/s2 = 重力加速度)表示。通过确定测量的输出与零 G 准位之间的差值,然后除以加速度计的灵敏度(用计数/g 或 LSB/g表示)来计算加速度。对于提供 12 位数字输出的 2g 加速度计,灵敏度为 819 计数/g 或 819 LSB/g。加速度等于:a = (Aout - 2048)/(819 计数/g),单位为 g。

什么是假信号? 

混叠是对连续信号进行采样时采样速率过低导致的输出失真。为了避免混叠,采样速率至少需要达到低通滤波器的截止频率的 2 倍。 (Nyquist–Shannon采样定理)

什么是跨度?  

对于加速度计,跨度是相对于 满量程零重力输出 ± 标称 Vdd 和温度下 的输入加速度对应的输出电压或数字计数值。对于陀螺仪,跨度是满量程零重力输出 ± 标称 Vdd 和温度下的 输入旋转对应的输出电压或数字 计数值。

什么是零速率输出? 

对于陀螺仪,零速率输出指标称 Vdd 和温度下零速率输入旋转对应的输出电压或数字计数。

什么是零 G 准位?  

对于加速度计,零 G 准位指标称 Vdd 和温度下零重力输入加速度对应的输出电压或数字计数值。

如何使用加速度计的模拟输出计算加速度?  

Kionix 有几种模拟三轴加速度计产品。所有这些产品都提供与每个轴的线性加速度成比例的输出电压。根据标准约定,零加速度(或零 G 准位)通常定义为相当于电源电压一半的输出电压 (Vdd/2)。对于电源电压为 3.3 V 的加速度计,零 G 准位将等于 1.65V。电压高于 1.65V 表示正加速度。电压低于 1.65V 表示负加速度。加速度的数量通常用单位 g ( 1g = 9.8m/s2= 重力加速度)表示。通过确定测量的输出与零 G 准位之间的差值,然后除以加速度计的灵敏度(用 V/g 或mV/g表示)来计算加速度。对于工作电压为 3.3 V 的 2g 加速度计,灵敏度为 660mV/g 或 0.660V/g。加速度等于:a = (Vout - 1.65V)/(0.660V/g),单位为 g。

复用

如果我没有使用内置多工数据选择器,我该怎么办?  

不使用内置多工数据选择器时,请如下进行连接:S0 和 S1 - 接地或 Vdd。Vmux:未连接。

如何使用内置多工数据选择器? 

将加速度计的 Vmux 引脚连接到微处理器的模数转换 (A/D) 输入端口,将加速度计的 S0 和 S1 连接到微处理器的数字输出。通过切换 S0 和 S1 获得适当值来选择需要的多工数据选择器输出。选择需要的多工数据选择器输出后,等待 5 微秒,然后开始模数转换。参阅产品规格,查看输出选择表,其中定义了 S0 与 S1 对应于 Vmux 输出选项的状态。应用指南 AN003 也介绍了如何使用内置多工数据选择器以及外部多工数据选择器。

为什么你们的某些加速度计中有内置多工数据选择器?  

内置多工数据选择器让用户可以仅使用主微处理器上的一个模数 (A/D) 转换端口和两个数字输出端口测量 X, Y, 和 Z 轴的加速度。在可用 A/D 端口有限时,这可以带来好处。KXPA4、KXPB5、KXP94 和 KXR94 具有内置多工数据选择器。

噪声

如何根据噪声密度计算噪声?  

