多軸MEMS陀螺儀結構大幅縮小，單封裝集成數字接口，占板面積僅幾平方毫米，低廉的價(jià)格被大多數客戶(hù)接受，這些優(yōu)勢促使MEMS陀螺儀滲透到手持設備市場(chǎng)。MEMS陀螺儀讓便攜設備能夠增加很多令人驚喜的特色功能，其中包括提高相機性能的圖像穩定功能；增加更多功能并提高易用性的用戶(hù)界面；令人興奮的游戲娛樂(lè )功能。MEMS陀螺儀還將用于需要高靈敏度、低噪聲、低漂移的航位推測和GPS輔助導航。

本文討論如何根據角速率和角位移測量結果，從一個(gè)MEMS陀螺儀快速獲取有價(jià)值的信息。 第一部分論述MEMS陀螺儀的工作原理和目標應用；第二部分介紹模擬輸出或數字輸出MEMS陀螺儀的主要參數；第三部分介紹MEMS陀螺儀的實(shí)用校準技巧；第四部分通過(guò)4個(gè)示例，從角位移的角度說(shuō)明如何測試MEMS陀螺儀的性能。

一.MEMS陀螺儀技術(shù)概述

MEMS陀螺儀在高性能和低功耗方面取得了巨大的進(jìn)步。這些器件可實(shí)現量產(chǎn)、價(jià)格低廉、尺寸緊湊，被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品中。

1. MEMS陀螺儀工作原理

MEMS陀螺儀利用科里奧效應測量運動(dòng)物體的角速率，如圖1所示。


根據科里奧效應，當一個(gè)物體(m)沿V方向運動(dòng)且施加角旋轉速率Ω時(shí)，該物體將受到一個(gè)黃色箭頭方向的力。然后，從一個(gè)電容感應結構可以測到科里奧效應最終產(chǎn)生的物理位移。

目前市面上的MEMS陀螺儀多數采用一種調音叉結構。這種結構由兩個(gè)振動(dòng)并不斷地做反向運動(dòng)的物體組成，如圖2所示。當施加角速率時(shí)，每個(gè)物體上的科里奧效應產(chǎn)生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率Ω成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉換成電壓輸出信號；如果是數字陀螺儀，則轉換成最低有效位。


如果在兩個(gè)物體上施加線(xiàn)性加速度，這兩個(gè)物體則向同一方向運動(dòng)。因此，不會(huì )檢測到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對傾斜、撞擊或振動(dòng)等線(xiàn)性加速度不敏感。
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2.MEMS陀螺儀應用

下面是MEMS陀螺儀的目標應用：.

● MEMS陀螺儀能夠測量角速率。數碼相機使用陀螺儀檢測人手的旋轉運動(dòng)，能夠對圖像起到穩定的作用。在汽車(chē)上，偏航陀螺儀可以開(kāi)啟電子穩定控制（ESC）制動(dòng)系統，防止汽車(chē)急轉彎時(shí)發(fā)生意外事故。當汽車(chē)出現翻滾狀況時(shí)，滾轉陀螺儀可以引爆安全氣囊。
● 當汽車(chē)導航系統無(wú)法接收GPS衛星信號時(shí)，偏航陀螺儀能夠測量汽車(chē)的方位，使汽車(chē)始終沿電子地圖的規劃路線(xiàn)行駛，這個(gè)功能被稱(chēng)之為航位推測系統。
● 偏航陀螺儀還能用于室內機器人控制。
● 安裝在機器人四肢上的多路慣性測量單元(IMU)能夠跟蹤和監測身體運動(dòng)。
● IMU可用于空中鼠標。
● IMU還能用于運動(dòng)控制式游戲平臺。
● IMU配合磁力計和GPS接收器，可以在手持設備上執行個(gè)人導航功能。

