【導讀】越來越多的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計將檢測方向和跟蹤運動的能力視為重要要求。盡管已經(jīng)有各種各樣的可用運動傳感器，但工程師還是不斷受到挑戰(zhàn)，探索以更低的功耗更快、更高效地集成這些設(shè)備，這在額外增加傳感器時尤其具有挑戰(zhàn)性。
為應(yīng)對這些運動跟蹤挑戰(zhàn)，設(shè)計人員需要集成度更高的加速計、陀螺儀和磁力儀五金件以及更加高效且智能的數(shù)據(jù)融合算法。
本文將介紹 TDK InvenSense 提供的同時為硬件和軟件提供幫助的解決方案。然后，本文還將介紹設(shè)計人員如何著手將該解決方案應(yīng)用于簡化需要復雜的運動感應(yīng)功能的復雜低功耗多傳感器應(yīng)用的開發(fā)。
高效運動跟蹤的挑戰(zhàn)
利用傳統(tǒng)的運動跟蹤方法，開發(fā)人員可以同時為硬件和軟件處理重要的集成問題。在硬件方面，開發(fā)人員通常會努力在采用單獨的傳感器（包括加速計、陀螺儀和磁力儀）構(gòu)建的設(shè)計中最大限度減少其復雜性、尺寸和零件的數(shù)量。軟件工程師則需要特別注意同步各種各樣的傳感器輸出，以創(chuàng)建高級運動跟蹤應(yīng)用中所用傳感器融合算法所需的統(tǒng)一數(shù)據(jù)流。對于硬件和軟件開發(fā)人員而言，需要在設(shè)計中集成額外傳感器類型的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)均顯著增加。
但是，使用 TDK InvenSense ICM-20948，開發(fā)人員便能夠以最少的工作量快速實現(xiàn)運動跟蹤設(shè)計或其他多傳感器系統(tǒng)。
運動跟蹤解決方案
TDK InvenSense ICM-20948 是一種多芯片模塊，尺寸只有 3 mm x 3 mm x 1 mm，它集成了提供完整運動跟蹤解決方案所需的整套傳感器、信號鏈、數(shù)據(jù)處理和接口電路（圖 1）。
圖 1： TDK InvenSense ICM-20948 通過其專用的信號鏈、可編程濾波器、接口電路和數(shù)字運動處理器執(zhí)行運動跟蹤。（圖片來源： TDK InvenSense）
該模塊在全面工作模式下僅需要 3 毫安 (mA) 左右便能實現(xiàn)其全部功能。對于功率受限的應(yīng)用，開發(fā)人員可以關(guān)閉模塊的某些部分，從而將完全休眠模式下各階段的電流消耗降低至 8 微安 (μA)。產(chǎn)生的功耗取決于工作電壓 (VDD)，根據(jù)設(shè)計要求，該電壓值可以介于 1.71 伏特和 3.6 伏特。
單獨的信號鏈集成在模塊中，為集成的 3 軸加速計、3 軸陀螺儀和 3 軸磁力儀以及集成的溫度傳感器的每個通道提供支持。每個信號鏈都包括緩沖放大器和一個專用的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，以及特定于傳感器的電路，如驅(qū)動模塊的霍爾效應(yīng)磁力儀的電流源。
為了提高每種信號鏈的輸出，模塊包括適用于每種進一步傳感器類型的信號調(diào)節(jié)階段。例如，磁力儀輸出通過算術(shù)電路進行基本信號處理，而其他傳感器的輸出各自饋入自動的傳感器特定調(diào)節(jié)階段，以執(zhí)行采樣平均等處理功能。開發(fā)人員可以將 ICM-20948 設(shè)置為平均多達 128 個陀螺儀數(shù)據(jù)采樣，或者將加速計設(shè)置為平均多達 32 個采樣。最終，每個通道的信號調(diào)節(jié)階段的輸出饋入一組專用的傳感器寄存器中。
ICM-20948 的核心是一個專有的數(shù)字運動處理器 (DMP)，用于提供各種不同的功能，包括執(zhí)行運動處理算法、校準和自測試。在正常工作期間，DMP 會處理來自專用傳感器寄存器的數(shù)據(jù)。然后再將結(jié)果存儲在模塊的集成式 FIFO 中，供主機 MCU 通過共享的 I2C 或 SPI 總線訪問。
DMP 和 FIFO 的功能為很多實際應(yīng)用提供重要功能。很多情況下，應(yīng)用以相對較慢的速度更新其運動跟蹤結(jié)果，甚至允許其主機處理器在更新之間休眠，以降低總功耗。然而，運動跟蹤算法需要的更新速度明顯更高，以確保其在應(yīng)用請求更新時以最低的延時提供精確的數(shù)據(jù)。DMP 能夠在不需要主機參與的情況下維持高更新速度，這有助于確保準確性，而不會對主機應(yīng)用本身的性能或功耗強加額外的要求。
簡單的集成