由于传感器的噪声输出很大程度上取决于输出滤波器的设置,因此噪声报告为噪声密度 (ND)。噪声密度定义为每单位平方根带宽的噪声。 通常,噪声密度的单位为 ug/sqrt(Hz)(加速度计)和 deg/s/sqrt(Hz)(对于陀螺仪)。若要确定给定应用的预期噪声,首先确定输出滤波器的等效噪声带宽 B。滤波器的等效噪声带宽是 -3 dB 带宽 (f-3dB) 乘以一个系数,该系数取决于基于下表的滤波器阶数。

B = 1.57 * f-3dB Hz(对于一阶滤波器)

B = 1.11 * f-3dB Hz(对于二阶滤波器)

B = 1.05 * f-3dB Hz(对于三阶滤波器)

B = 1.025 * f-3dB Hz(对于四阶滤波器)

对于加速度计,如果将 50 Hz 一阶低通滤波器应用于 KXR94 加速度计的输出 (ND = 40 ug/sqrt(Hz)),预期的噪声将是 (40 ug/sqrt(Hz)) * sqrt(1.57 *50 Hz) = 354 ug。这是预计在 KXR94 输出中出现的依赖于 RMS 传感器的噪声。传感器输出中检测到实际噪声可能由于作用于传感器上的环境噪声(热、Vdd 调节、机械加速度)而大于该报告误差。

什么是噪声密度? 

乘以测量带宽的平方根时,此值将提供标称 Vdd 和温度下的加速度计的均方根加速度噪声,并且提供陀螺仪的均方根旋转噪声。低于此值的加速度和旋转将无法解析。

非线性

什么是非线性?  

传感器未在输入加速度(加速度计)或旋转(陀螺仪)与输出电压或数字计数之间显示出理想的线性关系。 这种非线性是输出电压或者数字计数与"最佳拟合曲线"(由灵敏度确定的直线)之间的最大偏差。 非线性通常表示为满量程输出 (FSO) 的百分数,即最大输出偏差除以满量程输出的比值,指定为百分数。

下面介绍计算模拟加速度计的非线性的方法:

What is non-linearity?

范围

如果产品的 g 值范围设定为超出规范规定的值,会发生什么情况?  

产品的灵敏度将降低,同时产品将表现出非线性。非线性是指传感器的输入加速度与输出电压之间未表现出理想的线性关系。

什么是范围?  

对于加速度计,范围是 导致输出达到跨度电压或数字计数 的输入加速度。 对于陀螺仪,范围是 导致输出达到跨度电压或数字计数 的输入旋转。

变动率

Kionix 加速度计是否为具有变动率?  

理想情况下,传感器具有变动率—输出变化的比率与 Vdd 升高或降低的比率相同。例如,Vdd 升高 5%,0g 偏移也随之增加 5%。

什么是变动误差率?  

理想情况下,模拟传感器具有变动率—输出变化的比率与 Vdd 升高或降低的比率相同。 例如,Vdd 升高 5%,g 偏移也随之增加 5%。

变动误差率定义为偏移或灵敏度的实际变化与偏移或灵敏度的理想或预期变化之间的差值。 对于模拟和数字传感器,变动误差率的计算是不同的。

对于模拟传感器,变动误差率是 0g 偏移或灵敏度变化的比率以及 Vdd 变化的比率,表示为百分数。对于我们的规格,变动误差率通常针对 Vdd 偏离标称值 +/- 5% 的变化计算。 例如,Vdd = 3.3V +/- 5% 时的偏移变动误差率定义为以下值的最大绝对值:

Ratiometric Error

Ratiometric Error

对于数字传感器,变动误差率是 0g 偏移或灵敏度变化的比率。就我们的规范而言,对于无内置稳压器的器件,变动误差率通常对 Vdd 偏离标称值 +/- 5% 的变化计算;对于有内置稳压器的器件,变动误差率通常对约为 Vdd 范围一半的变化计算。 针对 Vdd = 3.3V +/- 5% 而测量的偏移变动误差率定义为以下值的最大绝对值:

Ratiometric Error

同样,Vdd = 3.3V +/- 5%的灵敏度变动误差率定义为以下值的最大绝对值:

Ratiometric Error

分辨率

什么是分辨率?  

