MEMS三軸加速度傳感器的量產(chǎn)用校準(zhǔn)設(shè)備

肖 濤 中國神華能源股份有限公司廣州分公司

MEMS三軸加速度傳感器的量產(chǎn)用校準(zhǔn)設(shè)備

肖 濤 中國神華能源股份有限公司廣州分公司

體感游戲手柄中的加速度傳感器必須要校準(zhǔn)零點(diǎn)和靈敏度，本文介紹了一種量產(chǎn)用的MEMS三軸加速度傳感器校準(zhǔn)設(shè)備，分析了該設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)和軟件處理過程。

1.MEMS加速度傳感器的市場介紹

2006年任天堂的W II游戲機(jī)的手柄首先內(nèi)置加速度傳感器，SONY的PS3游戲機(jī)手柄隨后也內(nèi)置加速度傳感器，得益于W II的創(chuàng)新玩法，帶動大批體感游戲熱銷。

M E M S加速度傳感器迅速普及，帶動M EM S加速度傳感器成本大幅下降。目前市場上能大批量供應(yīng)M EM S加速度傳感器的IC廠家有美新，ST，F(xiàn) r e e s c a le，

K ION IX，Bosh，ADI，HDK等，在游戲手柄上用得較多的是ST、F r eesca le和Bosh。

2.產(chǎn)品描述

該產(chǎn)品是第三方方案商設(shè)計(jì)NUNCHUK手柄，完全兼容任天堂W II游戲機(jī)的原廠手柄，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1

圖1中標(biāo)注“NUNCHUK手柄”的灰色部分是一個(gè)單獨(dú)的手柄。與W I I REMOTE主手柄通過I2C總線連接，其工作原理是：單片機(jī)（M CU）采集加速度傳感器、按鍵和搖桿的值后通過I2C總線傳送給W II Remote手柄，W II Rem ote 再通過藍(lán)牙將這些數(shù)據(jù)傳送到游戲主機(jī)W II。本文所述的校準(zhǔn)設(shè)備就是用來校準(zhǔn)NUNCHUK手柄中的加速度傳感器。

3.對加速度零點(diǎn)和靈敏度的要求

在游戲主機(jī)中有各種類型的游戲，比如飛行游戲，利用加速度傳感器檢測手柄的角度，手柄內(nèi)部加速度傳感器誤差太大會導(dǎo)致游戲操控不順暢。在拳擊游戲中，如果靈敏度誤差過大，會產(chǎn)生誤動作。經(jīng)過實(shí)際測試，傳感器的零點(diǎn)誤差和靈敏度誤差必須控制在8%以內(nèi)，否則進(jìn)行游戲時(shí)，手柄會產(chǎn)生誤動作，客戶會依此而退貨。

4.批量生產(chǎn)時(shí)必須校準(zhǔn)的原因

由于內(nèi)部采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)，M EM S加速度傳感器在貼片時(shí)必須嚴(yán)格控制回流焊的溫度曲線和每階段的時(shí)間，從實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來看，帶有MEMS傳感器的PCB加工良率要明顯低于普通IC，貼片完成后，M EM S加速度傳感器內(nèi)部的微機(jī)械結(jié)構(gòu)受到熱應(yīng)力影響，產(chǎn)生變形，同一批貼片后的PCBA的特性也相差很大，因此必須對貼片后的PCBA進(jìn)行校準(zhǔn)。另外一個(gè)原因是MEMS加速度傳感器芯片在SMT過程中不能保證絕對的位置，一定會有偏移，導(dǎo)致傳感器的X/Y/Z軸與設(shè)備對應(yīng)的軸不平行，需要通過校準(zhǔn)進(jìn)行糾正。

5.校準(zhǔn)方法

NUNCHUK手柄中的加速度傳感器的測量范圍為±2g，手柄內(nèi)部M CU對加速度傳感器進(jìn)行讀取后，通過I2C總線輸出10b it的值；0g時(shí)的理想輸出為511,﹢1g的理想輸出為7 67，-1g對應(yīng)的靈敏度為256。﹢2g的理想輸出為1023，-2g對應(yīng)的靈敏度為0。

根據(jù)生產(chǎn)廠家的要求和M EM S加速度傳感器原廠的確認(rèn)，對該類游戲手柄的應(yīng)用只需要校準(zhǔn)加速度傳感器每個(gè)軸的0g值和﹢1g值，將0g值當(dāng)做零點(diǎn)，﹢1g值當(dāng)做靈敏度。依此原理設(shè)計(jì)如下圖2所示的校準(zhǔn)設(shè)備：加速度傳感器的值后通過蜂鳴器發(fā)出一聲短“滴”的提示音。

⑸翻轉(zhuǎn)立方體，假設(shè)使Y軸向上，此時(shí)可以認(rèn)為X軸和Z軸處于0g，而Y 軸為1g，按下校準(zhǔn)控制板上的操作按鍵，校準(zhǔn)控制板讀取加速度傳感器的值后通過蜂鳴器發(fā)出一聲短“滴”的提示音。

⑹翻轉(zhuǎn)立方體，假設(shè)使X軸向上，此時(shí)可以認(rèn)為Y軸和Z軸處于0g，而X 軸為1g，按下校準(zhǔn)控制板上的操作按鍵，校準(zhǔn)控制板讀取加速度傳感器的值后，經(jīng)過運(yùn)算，將結(jié)果寫入到待校準(zhǔn)PCBA內(nèi)部，最后通過蜂鳴器發(fā)出一聲長“滴——”表示校準(zhǔn)完成。

