下一代无线传感进一步向前发展

2009年10月27日 08:10    李宽
关键词: 传感 , 发展 , 无线 , 下一代
作者:Michelle Kelsey 飞思卡尔半导体   时间:2009-10

  说到游戏业,你会发现运动传感目前处于技术最前沿。当今的领先游戏平台(及后续产品)均包含无线传感手持遥控器。这种运动传感遥控器可用来表现现实生活中的各种运动器材,如球拍、剑和方向盘。

  当今的无线传感遥控器

  当今的动作游戏控制器中集成动作传感功能,使红外线LED与遥控上的光传感器协同工作,这样它就可以作为一个精确的定点设备(可达5m)。该控制器需要两节AA电池作为电源,如果仅为加速计提供电源,电池的使用寿命可达60小时;而如果同时给加速计和指示器提供电源,电池的使用时间则只有25小时。

  遥控器中的加速计是模拟输出,灵敏度为±2g 和 ±3g。动作由该加速计来检测,电压输出发送至机载处理器,并进行数字化处理,然后通过蓝牙协议发出,以实现低功耗和低输入延迟,从而大幅减少动作控制和游戏响应之间的延迟。

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  当今的MEMS传感器

  MEMS加速计是测量静态(由于地心引力的恒定力)和动态(由于运作或振动)加速度的传感技术,取代了上一代游戏硬件控制所使用的按钮。加速计传感功能由 g-cell(感应单元)实现。g-cell 是使用半导体工艺(掩膜和刻蚀)形成的一种机械结构,它使用半导体材料(多晶硅),是一组连接到可移动中心轴上的梁;加速时,中心轴在两个梁之间移动。

  ASIC 与 g-cell 一起,共同执行信号放大、校准和滤波功能,提供与加速度成比例的输出。随着MEMS技术在遥控器中的集成,就可以为游戏控制的动作信号进行数字化处理。过去几年,加速计的g-cell经历了一个不断演进的过程。它在设计上提高了对加速度变化的灵敏度,同时降低了对封装应力的灵敏度。封装应力产生于印制电路板(PCB)组装工艺中的板卡安装过程。此外,该设计历经各种结构变化。例如,飞思卡尔开发了一种单轴加速感应器,这种加速感应器有一个弹床式的G-Cell结构,当向X和Y轴的G-Cell施加加速度时,会像弹床一样倾斜。这个结构设计为交叉手指型,可以移动感知X和Y轴的加速度。

  g-cell 设计已经更改成一个XYZ 三轴传感结构。在该结构中,交叉手指部分感应X轴和Y轴加速度,整个中心轴的上下移动来感应Z轴的加速度。XYZ三轴传感解决方案的出现,使飞思卡尔在降低功耗、成本和尺寸的同时,进一步提高了产品性能。

  运动传感器向更高集成度发展

  MEMS加速计最初是为汽车应用开发的,它们需要高度精确的加速/减速检测来检测撞车信号。直到研发了可以提高低加速度范围(低重力范围)检测灵敏度的技术后,才出现了人机接口应用。过去10年,设计规范主要针对消费电子市场的小外形、低功耗、更高功能集成和更低成本目标。这一趋势目前仍在继续,尺寸方面现在已经实现3×3mm2的封装,而诸如自动唤醒、自动休眠、阈值、脉冲和下落检测等特性现在已经在产品中得到广泛应用。飞思卡尔MMA7660FC 就是这一趋势的最好证明。例如,用于拍打和脉冲检测的配置寄存器,就允许客户指定阈值水平、持续时间和debounce filter(内部抖动消除滤波器)。通过在传感器内集成众多特性,客户能够在他们的硬件上快速实施解决方案,并且几乎不需要开发算法。这同样降低了系统控制器的处理要求。

  用无线实现更多可能

  随着传感器功能和智能程度的提高,无线电的功能也在增加。飞思卡尔MC13224V包含一个运行在26MHz速率上的32位ARM7微控制器、两个12位模数转换器、片上IEEE 802.15.4 收发器、Flash存储器、RAM、ROM和所有必需的RF匹配组件。你可能会问,要实现所有这些处理功能,需要哪些东西呢?许多无线传感器应用都需要一个更智能的数据传输和分析网络。所有动作处理都应在控制器上进行,这样只向控制台发送位置和动作向量信息,从而大幅降低网络负载,而这对延迟非常敏感的应用(如游戏)至关重要。

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  人体传感器网络是缺失的一环

  为了让游戏系统能够识别所有身体动作,它要求游戏硬件超越传统意义上的手持控制器;因此,要求每个玩家身上的无线传感网络都进行游戏控制。安装在手臂、腿、躯干和头部的传感器应当支持整个范围的动作检测。人体动作受限于身体关节,但即使有这些限制,似乎也能实现无限制的动作。加速计测量数据,如一只上肢的动作和倾斜,可以传送给同样测量动作和倾斜的另一只上肢。每个传感器都可能充当数据节点,负责测量数据并将它发送到节点集群主机,然后再确定整体动作。这个无线集群主机配备处理功能,能够对身体的一部分或全部的动作进行分析。这个主机还配备了更高带宽的无线电,使用WLAN(IEEE 802.11)或蓝牙(IEEE 802.15.1)等协议,将信息发送到控制器上。由于蓝牙协议最多只允许7个支持蓝牙的器件,它在主处理节点上的效果最好,将玩家的所有动作信号发送给控制台。但是,每个游戏机上的节点不能超过10个。

  ZigBee协议设计用于可以在指定领域支持多个无线电的应用,而且这些无线电需要在无用户干涉的情况下自动形成网络。这对于游戏控制器来说是理想之选。打开控制器,就可以了解检测新玩家,并马上开始游戏。由于ZigBee协议是专为低功耗应用设计的,它能很好地满足游戏控制器的需求,在游戏控制器中,可靠性、电池使用寿命和多功能性至关重要。

  结论

  目前,还没有任何标准对人体传感器网络协议进行定义。但是,使用当今已经上市的硬件、仍在继续开发的动作算法,以及消费游戏动作检测领域出现的明显的更高精确性趋势,游戏生产商可以开发出自己的独有方式,实现数据传输和传感器数据融合。
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