二.理解MEMS陀螺儀的主要參數

● 電源（V）：這個(gè)參數規定了陀螺儀正常工作所需的直流電源電壓范圍。
● 電源電流 (mA)：這個(gè)參數規定了陀螺儀正常工作所消耗的電流大小。
● 睡眠模式電源電流 (mA)：這個(gè)參數規定了陀螺儀在睡眠模式下所消耗的電流大小。
● 關(guān)機模式下的電源電流(μA)：這個(gè)參數規定了當陀螺儀電源關(guān)閉時(shí)所消耗的電流大小。
● 全量程 (dps)：這個(gè)參數規定了陀螺儀的量程范圍。
● 零速率輸出值(電壓或最低效位)：這個(gè)參數規定了當陀螺儀沒(méi)有被施加角速率時(shí)的零速率輸出信號的數值。
● 靈敏度 (mV/dps或dps/LSB)：這個(gè)參數規定了在零速率輸出值時(shí)1 dps與模擬陀螺儀輸出電壓變化的關(guān)系，用mV/dps表示；數字陀螺儀的靈敏度(dps/LSB)表示1個(gè)最低有效位與dps的關(guān)系。
● 靈敏度變化與溫度關(guān)系(%/°C)：這個(gè)參數規定了當溫度偏離25℃室溫時(shí)，以℃為單位的靈敏度百分比變化。
● 零速率輸出值變化與溫度關(guān)系(dps/℃)：這個(gè)參數規定了當溫度偏離25℃室溫時(shí)，以℃為單位的零速率輸出值的變化。
● 非線(xiàn)性 (% FS)：這個(gè)參數規定了陀螺儀輸出與最佳匹配直線(xiàn)之間的最大誤差占全量程(FS) 的百分比。
● 系統帶寬(Hz):這個(gè)參數規定了角速率信號頻率范圍：從直流到模擬陀螺儀可測量的內部帶寬（BW）。
● 速率噪聲密度 (dps/√Hz):這個(gè)參數規定了能夠從陀螺儀輸出以及BW參數獲得的模擬陀螺儀和數字陀螺儀的標準分辨率。
● 自測 (mV or dps)：這個(gè)功能可用于測試陀螺儀工作是否正常。這個(gè)功能的好處是在陀螺儀安裝到印刷電路板后無(wú)需旋轉印刷電路板即可測試陀螺儀。

三.MEMS陀螺儀校準

每個(gè)陀螺儀在出廠(chǎng)前都經(jīng)過(guò)嚴格的性能測試以及靈敏度和零速率輸出值校準。不過(guò)，當陀螺儀組裝到印刷電路板后，因為機械或電焊應力的影響， 零速率輸出值和靈敏度可能會(huì )略微偏離工廠(chǎng)校準調試值。對于游戲機和遙控器等應用，設計人員只要用數據表中的典型零速率和靈敏度參數，即可把陀螺儀的測量信號轉換成角速率。對于要求嚴格的應用，設計人員需要重新校準陀螺儀的零速率輸出值、靈敏度和以下重要參數:

● 失準 (又稱(chēng)跨軸靈敏度)
● 線(xiàn)性加速度靈敏度或g-靈敏度
● 長(cháng)期運行偏差穩定性
● 導通-導通偏差穩定性
● 長(cháng)時(shí)間工作后偏差和靈敏度漂移

1.消除零速率不穩定性

公式1是陀螺儀輸出的表達式。

其中：
Rt (dps)是實(shí)際角速率
Rm(LSB)是陀螺儀的測量結果
R0 (LSB)是零速率輸出值
SC (dps/LSB)是靈敏度

為修正導通-導通偏差不穩定性，在陀螺儀上電后，用戶(hù)可以采集50～100個(gè)輸出數據樣本，取這些樣本的平均值作導通零速率輸出值R0 ，假設該陀螺儀是靜止狀態(tài)。

因為溫度變化和測量噪聲，當陀螺儀是靜止狀態(tài)時(shí)，陀螺儀的每次讀數可能略有不同。設定一個(gè)閾值Rth ，如果陀螺儀測量值的絕對值小于閾值，則使陀螺儀的讀數歸零，如公式2所示。這個(gè)方法將消除零速率噪聲，當陀螺儀靜止時(shí)，角位移不會(huì )累加。


每當陀螺儀靜止時(shí)，用戶(hù)可以采集50～100個(gè)陀螺儀數據，然后取這些樣本的平均值作為零速率輸出值R0。這個(gè)方法可以消除零速率運行偏差和微小溫度變化。在零速率采樣后，必須從上面的幾步開(kāi)始考慮不穩定性，因此公式 (1) 變?yōu)椋?br />

因此，下一步就是利用一個(gè)參照系統確定公式3中的靈敏度SC的數值。

應該強調的是，MEMS陀螺儀的靈敏度非常穩定，受工作時(shí)間和環(huán)境溫度的影響很小，僅上面提到的高靈敏度應用才需要校準過(guò)程。
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2.使用角速率測量臺確定靈敏度