分辨率是可以检测到的最小加速度变化(加速度计)和最小旋转变化(陀螺仪)。 信号必须要比传感器的噪声强才能被检测到。

我们的模拟器件的分辨率可以使用以下方程式计算:RES = ND * sqrt(B)

由于数字器件把模拟信号转换成数字输出,数字器件的分辨率还依赖于转换分辨率。 可以使用以下方程式计算转换分辨率:数字分辨率 = 1/(灵敏度)。 因此,数字器件的分辨率是模拟分辨率与数字分辨率之间的较大者。

自检

如果我不进行自检,该引脚是否会处于未连接状态(浮动)?  

不会,该引脚应该不会处于断路状态。取决于环境状况,该引脚上的电压可能会变得足够高从而意外地启动自检。请将自检引脚连接到 GND 以便正常工作。

自检检查什么?  

自检让用户在任何时候能够验证机械结构和特殊应用集成电路的功能。在启动自检功能时,特殊应用集成电路会利用静电启动(激发)机械结构,导致产生位移并且因而使加速度输出发生变化。对于 Kionix 提供的每种加速度计产品,这种位移都是不同的,因此需要参考加速度计的规格表,以便了解加速度出现什么变化。

灵敏度

如何确定 +/-2g 加速度计的灵敏度将为 660mV/g 或 819 计数/g?  

首先,对于模拟器件,了解使器件工作的电源电压很重要。在此示例中,我们将使用通行的电源电压 (Vdd) 3.3V。零 G 准位在大多数情况下为 Vdd/2,在此示例中将为 1.65V。输出电压高于 Vdd/2 表示正加速度,输出电压低于 Vdd/2 表示负加速度。显然,可以认为 0V 相当于 -2g,而and Vdd(例如,3.3V)相当于 +2g。因此,+/-2g 器件的灵敏度应为 (Vdd/2) / g 值范围,在本示例中,灵敏度将是 (3.3V/2) / (2g) = 0.825V/g = 825mV/g。如果您用这种方法制造 +/-2g 器件,就会出现一些问题。首先,零 G 准位并非始终完全等于 Vdd/2。由于偏移调整公差、对准误差和温度影响,零 G 准位具有公差。零 G 准位可能是 1.65 +/- 0.10 V。如果碰巧您的器件的零 G 准位为 1.70V,那么在 825mV/g 时,您的器件的最大测量值为 +1.94g,最小测量值为 -2.06g。您无法精确地测量 +2g 加速度,您的器件也不是真正的 +/-2g 器件。使用这种方法的另一个问题是输出读数 0V 或 Vdd (3.3V) 是含糊的。任何 +2g 或更大的加速度都会提供输出读数 Vdd,而任何-2g 或更小的加速度都会提供输出读数 0V。因此,例如,当加速度计给输出读数 3.3V 时,您将不清楚加速度是 +2g、+3g 还是 +5g。为了防止出现上述问题,我们选择让 0.1*Vdd 相当于 -2g,0.9*Vdd 相当于 +2g。这为 0V 和 Vdd 提供了足够的裕量以便处理零 G 准位公关及温度变动。它还可以保证 +/-2g 将始终都是可测量的数量。该方法中的灵敏度计算如下:(0.9*Vdd - 0.1*Vdd) / (+g-range - -g-range)。在我们的示例,则为 (0.9*3.3V - 0.1*3.3V) / (+2g - -2g) = (2.64V / 4g) = 0.66V/g = 660mV/g。对于数字零件,方法类似但还取决于输出位数量。例如,12 位的电子器件将给出范围在 0 到 4095 内的读数。我们用最大输出读数 (4095) 替换以上方程式中的 Vdd,则灵敏度为:(0.9*4095 - 0.1*4095) / (+2g - -2g) = (3276 / 4g) = 819 计数/g。

什么是交叉轴灵敏度?  