ICM-20948 結(jié)合了小封裝、系統(tǒng)集成功能及主機獨立操作等特點，特別適合在移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中使用。模塊的高水平集成意味著，開發(fā)人員僅使用三個電容器便可以執(zhí)行典型的運動跟蹤設(shè)計。按照 TDK InvenSense 使用陶瓷 X7R 零件的建議，開發(fā)人員將在模塊的 REGOUT 引腳上增加一個 0.1 μF 電容器進行穩(wěn)壓器濾波，并在其 VDD 和 VDDIO 引腳上增加一個該電容器用于電源旁通（圖 2）。
圖 2： 設(shè)計人員可以將 TDK InvenSense ICM-20948 輕松添加到基于 MCU 的設(shè)計中，從而通過 SPI（此處所示）或 I2C 接口連接到 MCU，后者使用相同的配置，但引腳 22 (nCS) 與 VDDIO 相關(guān)聯(lián)。（圖片來源： TDK InvenSense）
雖然 ICM-20948 為運動跟蹤設(shè)計提供了近乎直接替代型的解決方案，但很多應(yīng)用還是對其他傳感器類型提出了要求。為幫助開發(fā)人員簡化這些多傳感器設(shè)計，ICM-20948 為其他外部傳感器提供單獨的 I2C 接口和內(nèi)置支持。開發(fā)人員在此將兼容 I2C 的智能傳感器連接到模塊的專用輔助 I2C 端口（圖 3）。
圖 3： 在 SPI（或 I2C）與主機 MCU 連接的同時，開發(fā)人員可以使用 TDK InvenSense ICM-20948 模塊的輔助 I2C 接口（AUX_CL 和 AUX_DA）連接外部傳感器，并通過 ICM-20948 的輔助設(shè)備專用寄存器管理它們。（圖片來源： TDK InvenSense）
在正常操作中，ICM-20948 將充當 I2C 總線控制器，以與外部傳感器通信。在此模式下，開發(fā)人員可編程一組專用的模塊寄存器，以定義外部設(shè)備的 I2C 地址、輸出數(shù)據(jù)地址以及其他的傳輸參數(shù)。用此信息，模塊可以將外部傳感器數(shù)據(jù)讀入其 FIFO 和外部設(shè)備數(shù)據(jù)寄存器中，從而在傳感器 I2C 總線上使用單字節(jié)或多字節(jié)讀取，而不會涉及到主機 MCU。
ICM-20948 提供專門設(shè)計用于協(xié)調(diào) ICM-20948 與外部傳感器之間時間的一項額外功能。除了使用模塊的專用中斷 INT 引腳之外，開發(fā)人員還可以使用外部傳感器的中斷或同步脈沖驅(qū)動模塊的 FSYNC 引腳。例如，在圖像穩(wěn)定應(yīng)用中，開發(fā)人員可以使用圖像傳感器的幀同步輸出來將圖像數(shù)據(jù)與 ICM-20948 傳感器讀數(shù)同步。使用模塊的 FSYNC_CONFIG 寄存器，開發(fā)人員甚至可以將模塊配置為測量外部傳感器 FSYNC 事件與 ICM-20948 數(shù)據(jù)事件之間的時間，從而在圖像和運動數(shù)據(jù)間提供更密集的同步。
但是，作為專用的運動跟蹤設(shè)備，ICM-20948 缺乏使用一般由主機 MCU 處理的那種設(shè)備特定設(shè)置操作來配置外部傳感器所需的功能。為簡化系統(tǒng)初始化過程，該模塊提供一種直通模式，以使用集成的接口旁通多路復用器將主機系統(tǒng)處理器直接連接到外部傳感器上。
在直通模式下，該設(shè)備使用其集成的模擬開關(guān)將輔助 I2C 引腳 AUX_CL（引腳 7）和 AUX_DA（引腳 21）直接以電氣方式連接到主機 I2C 總線（引腳 23 和 24）。該工作模式提供一種簡單的方法，以允許主機處理器處理與每個外部傳感器相關(guān)的任何配置和設(shè)置要求。初始化后，開發(fā)人員禁用旁通多路復用器，以允許 ICM-20948 接管正常操作時的外部傳感器訪問。
快速開發(fā)
盡管 ICM-20948 提出了相對簡單的接口要求，但希望評估運動跟蹤解決方案的開發(fā)人員甚至可以避免該水平的硬件原型開發(fā)。TDK InvenSense 的 DK-20948 評估板和參考設(shè)計提供現(xiàn)成的開發(fā)平臺，其結(jié)合了主機 MCU、嵌入式調(diào)試器、USB 接口和用于增加其他傳感器的多個連接器、無線連接和其他功能（圖 4）。
圖 4： TDK InvenSense DK-20948 板提供一種完整的運動感應(yīng)設(shè)計，其結(jié)合了 ICM-20948 模塊與 Microchip Technology ATSAMG55J19B MCU（左側(cè)中間）和基于 Microchip AT32UC3A4256 MCU（位于板的后側(cè)）的嵌入式調(diào)試器。（圖片來源： TDK InvenSense）