因為陀螺儀能夠直接測量角速率，所以角速率測量臺是校準陀螺儀靈敏度的最佳參考標準。在一個(gè)精確角速率測量臺內有一個(gè)內嵌溫度單元。為了確保在校準陀螺儀過(guò)程中角速率測量臺不受環(huán)境振動(dòng)的影響，角速率測量臺被置于一個(gè)振動(dòng)隔離平臺之上。

把手持設備置于一個(gè)正方體的鋁盒或塑料盒內，然后把整個(gè)系統安裝在角速率測量臺上進(jìn)行校準。使角速率測量臺沿順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)不同方向旋轉。如果被校準的是多軸陀螺儀，把方正形測試盒置于角速率測量臺上的不同方位，然后重復上面的校準過(guò)程。收集完陀螺儀在不同狀況下的原始數據后，即可確定零速率輸出值、靈敏度、失準矩陣和g靈敏度值。

校準陀螺儀還可以選用步進(jìn)電機旋轉測量臺，用一臺個(gè)人電腦控制步進(jìn)電機旋轉測量臺。

3.使用數字羅盤(pán)確定靈敏度

如果沒(méi)有角速率測量臺，可以使用數字羅盤(pán)代替角速率測量臺。

在校準陀螺儀前，需要校準數字羅盤(pán)的傾斜度，然后將其置于周?chē)鷽](méi)有干擾磁場(chǎng)的平臺上。合并在固定采樣間隔內采集的數字羅盤(pán)相對方向信息和陀螺儀輸出數據，按公式4校準陀螺儀的靈敏度。

其中：
N：采樣數量
h：采樣間隔
H(1) ：電子羅盤(pán)初始方向
H(n)：羅盤(pán)在第n個(gè)樣本時(shí)的方向
SC (dps/LSB)：陀螺儀靈敏度
ΔR(i) ：在去除零速率輸出值和死區后，在第i個(gè)樣本的陀螺儀

輸出數據公式4可改寫(xiě)為：
(5)
其中：



因此， 我們可以從公式5得到利用最小平方方法計算的SC。


圖3描述了以度為單位的羅盤(pán)相對方向的變化，以及合并數據后的陀螺儀角位移。通過(guò)觀(guān)察圖3不難看出，羅盤(pán)相對方向變化（紅線(xiàn)）與陀螺儀位移（藍線(xiàn)）有非常好的線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)公式6，我們可以求得陀螺儀靈敏度校準參數。
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4.MEMS陀螺儀測試

在完成陀螺儀校準后，最后一步是測試陀螺儀的性能，了解如何從陀螺儀原始數據中獲取有價(jià)值的角位移信息。

當陀螺儀沒(méi)有旋轉時(shí)，陀螺儀輸出原始數據應在零速率輸出值附近，且數據整合后陀螺儀方向應始終為0°。

測試2：當陀螺儀順時(shí)針整圈旋轉時(shí)

在采集30-～50個(gè)陀螺儀原始數據樣本以修正零速率輸出值偏差后， 使陀螺儀順時(shí)針旋轉90°，再繼續旋轉90°，直到旋轉360°。見(jiàn)圖4。


測試3：當陀螺儀逆時(shí)針整圈旋轉時(shí)

在采集30～50個(gè)陀螺儀原始數據樣本以修正零速率輸出值偏差后，使陀螺儀逆時(shí)針旋轉90°，再旋轉90°，直到旋轉360°。這種情況下，每次旋轉90°時(shí)，角速率都不相同，但是陀螺儀方向測量精確歸零，誤差大約僅1.6°。

5.結論

隨著(zhù)MEMS技術(shù)和制程的進(jìn)步，MEMS陀螺儀的成本不斷降低，性能不斷提高，功耗越來(lái)越低，尺寸越來(lái)越小，能夠讓手持設備增加更多新功能。

MEMS陀螺儀是在特性測試和質(zhì)量檢測過(guò)程中完成校準。大多數應用沒(méi)有必要校準陀螺儀，不過(guò)，對于復雜的要求嚴格的應用（如導航和航位推測），在組裝到印刷電路板后投入量產(chǎn)前，需重新校準零速率輸出值和靈敏度。

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