專利名稱：低功率運動檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及加速度計，并且更具體地涉及來自加速度計的信號的處理。
背景技術：
加速度計被用來將重力引起或者運動引起的加速度轉換成可以隨后加以分析的電信號。加速度計被使用于廣泛多樣的應用中，這些應用包括汽車氣囊和懸掛系統(tǒng)、計算機硬盤驅動、用于炸彈和導彈的爆炸系統(tǒng)以及機器振動監(jiān)視器。加速度計在比如無線電話的便攜設備中也是有用的，例如以便在設備充分地移動以指示有人已經拾起設備時使設備上電。比如無線電話的無線設備使用小型電池進行操作，因此對于無線設備的每個部件而言消耗盡可能少的功率是重要的，不僅包括加速度計而且包括用來評價來自加速度計的數(shù)據(jù)的電路。
最簡單的加速度計僅能測量加速度矢量的一個分量，但是更復雜的加速度計被配備用來測量加速度的所有三個分量，在這種情況下加速度計稱為3軸或者三軸加速度計。來自加速度計的輸出信號可以是數(shù)字的，或者輸出信號可以從模擬轉換成數(shù)字。
多年來已經眾所周知，典型的加速度計將包括附著于彈簧的“檢測質量”(有時稱為“地震質量”)，而輸出信號然后將按照檢測質量的位置來確定。這一產生輸出信號的過程在可以是電勢測定式或者電容式或者電感式的不同加速度計中以不同的方式來實現(xiàn)。近年來，已經開發(fā)例如完全不需要檢測質量的其它類型的加速度計。由于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術已經改進，所以加速度計的最小尺寸已經隨著時間逐漸地變小。一些基于MEMS的加速度計甚至不需要任何移動部件。
必須處理來自加速度計的電輸出信號以產生關于容納加速度計的設備所經歷的加速度的結論。根據(jù)典型的現(xiàn)有技術，來自三軸加速度計的數(shù)字輸出信號將通過一種精細并且對能量要求很高的過程以完全的準確度來處理，該過程例如涉及到高通和低通濾波、抽選和校準的組合。如果此現(xiàn)有技術可以輔之以一種用于在需要較低準確度時使用的對能量要求較低的技術則將是很有用的。這在通常具有有限功率容量的便攜無線設備中將是尤其有用的。

發(fā)明內容
本發(fā)明描述了一種用以實施運動檢測器的方式，該檢測器可以通過很高效地分析來自設備的三軸加速度計的信號來檢測設備的加速度。一旦通過加速度計輸出的能量高效的分析來檢測此運動，就可以使用現(xiàn)有信號處理技術的完全準確度來量化加速度。換而言之，本發(fā)明將加速度計輸出的分析大致分為兩個部分運動檢測和運動量化。只有在運動檢測的能量高效的過程已經指示了運動(例如加速度)已經達到某一閾值之后才執(zhí)行運動量化的對能量要求很高的過程。
本發(fā)明在啟動時自動地設置參考水平以便消除設備取向效應。本發(fā)明也自動地更新參考水平以便減少漂移問題。此外，本發(fā)明在比較之前涉及到采樣求和以便消除較高頻率的信號雜質。
因而，除絕對必要的情況之外沒有主處理器活動，而僅當已經滿足先前建立的移動檢測標準時才將數(shù)據(jù)發(fā)送到主處理器。本發(fā)明的主要目的在于使主處理器減輕重復任務，以及在于以功率高效的方式局部地處理傳感器輸入和變換器輸出，同時僅當有必要時才中斷主處理器。


圖1示出了包括低功率運動檢測器的系統(tǒng)。
圖2示出了包括分析加速度所有三個分量的低功率運動檢測器的系統(tǒng)的另一實施例。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的方法。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的低功率運動檢測器。
圖5示出了本發(fā)明的又一方法方面。
具體實施例方式
本發(fā)明的運動檢測器使用伴隨有測量電子元件的加速度計已經生成的加速度數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用12位模擬到數(shù)字轉換器(ADC)以及包括低通濾波、數(shù)個抽選級和校準算法的數(shù)字信號處理來獲得完全準確度的加速度測量。具有1mg/l LSB的ADC用于±2g動態(tài)范圍，而如果該動態(tài)范圍改變則絕對分辨率相應地改變。該系統(tǒng)也包括用于利用最低可能的功率消耗來初始檢測顯著運動的運動檢測器。只有運動檢測器模式指示了已經達到運動閾值才會使用完全準確度模式。