DK-20948 板基于 Microchip Technology ATSAMG55J19B MCU，使用 ICM-20948 提供完整的運動傳感器設(shè)計。同時，該板包括一個提供嵌入式調(diào)試功能的 Microchip AT32UC3A4256 MCU，從而在與主機 ATSAMG55 MCU 結(jié)合使用時消除對外部工具的需求。開發(fā)人員可以使用該板評估 ICM-20948，在此過程中，無需進一步的硬件工作或者其他定制或可用子板來擴展其功能。開發(fā)人員完成其 ICM-20948 評估后，可以使用套件的示意圖、詳細的 BOM 和板設(shè)計文件創(chuàng)建定制設(shè)計。
對于軟件工程師而言，DK-20948 套件同樣包括用于快速評估和定制開發(fā)的選項。對于評估，公司基于 MotionLink GUI 的工具可使開發(fā)人員探索不同的配置設(shè)置及評估它們對所產(chǎn)生運動數(shù)據(jù)的影響。然而，對于大多數(shù)開發(fā)人員來說，套件的軟件開發(fā)包將很快成為他們的主要關(guān)注點。
定制軟件
對于定制軟件開發(fā)，TDK InvenSense eMD（嵌入式運動驅(qū)動器）SmartMotion 軟件包提供應(yīng)用編程接口 (API) 說明文檔、驅(qū)動源代碼、傳感器融合文庫以及預(yù)建的 DMP 固件圖像。同時，該軟件包還包括構(gòu)建和閃現(xiàn)定制固件圖像的工具以及與評估板進行控制臺交互的命令行實用程序。
eMD 軟件平臺設(shè)計用于與 Atmel/Microchip Technology Atmel Studio 配合使用，包含兩個 Atmel Studio 包：內(nèi)核和應(yīng)用。內(nèi)核包包含編程和操作 ICM-20948 所需的底層驅(qū)動器和固件，以及 DK-20948 板的 Microchip ATSAMG55J19B 主機 MCU 的預(yù)建運動算法和 math 文件。
應(yīng)用包包含一個樣例應(yīng)用程序，用于演示內(nèi)核包的使用，包括從頂層應(yīng)用向下延伸到串行總線交易的主要設(shè)計模式。例如，主要的 C 例程展示開發(fā)人員如何初始化 ICM-20948 和獲取數(shù)據(jù)（列表 1）。
int main (void)
{
...
/* Initialize icm20948 serif structure */
struct inv_icm20948_serif icm20948_serif;
icm20948_serif.context = 0; /* no need */
icm20948_serif.read_reg = idd_io_hal_read_reg;
icm20948_serif.write_reg = idd_io_hal_write_reg;
icm20948_serif.max_read = 1024*16; /* max num bytes allowed per serial read */
icm20948_serif.max_write = 1024*16; /* max num bytes allowed per serial write */
icm20948_serif.is_spi = interface_is_SPI();
...
* Setup the icm20948 device */
icm20948_sensor_setup();
/*
* Now that Icm20948 device was initialized, proceed with DMP image loading
* This step is mandatory as DMP image are not store in non volatile memory
*/
load_dmp3();
/*
* Initialize Dynamic protocol stuff
*/
DynProTransportUart_init(&transport, iddwrapper_transport_event_cb, 0);
DynProtocol_init(&protocol, iddwrapper_protocol_event_cb, 0);
/*
* Initializes the default sensor ODR in order to properly init the algorithms
*/
sensor_configure_odr(period_us);
InvScheduler_init(&scheduler);
...