⑺校準(zhǔn)完成，換下一個(gè)PCBA進(jìn)行校準(zhǔn)；

⑻注意事項(xiàng)：立方體只需翻轉(zhuǎn)三次，對應(yīng)有三個(gè)面會翻轉(zhuǎn)到朝上，朝上的三個(gè)面用紅色貼紙標(biāo)記，操作工人翻轉(zhuǎn)立方體后再按操作按鍵，此時(shí)必須保證工作臺和立方體靜止不動，以便準(zhǔn)確讀取0g值和﹢1g值。

6.校準(zhǔn)控制板硬件框圖

圖2

圖3

采用如下方法對手柄PCBA上的加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)：

⑴設(shè)計(jì)一個(gè)立方體形狀的治具，可將PCBA水平夾持在一個(gè)面上，與該面平行；通過頂針連接待校準(zhǔn)的PCBA上的電源和I2C通信接口。

⑵設(shè)計(jì)一個(gè)校準(zhǔn)控制板，通過I2C總線連接待校準(zhǔn)的PCBA，校準(zhǔn)控制板上設(shè)計(jì)一個(gè)操作按鍵。當(dāng)按下此鍵后，保持校準(zhǔn)平臺靜止，控制板讀取帶校準(zhǔn)的PCBA上加速度傳感器的輸出。由于實(shí)際傳感器的0g輸出一定會小于511+128，大于511-1 2 8，實(shí)際的+1 g輸出一定會小于767+128，大于767-128，可依此而自動判斷當(dāng)前是哪個(gè)軸朝上，讀取的﹢1g是對應(yīng)哪個(gè)軸的。如果出現(xiàn)意外，可判斷傳感器故障。這種自動判斷方法只需操作工人每次按一個(gè)按鍵，不必按照X、Y、Z三個(gè)軸分別進(jìn)行校準(zhǔn)，減少操作工序，降低操作復(fù)雜度，方便大批量生產(chǎn)。

⑶將待校準(zhǔn)的PCBA夾持在立方體上。

⑷立方體放置在一個(gè)水平桌面上，假設(shè)X軸和Y軸處于0g，而Z軸為1g，按下校準(zhǔn)控制板上的操作按鍵，校準(zhǔn)控制板讀取

校準(zhǔn)控制板硬件框圖如上圖3所示。待校準(zhǔn)的PCBA的電源由校準(zhǔn)控制板提供，電源和I2C接口通過立方體治具上的頂針連接。校準(zhǔn)控制板要固定在水平桌面上，防止震動，便于工人操作。校準(zhǔn)控制板與待校準(zhǔn)PC BA連接上后點(diǎn)亮連接指示燈，斷開后熄滅連接指示燈。蜂鳴器用于提示操作進(jìn)度，三軸加速度傳感器的前兩個(gè)軸每次讀取完成后發(fā)出一聲短“滴”聲，第三個(gè)軸完成后發(fā)出長“滴——”聲，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，發(fā)出三聲“滴滴滴”。

7.校準(zhǔn)控制板軟件流程圖

依據(jù)校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)控制板硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出如圖4所示的軟件流程圖，為便于描述，上述流程圖中省略了錯(cuò)誤處理過程。實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，如傳感器故障，治具頂針接觸不良等故障，校準(zhǔn)控制板檢測到任何錯(cuò)誤后，發(fā)出三聲“滴滴滴”錯(cuò)誤報(bào)警聲，等待操作工人取下PCBA檢查，軟件流程回到最初的“檢測待校準(zhǔn)PCBA是否放入治具”這一步驟。

圖4

校準(zhǔn)控制板最終生成的結(jié)果是加速度傳感器三個(gè)軸的0g值和﹢1g值，這些參數(shù)通過I2C總線送到手柄內(nèi)部，手柄內(nèi)部程序再調(diào)用這些參數(shù)來計(jì)算出正確的加速度值。

8.實(shí)測效果及結(jié)論

使用上述校準(zhǔn)設(shè)備校準(zhǔn)出來的游戲手柄經(jīng)過測試，在水平和垂直位置三個(gè)軸的0g和±1g最大誤差小于5%，平均誤差在2.5%左右。使用各種游戲軟件對校準(zhǔn)后的手柄進(jìn)行測試，可完全滿足游戲主機(jī)的要求，能夠準(zhǔn)確檢測手柄動作和狀態(tài)。該校準(zhǔn)設(shè)備已經(jīng)在多家工廠使用，校準(zhǔn)過的MEMS加速度傳感器已經(jīng)超過400萬顆以上，已經(jīng)成為游戲手柄行業(yè)用于校準(zhǔn)加速度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

[1]Freescale Semiconductor: AN3447,Implementing Auto-Zero Calibration Technique for Accelerometers.

[2]STMicroelectronics: AN3182, Tilt measurement using a low-g 3-axis accelerometer.

[3]周靜,胡毅,付浩. 三軸重力加速度傳感器標(biāo)定方法研究. 石油儀器.2010年第8期

[4]張培強(qiáng),周慧琳,張培仁.電腦加速度傳感器標(biāo)定儀. 實(shí)驗(yàn)力學(xué).1993年第2期

TP29，

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.114

肖濤，男，1 9 7 8年1 1月9日，學(xué)歷碩士，武漢大學(xué)，研究方向：電氣自動化。