在運動檢測器模式下，較高水平的處理功能(例如使用應用處理器)可以保持于空閑狀態(tài)直至有顯著移動，這時就需要進一步處理。由此容納加速度計的設備的處理器可以執(zhí)行其它任務或者完全不執(zhí)行任務，直至在加速度超過預定義限制時被運動檢測器生成的信號所中斷。
本發(fā)明的運動檢測器有助于以數(shù)種不同方式節(jié)省功率。例如，系統(tǒng)處理器無需持續(xù)地監(jiān)視移動，因此可以保持于空閑狀態(tài)。另外在運動檢測器模式過程中可以放松模擬和數(shù)字信號處理準確度要求，這就節(jié)省了附加功率。類似地可以放松模擬和數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)速率(操作頻率)要求，以便節(jié)省更多功率。在加速度計和處理器之間不需要連續(xù)的接口活動，這進一步節(jié)省了功率。
一旦檢測到整個設備的移動，就可以將設備切換到完全準確度模式，并且可以喚醒應用處理器以進行移動的進一步分析或者作為對移動的響應而執(zhí)行具體動作。
所述運動檢測器的功能和性質具有數(shù)個重要方面。例如，針對每一軸將傳入加速度數(shù)據(jù)求和到單個寄存器中。以這一方式求和的采樣的數(shù)目是可編程的設置。當已經求和所編程數(shù)目的采樣時，通過向左移位位矢量來對輸出作除法，以便獲得所選數(shù)目的采樣的平均值。這一平均過程實施低通濾波功能，并且使運動檢測器對較高頻率的信號雜質不敏感。這一平均過程比需要乘法器的濾波器結構消耗明顯更少的功率。
所述運動檢測器的實施例的另一重要方面在于，當啟用運動檢測器時，自動地計算參考水平。這一功能的益處在于，當設置閾值水平時因而無需考慮不同信道上的偏移，并且也可以獨立于設備取向和重力矢量來設置閾值水平。平均過程也用于這一參考水平計算(見先前對傳入加速度數(shù)據(jù)平均過程的描述)。假設使用三軸加速度計，針對三軸中的各軸以這一方式計算參考水平。
所述運動檢測器的實施例的又一重要方面在于可以自動地和周期性地更新參考水平，其中這一周期是可編程的參數(shù)。這一過程實施具有很低角頻率(角頻率是半功率點的頻率，在該頻率處濾波器傳輸它的峰值傳輸?shù)囊话?的高通濾波函數(shù)。這一過程也減少運動檢測器對偏移漂移問題如溫度漂移的敏感性。需要加速度計的復雜機器、機器人和無線設備在許多不同環(huán)境中運轉，而那些加速度計因此需要在周圍大氣有變化，包括濕度、壓力以及尤其是溫度的變化時維持它們的精確度。也可以通過來自處理器的寄存器寫操作來更新參考水平偏移。與上述傳入加速度數(shù)據(jù)平均過程相組合，這一參考水平的自動更新以功率很高效的方式實施帶通濾波功能。在不考慮重力方向的設備取向的情況下設置參考水平，并且因此極大地流水線化這些參考電平的設置，同時相應地減少了功率要求。
所述運動檢測器的實施例的附加重要方面是獨立地為各軸對閾值水平進行編程這一思想。這些閾值水平用于觸發(fā)主處理器的中斷，并且這些閾值水平參數(shù)確定絕對加速度水平與參考水平之間的差異以便觸發(fā)中斷。用于觸發(fā)條件的公式如下
|ax當前-ax參考|＞ax閾值。
|ay當前-ay參考|＞ay閾值。
|az當前-az參考|＞az閾值。
所述運動檢測器的實施例的又一重要方面是可以針對不同軸上的單獨中斷條件對使用“AND”和“OR”邏輯運算符的不同組合進行編程以便以如下方式生成主處理器的中斷，該方式可以根據(jù)整個設備被要求執(zhí)行什么功能或者根據(jù)可以變化的其它因素來改變。例如可以通過為x軸設置兩個參數(shù)、為y軸設置兩個參數(shù)和為z軸設置兩個參數(shù)對這些不同組合進行編程?？梢詥⒂?禁用每個軸以形成OR運算，或者需要/不需要每個軸以形成AND運算。如下組合是一些可能1.x(啟用x，禁用y和z)2.y(啟用y，禁用x和z)3.z(啟用z，禁用x和y)4.x和y(啟用和需要x和y)5.x和z(啟用和需要x和z)6.y和z(啟用和需要y和z)7.x和y和z(啟用和需要x、y和z)8.x或y(啟用x和y，禁用z)9.x或z(啟用x和z，禁用y)10.y或z(啟用y和z，禁用x)11.x或y或z(啟用x和y和z)因此，例如組合#1意味著只有x軸上的加速度分量才引起主處理器的中斷，而其它兩個分量不是這一中斷判決中的因素。組合#4意味著無論加速度z分量如何，x分量和y分量都必須達到必要閾值才引起中斷。組合#9意味著x分量或者z分量可以引起中斷而y分量是不相關的。