while (1) {
InvScheduler_dispatchTasks(&scheduler);
if (irq_from_device == 1) {
inv_icm20948_poll_sensor(&icm_device, (void *)0, build_sensor_event_data);
__disable_irq();
irq_from_device = 0;
__enable_irq();
}
}
return 0;
}
列表 1： 開發(fā)人員可以檢查 DK-20948 eMD SmartMotion 軟件包中提供的示例源代碼，以了解主要設(shè)計模式，如示例應(yīng)用的 main.c 例程中此代碼片段所列的 ICM-20948 初始化和傳感器輪詢模式。（代碼來源： TDK InvenSense）
編程 ICM-20948 等高度集成的設(shè)備時，開發(fā)人員很容易發(fā)現(xiàn)自己不僅要應(yīng)付設(shè)備的很多配置選項，還要應(yīng)付高效操作設(shè)備所需的大量軟件組件。eMD 內(nèi)核包通過一系列的抽象（包括軟件結(jié)構(gòu)和服務(wù)層）消除了該復雜性。例如，關(guān)鍵軟件結(jié)構(gòu) inv_icm20948 收集了操作 ICM-20948 所需的所有數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，包括其串行接口定義（列表 2）。
/** @brief ICM20948 serial interface
*/
struct inv_icm20948_serif {
void * context;
int (*read_reg)(void * context, uint8_t reg, uint8_t * buf, uint32_t len);
int (*write_reg)(void * context, uint8_t reg, const uint8_t * buf, uint32_t len);
uint32_t max_read;
uint32_t max_write;
inv_bool_t is_spi;
};
列表 2： 為幫助降低軟件復雜性，DK-20948 eMD SmartMotion 軟件內(nèi)核例程提供很多 C 語言結(jié)構(gòu)，這就是其中一個例子，該示例定義 ICM-20948 串行接口的設(shè)置及 I2C 或 SPI 交易所需的適當?shù)讓幼x取和寫入例程的指示器。（代碼來源： TDK InvenSense）
在實例化 eMD 結(jié)構(gòu)及初始化設(shè)備本身之后，開發(fā)人員可以調(diào)用單個例程 inv_icm20948_poll_sensor()，以使用 inv_icm20948 結(jié)構(gòu)實例讀取傳感器和通過 DMP 處理數(shù)據(jù)。這份記錄齊全的例程有 900 多行，為開發(fā)人員詳細演示了操作傳感器、管理 FIFO 和利用 DMP 的核心功能的使用。
有興趣從更基礎(chǔ)的層面了解 ICM-20948 操作的開發(fā)人員可以轉(zhuǎn)向底層內(nèi)核例程，如設(shè)備自測試 Icm20948SelfTest.c 模塊中使用的例程。在此模塊中，int inv_do_test_accelgyro 等例程顯示了控制設(shè)備的典型寄存器操作（列表 3）。
static int inv_do_test_accelgyro(struct inv_icm20948 * s, enum INV_SENSORS sensorType, int *meanValue, int *stMeanValue)
{
...
// Set Self-Test Bit
if (sensorType == INV_SENSOR_GYRO)
{
// Enable gyroscope Self-Test by setting register User Bank 2, Register Address 02 (02h) Bit [5:3] to b111
result = inv_icm20948_write_single_mems_reg(s, REG_GYRO_CONFIG_2, BIT_GYRO_CTEN | SELFTEST_GYRO_AVGCFG);
} else
{
result = inv_icm20948_write_single_mems_reg(s, REG_ACCEL_CONFIG_2, BIT_ACCEL_CTEN | SELFTEST_ACCEL_DEC3_CFG);
}
...
}
列表 3： 開發(fā)人員可以在 DK-20948 eMD SmartMotion 軟件包中發(fā)現(xiàn)演示 ICM-20948 在多個抽象層面使用的例程，包括 Icm20948SelfTest.c 模塊此代碼片段中顯示的寄存器級訪問。（代碼來源： TDK InvenSense）
在列表 3 中，（相對）高級的 inv_icm20948_write_single_mems_reg() 函數(shù)會調(diào)用低級例程 inv_icm20948_write_reg()，從而傳遞給常見的 inv_icm20948 結(jié)構(gòu)實例。該調(diào)用會向下傳達到低層，最終到達實際執(zhí)行寄存器寫入操作的例程中。為執(zhí)行此操作，該最終低級函數(shù)使用軟件初始化期間加載到 inv_icm20948_serif 串行接口結(jié)構(gòu)實例中的寄存器寫入例程指示器，如前面的列表 2 所示。這種分層方法對于幫助最大限度降低軟件復雜性和最大限度提高性能是必不可少的。
對于開發(fā)人員，eMD SmartMotion 架構(gòu)提供一個在一組一致的關(guān)鍵預(yù)定義結(jié)構(gòu)上構(gòu)建的靈活框架。使用 eMD 軟件包，開發(fā)人員可以在高水平上工作，從而使用抽象快速執(zhí)行應(yīng)用。同時，開發(fā)人員可以輕松跳入低層以執(zhí)行定制功能，而不會失去與更高級軟件的一致性。eMD SmartMotion 軟件包和 DK-20948 開發(fā)板一起使用，可以提供全面的平臺來快速開發(fā)運動感應(yīng)應(yīng)用。
總結(jié)
TDK InvenSense ICM-20948 模塊為運動感應(yīng)提供了完全集成的解決方案。使用相關(guān)的 DK-20948 開發(fā)套件和 eMD SmartMotion 軟件包，開發(fā)人員可以快速構(gòu)建能夠滿足最低尺寸和功耗要求的運動感應(yīng)解決方案。
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