交叉轴灵敏度是由于加速度(加速度计)以及旋转(陀螺仪)作用于垂直轴而在感测轴上感应的输出,用灵敏度的百分数表示。 有多个交叉轴灵敏度:Sxy, Sxz, Syx, Syz, Szx, 和 Szy,其中第一个下标是感测轴,第二个下标表示与轴垂直的方向。 例如,对于三轴加速度计或三轴陀螺仪的 x 轴传感器,交叉轴灵敏度的计算如下:

Cross-axis Sensitivity

什么是灵敏度?  

对于加速度计,灵敏度是标称 Vdd 和温度下 每单位输入加速度对应的 输出电压或者数字计数变化, 单位是 mV/g 或计数/g。  对于陀螺仪,灵敏度 是标称 输出电压或者数字计数变化, 单位是 mV/度/秒或计数/度/秒。

冲击

什么是机械冲击?  

机械冲击的特点是导致传感器系统在脉冲期间出现明显位移的突然并且/或者剧烈的运动或作用力。 Kionix 产品规格中的 机械冲击规格 是作用于任意方向的最大机械冲击,如果向加速度计或陀螺仪施加标称 Vdd,在该冲击下器件仍将在规格范围以内。

什么是 ESD 允差?  

在受到小于或相当于 ESD 允差的静电冲击后,加速度计或陀螺仪仍将符合规格。 将指定人体模型 (HBM),该模型内的 ESD 脉冲类似于带电人体产生的 ESD 脉冲。

温度

什么是相对于温度的零速率输出?  

对于陀螺仪,指在整个工作范围内标称零 G 输出的最大变化。

是否内部温度补偿不允许进行最终用户温度校准或补偿?  

不是。除内部补偿之外,可以进行任何最终用户补偿或校准。通过索取包含全局补偿(不需要对每个器件进行额外热测试)的器件规格,可以节约成本。

什么是温度范围内基于 RT 灵敏度的灵敏度变化?  

温度范围内基于 RT 灵敏度的灵敏度变化是随着温度变化灵敏度在室温灵敏度基础上的变化。Kionix 通过将加速度计放入加热室中来测量这种灵敏度变化。首先,在 25C 测量灵敏度。接着,将加热室加热到较高温度(通常是 85C),并且第二次测量灵敏度。最后,将加热室冷却至较低温度(通常是 -40C),并且第三次测量灵敏度。测试结束后,对数据进行分析。从每个测量值中减去 25C 的灵敏度。得到的灵敏度变化除以加速度计 25C 的灵敏度,以便采用百分比变化的形式表示输出变化。这三个数据点(高温、25C 和低温)绘制在一个图形上, 并且执行最小二乘法直线拟合。产生的斜率(用 %/C 表示)将给出温度范围内基于室温灵敏度的灵敏度变化。

什么是温度范围内基于 RT 的零 G 准位变化?  

温度范围内基于 RT 零 G 准位变化是随着温度变化零 G 准位在室温零 G 准位基础上的变化。Kionix 通过将加速度计放入加热室中来测量这种变化。首先,在 25C 测量零 G 准位电压。接着,将加热室加热到较高温度(通常是 85C),并且第二次测量零 G 准位电压。最后,将加热室冷却至较低温度(通常是 -40C),并且第三次测量零 G 准位电压。测试结束后,对数据进行分析。从每个测量值中减去 25C 的零 G 准位电压。得到的电压变化除以加速度计的灵敏度,以便采用加速度(g 或 mg)的形式表示输出变化。这三个数据点(高温、25C 和低温)绘制在一个图形上, 并且执行最小二乘法直线拟合。产生的斜率(用 mg/C 表示)将给出温度范围内基于室温 (25C) 的零 G 准位变化。

什么是相对于温度的偏移?  

对于加速度计,相对于温度的偏移指整个工作温度范围内标称零重力输出的最大变化。

什么是存储温度?  

存储温度指加速度计或陀螺仪在未通电时可以存储的温度。如果在该温度存储,在通电后加速度计或陀螺仪在工作温度范围内仍然能够达到性能规格。

什么是工作温度?  

工作温度是加速度计或陀螺仪将达到性能规格的温度范围