上文列舉的十一種可能組合不是僅有的可能。例如，可以使用這些條件的平方和。這將允許系統(tǒng)并且特別是中斷條件以與至少一個軸坐標旋轉共變的方式起作用。
如上所示，運動檢測器可以觸發(fā)作為水平敏感或者邊緣敏感中斷而使用的中斷信號。當滿足所限定的中斷規(guī)則(即在所選一個或者多個軸上超過閾值)時設置這一中斷?？梢酝ㄟ^寫入中斷確認寄存器來清除中斷?？梢詮募拇嫫鹘涌谧x取關于超過哪些軸的加速度閾值的狀態(tài)。
另外，所述運動檢測器的實施例的一個重要方面在于，當將設備模式設置為運動檢測器模式而不是完全準確度模式時，模擬前端、ADC轉換器以及數(shù)字處理功能的分辨率和數(shù)據(jù)速率例如從12位減少到8位。這一方式可以實現(xiàn)相當多的功率節(jié)省，而當檢測移動開始或者檢測存在移動時無需優(yōu)于8位的準確度。為了分析移動本身，接著可以將設備自動地切換到完全性能模式(即完全準確度模式)。
另外，所述運動檢測器的實施例的一個重要方面在于，當運動檢測器處于“關閉”或者“空閑”狀態(tài)時關斷(gate off)時鐘信號。當沒有新數(shù)據(jù)要由運動檢測器處理時也關斷時鐘。這造成了實現(xiàn)極低功率操作的僅幾kHz的有效時鐘速率。當設備處于完全準確度模式時或者當加速度計沒有提供顯著輸出信號時或者在其它相似處境下運動檢測器可以處于“關閉”或者“空閑”狀態(tài)。
本發(fā)明的運動檢測器可以例如用來實施簡單的計步器。對于每一步，如果正確地設置閾值則會有超過閾值的加速度。這一加速度事件將觸發(fā)處理器的中斷以便可能在圖形用戶接口中更新計步器值。在另一情況下，連接到運動檢測器的硬件可以自身計算這些步而不中斷處理器，并且處理器在需要時讀取步計數(shù)。
現(xiàn)在參照附圖，圖1示出了包括產生加速度計輸出信號110的電容式加速度計105的系統(tǒng)100。低功率運動檢測器115接收和分析加速度計輸出信號110，而如果運動檢測器確定顯著加速度是存在的或者可能存在，則運動檢測器將處理器中斷信號120發(fā)送到處于空閑狀態(tài)或者在執(zhí)行其它任務的處理器125。如果處理器125至少基于以更大的準確度分析低功率運動檢測器115所分析的相同數(shù)據(jù)而同意顯著加速度是存在的或者可能存在，則處理器125將輸出查詢信號130發(fā)送到加速度計105以便尋找來自加速度計的更多輸出，而加速度計然后在查詢的輸出信號135中將那一更多輸出提供給處理器。處理器然后能夠更完全和準確地分析加速度計輸出數(shù)據(jù)和/或確定需要響應于加速度計輸出數(shù)據(jù)而采取的動作。
然而應當注意，即使達到(或者可能已經達到)顯著加速度的閾值，有時候仍會希望避免處理器125的更具體分析。一個例子是如下應用，該應用用于通過簡單地對使用位于用戶腕部的加速度計105以及低功率運動檢測器105而測量的超過閾值(例如100gm)的次數(shù)(或者速率)進行計數(shù)來觀察用戶的活動程度。
參照圖2，該圖以比圖1中更多一些的細節(jié)示出了根據(jù)本發(fā)明又一實施例的系統(tǒng)200。電容式加速度計205提供輸出210，該輸出包括用于各坐標軸的輸出。該輸出被提供給傳感器接口和信號處理ASIC 215。這一集成電路215包括具有用以將電容轉換成電壓(C到V)的能力的前端220，而這一電壓被提供給ADC 225。注意到可以使用其它類型的加速度計而不是電容式加速度計，而一些可選加速度計是電勢測定式和電感式加速度計。所得數(shù)字信號230被饋送到低功率運動檢測器115，該檢測器分析那一數(shù)據(jù)并且將中斷信號240提供給應用處理器245和完全準確度數(shù)字信號處理器250。處理器250然后接收進一步數(shù)字化的加速度計輸出255以供濾波、抽選和校準以便更完全地分析加速度計輸出。