Kionix三轴加速度传感器的高级数据路径功能简介

winniewei 提交于 周四, 07/02/2020
Kionix三轴加速度传感器的高级数据路径功能简介

1.前言

本应用指南旨在帮助开发者了解罗姆集团旗下Kionix公司的KX13x系列三轴加速度传感器搭载的独有功能——高级数据路径(Advanced Data PathADP)。ADP由用户可定制的频率滤波器和一个均方根(RMS)计算器组成,后者是提供所需带宽内的加速度振幅。XYZ轴的16ADP输出可以从专用输出寄存器中读取,存储在512字节的FIFO缓存中,然后被路由至Wake-Up(唤醒)和Back-to-Sleep(返回睡眠)引擎。通过设置想要的阈值振幅和计数器值,可以针对特定的动作、旋转或振动产生中断。本文将通过介绍两个简单的示例来直观地展示该新功能的优势。

图1:高级数据路径(ADP)原理示意

1:高级数据路径(ADP)原理示意

现实世界中的加速度信息(左)由不同频率和振幅混合而成,KX13xADP不仅可以捕获这些信息,而且能够输出指定频率范围内的加速度振幅(右侧列举了各种情况示例)。

2.数据流

2所示的是一张普通数据流图。该图顶部的第一个方块是数字加速度计的传统数据路径(Conventional Data PathCDP)。CDP包含来自MEMS的模拟输入、一个负责放大信号的模拟前端(AFE)、一个负责信号数字化的模数转换器(ADC)以及一个负责进一步处理的数字信号处理(DSP)单元。高级数据路径(ADP)包含一对高度可配置的数字滤波器——可用于低通和高通的组合滤波器,以及计算实时振幅的均方根(RMS)计算器。用户可以灵活地对ADP滤波器进行访问并设置。该滤波器可以设为ButterworthBesselChebyshev滤波器,甚至配置成自定义滤波器。ADP的输出可以存储在专用输出寄存器,也可以被路由至内置的512字节FIFO缓存,也可以两种方式同时实现。此外,ADP输出可以作为一个输入路由到内置的动作Wake-Up(唤醒)和Back-to-Sleep(返回睡眠)引擎。这些引擎可配置阈值和灵活的计数器,从而进一步限定信号。如果满足输入信号判定标准,那么器件中的中断发生器将为主机产生一个物理中断,并设置相应的状态寄存器。图2所示的是当检测到持续了Th时间的特定振动时产生中断的示例情况。

图2:ADP数据流

2ADP数据流

3.应用实例

3.1.机器健康状况

假设fop为机械系统(比如旋转电机)的工作频率,fe为系统的错误/故障模式频率(图3)。在此例中,fe低于fop并且在该图中显示,也就是说,由于机身松动,电机正在缓慢振动。对于传统加速度传感器,为了检测这种故障模式,人们需要用MCU/DSP进行频率分析。而MCU/DSP一直保持工作状态,会导致额外的内存空间需求以及更高的功耗。

KX13xADP仅使用加速度传感器就能够检测到这种事件,而且,如果把ADP数字滤波器设置为带通或低通滤波器,让fe通过而消除fop,还能为主机MCU产生中断。

图3:正常系统动作和故障系统动作的频率分析

3:正常系统动作和故障系统动作的频率分析

在图4中,请注意,ADP被配置为低通滤波器以消除fop,而且RMS计算引擎被配置为获取所需故障模式信号的绝对值。动作引擎中的信号阈值(中间波形)用于限定事件。最后,图下部的波形显示了由运动引擎生成的真实信号。检测到故障事件后,INS3寄存器中的WUFS位会被置位,而外部中断引脚(如果已配置)则产生中断信号。

图4:ADP将目标信号从原始加速度数据中分离出来,并将振幅信息传递给运动引擎

 

4ADP将目标信号从原始加速度数据中分离出来,并将振幅信息传递给运动引擎

3.2.包络分析

包络分析是一种周期性振动故障检测的有效方法,比如减摩轴承失效。ADP可用于生成加速度数据的包络线(* 1)。包络波形的快速傅里叶变换(FFT)可以显示振动周期,这有助于识别系统中的缺陷部件。在该例中,ADP滤波器应配置为带通:同时包含振动频率和误差频率,排除直流噪声和高频噪声。