處理器250然后能夠經由總線接口260提供指令等給應用處理器245，使得應用處理器可以響應于檢測和量化的加速度采取適當?shù)膭幼鳌?br> 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的簡化方法300。例如當設備被再充電時或者當設備中的單元沒有檢測到任何加速度時，啟用(305)位于設備內的低功率運動檢測器。然后為三個坐標軸中的各軸設置(310)參考水平，其中坐標軸對應于設備的軸而非環(huán)境的固定軸。設置參考水平可以涉及到例如針對偏移誤差來調節(jié)加速度測量，這些偏移誤差是比如溫度、空氣壓力、濕度這樣的因素以及甚至在測量加速度之前可以考慮到的其它因素所造成的。對三個軸中各軸的加速度計數(shù)據(jù)進行平均(315)，這是一種不突出測量誤差的簡單和功率高效的方式。自動地和周期性地更新(320)一個或者多個參考水平以補償變化的環(huán)境條件。如果平均加速度減去參考電平超過閾值則提供(325)處理器中斷信號，使得處理器然后可以用通常的完全準確度來監(jiān)視加速度和/或響應于加速度的檢測來采取動作。
圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的低功率運動檢測器115的實施例。X軸加速度計數(shù)據(jù)405被饋送到x軸求和寄存器410，并且類似地，y軸數(shù)據(jù)415和z軸數(shù)據(jù)420被分別地饋送到y(tǒng)軸求和寄存器425和z軸求和寄存器430。這三個寄存器各自也從保持對各種求和的計數(shù)的采樣計數(shù)器435和信道計數(shù)器440接收輸入。求和寄存器將求和的平均提供給相應偏移和比較單元445。偏移和比較單元445應用至少一個參考水平寄存器450所提供的偏移，并且比較那一結果與由至少一個配置和控制寄存器455提供給偏移和比較單元445的至少一個閾值。參考水平寄存器450被配置用以從控制參考水平更新過程的機器460接受更新。偏移和比較單元445將它們的偏移和比較結果提供給將應用組合的屏蔽和組合單元465，該組合比如是上文列舉的組合1-11。如果那一組合的結果是檢測到顯著加速度，則中斷單元470負責向運動檢測器115以外的部件告警。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的方法500。起初關閉(505)運動檢測器。在開啟時運動檢測器進入運動檢測器模式(510)，并且設置(515)參考水平，使得適當?shù)仄苼碜约铀俣扔嫷臄?shù)據(jù)以補償加速度計操作于其中的可變環(huán)境條件。如果沒有來自加速度計的顯著數(shù)據(jù)(例如由于加速度計數(shù)據(jù)沒有隨時間顯著地改變)，則運動檢測器轉向空閑模式并且可以最終地回復到“關閉”模式(505)。然而，如果運動檢測器確實從加速度計接收到顯著數(shù)據(jù)，則運動檢測器更新(520)加速度數(shù)據(jù)的求和，比較(525)那一偏移求和與閾值，并且如果比較525的結果是肯定的(即如果超過閾值)則激活(540)中斷。該中斷使運動檢測器回到(545)空閑狀態(tài)，因為另一單元(例如完全準確度信號處理器)將變得負責分析加速度計數(shù)據(jù)而不是運動檢測器執(zhí)行那一分析。不僅在啟動運動檢測器時而且在已經過去指定時間之后自動地和周期性地對參考水平進行重置(515)，或者可以用寄存器寫來強制進行這一重置515。在可接受非活動的時段過程中，比如當在已經檢測到運動并且已經發(fā)送中斷信號到處理器之后運動檢測器被置于空閑或者關閉時，時鐘選通控制540控制加速度測量系統(tǒng)某些區(qū)域的空閑或者關閉。
將理解到所有當前附圖和對最佳實施例的附帶敘述討論并不旨在于完全地嚴格對待所考慮的方法。系統(tǒng)和裝置。本領域技術人員將理解到本發(fā)明的步驟和信號代表了不排除各種類型的中間交互的一般因果關系，并且還將理解到可以通過在這里無需進一步詳述的硬件和軟件的各種不同組合來實施在本申請中描述的各種步驟和結構。
權利要求
1.一種能量高效的加速度測量系統(tǒng)，包括加速度計，響應于所述系統(tǒng)的加速度，用于提供具有量值的加速度計輸出信號，所述量值指示了所述加速度的至少一個分量；運動檢測器，響應于所述加速度計輸出信號，用于如果所述量值達到閾值則提供處理器中斷信號；以及處理器，響應于所述處理器中斷信號，用于以比所述運動檢測器所能夠達到的準確度更高的準確度來測量加速度。
2.根據(jù)權利要求1所述的加速度測量系統(tǒng)，其中所述中斷信號標記從運動檢測器模式到完全準確度模式的改變，其中所述中斷信號用于中斷所述處理器的功率節(jié)省狀態(tài)以及用于開始所述運動檢測器的功率節(jié)省狀態(tài)，其中在所述完全準確度模式下，所述處理器利用包括低通濾波、多個抽選級和校準算法的數(shù)字信號處理，以及其中所述運動檢測器模式比所述完全準確度模式消耗更少能量。
3.根據(jù)權利要求1所述的加速度測量系統(tǒng)，其中所述處理器只有在所述處理器中斷信號已經中斷所述處理器時才響應于所述加速度計輸出信號，以及其中所述系統(tǒng)還包括用于將所述加速度計輸出信號從模擬轉換成數(shù)字的轉換器。
4.根據(jù)權利要求1所述的加速度測量系統(tǒng)，其中所述處理器也用于只有在所述處理器已經接收所述處理器中斷信號時才執(zhí)行對所述加速度的響應。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)容納于也包括移動通信終端的便攜設備中。
6.一種使用最小功率消耗來分析加速度計輸出信號的方法，包括在啟用運動檢測器時為各軸自動地設置參考水平，對從加速度計輸出信號獲得的加速度數(shù)據(jù)進行平均以便在無需乘法器時實現(xiàn)低通濾波結果，以小到足以補償溫度漂移的時段自動地更新參考水平，以及如果所述運動檢測器推斷平均加速度與對應參考水平之間的絕對差異超過至少一個閾值則提供處理器中斷信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，還包括如下后續(xù)步驟所述處理器利用低通濾波、多個抽選級和校準算法來執(zhí)行數(shù)字信號處理。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中獨立地為各軸對所述至少一個閾值進行編程，以及其中超過所述至少一個閾值的至少一個編程組合是生成所述中斷信號所必需的。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中只有在所述處理器確認所述平均加速度與所述對應參考水平之間的所述絕對差異超過所述至少一個閾值時才對更多加速度計輸出信號應用所述后續(xù)步驟。
10.一種以用于執(zhí)行根據(jù)權利要求6所述的方法的軟件數(shù)據(jù)結構來編碼的計算機可讀介質。
11.一種運動檢測器，用于以最小的功率消耗來分析加速度計輸出信號，包括至少一個參考水平寄存器，用于為各軸自動地設置和周期性地更新參考水平，用于各坐標軸的求和寄存器，用于對從所述加速度計獲得的加速度數(shù)據(jù)進行平均以產生平均加速度，偏移和比較單元，用于使用所述參考水平來偏移所述平均加速度，用于提供偏移加速度，以及用于比較所述偏移加速度與至少一個閾值，中斷單元，用于如果達到所述至少一個閾值則提供處理器中斷信號。
12.根據(jù)權利要求11所述的運動檢測器，其中使用所述求和寄存器以取代乘法器，其中與設備取向和重力方向相獨立地設置和更新所述參考水平，以及其中以足以補償溫度漂移的間隔來執(zhí)行所述參考水平的所述更新。
全文摘要
提供一種能量高效的加速度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括加速度計，響應于系統(tǒng)的加速度，用于提供具有量值的加速度計輸出信號，該量值指示了加速度的至少一個分量。運動檢測器響應于加速度計輸出信號，并且只有在加速度計的量值達到閾值時才提供處理器中斷信號。處理器響應于處理器中斷信號以比運動檢測器所能夠達到的準確度更高的準確度但是以消耗比運動檢測器所需功率更多的功率的方式來測量加速度。
文檔編號H01H35/14GK101095055SQ200580045511
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權日2004年12月30日
發(fā)明者J·拉科拉, J·薩爾米南, K·科利, T·薩洛 申請人:諾基亞公司