(*1)注:ADP输出是伪包络,不是希尔伯特变换结果。

图5:轴承球体故障引起的周期性振动

5:轴承球体故障引起的周期性振动

包络波形可以存储在KX13x512字节缓冲区中,也可发送到主机处理器进行FFT分析。

图6:使用原始加速度数据及其包络的FFT

 

6:使用原始加速度数据及其包络的FFT

有关KX13x ADP的更多详细信息和用法,请联系罗姆的销售代表。

4.其他资源

Ø  KX13x系列页面

https://www.kionix.com/product/KX132-1211

https://www.kionix.com/product/KX134-1211

 

【关于罗姆(ROHM)】

罗姆(ROHM)成立于1958年,由最初的主要产品-电阻器的生产开始,历经半个多世纪的发展,已成为全球知名的半导体厂商。罗姆的企业理念是:我们始终将产品质量放在第一位。无论遇到多大的困难,都将为国内外用户源源不断地提供大量优质产品,并为文化的进步与提高作出贡献

罗姆的生产、销售、研发网络遍及世界各地。产品涉及多个领域,其中包括IC、分立式元器件、光学元器件、无源元器件、功率元器件、模块等。在世界电子行业中,罗姆的众多高品质产品得到了市场的许可和赞许,成为系统IC和先进半导体技术方面的主导企业。

【关于罗姆(ROHM)在中国的业务发展】

销售网点:最早于1974年成立了罗姆半导体香港有限公司。在1999年成立了罗姆半导体(上海)有限公司, 2006年成立了罗姆半导体(深圳)有限公司,2018年成立了罗姆半导体(北京)有限公司。为了迅速且准确应对不断扩大的中国市场的要求,罗姆在中国构建了与总部同样的集开发、销售、制造于一体的一条龙体制。作为罗姆的特色,积极开展密切贴近客户的销售活动,力求向客户提供周到的服务。目前在全国共设有20处销售网点,其中包括香港、上海、深圳、北京这4家销售公司以及其16家分公司(分公司:大连、天津、青岛、南京、合肥、苏州、杭州、宁波、西安、武汉、东莞、广州、厦门、珠海、重庆、福州)。并且,正在逐步扩大分销网络。

技术中心:在上海和深圳设有技术中心和QA中心,在北京设有华北技术中心,提供技术和品质支持。技术中心配备精通各类市场的开发和设计支持人员,可以从软件到硬件以综合解决方案的形式,针对客户需求进行技术提案。并且,当产品发生不良情况时,QA中心会在24小时以内对申诉做出答复。

生产基地:1993年在天津(罗姆半导体(中国)有限公司)和大连(罗姆电子大连有限公司)分别建立了生产工厂。在天津进行二极管、LED、激光二极管、LED显示器和光学传感器的生产,在大连进行电源模块、热敏打印头、接触式图像传感器、光学传感器的生产,作为罗姆的主力生产基地,源源不断地向中国国内外提供高品质产品。

社会贡献:罗姆还致力于与国内外众多研究机关和企业加强合作,积极推进产学研联合的研发活动。2006年与清华大学签订了产学联合框架协议,积极地展开关于电子元器件尖端技术开发的产学联合。2008年,在清华大学内捐资建设清华-罗姆电子工程馆,并已于20114月竣工。2012年,在清华大学设立了清华-罗姆联合研究中心,从事光学元器件、通信广播、生物芯片、SiC功率器件应用、非挥发处理器芯片、传感器和传感器网络技术(结构设施健康监测)、人工智能(机器健康检测)等联合研究项目。除清华大学之外,罗姆还与国内多家知名高校进行产学合作,不断结出丰硕成果。

罗姆将以长年不断积累起来的技术力量和高品质以及可靠性为基础,通过集开发、生产、销售为一体的扎实的技术支持、客户服务体制,与客户构筑坚实的合作关系,作为扎根中国的企业,为提高客户产品实力、客户业务发展以及中国的节能环保事业做出积极贡献。

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