（机械设计及理论专业论文）基于memsic加速度传感器的手机存储卡安全保护.pdf

一 摘要 基于m e m s i c 加速度传感器的手机存储卡安全保护 摘要 众所周知，手机存储卡属敏感器件，被摔在地上发生强烈撞击时有可能 造成数据错误或丢失，甚至使存储卡发生异常。而用加速度传感器可以感应 到意外发生的可能性，并在手机接触地面之前关闭使用存储卡的应用程序， 这样可以实现对存储卡一定程度的保护。 本课题提出了用加速度传感器实现手机存储卡安全保护的新方法以及相 应的实现过程。本论文设计了一款新型的热感式加速度传感器，该传感器是 采用热气体作为质量块来测量加速度，该传感器由于内部结构的特点，避免 了极间粘连以及弹性震荡等问题，然而在应用中还存在一定的弱点，所以， 在硬件设计的过程中考虑了温度的补偿。除此以外由于加速度传感器的频响 范围比较低，所以也设计了频率补偿的电路用来提高频响。最后对于温度补 偿和频率补偿的结果做了仿真。在软件算法设计的过程中，根据物体摔落过 程的特点，设计了微分加速度算法，用来判断物体摔落现象发生的可能。最 后，设计了系统软件，包括驱动程序的开发以及实现安全保护的程序的开发。 本课题在传感器应用领域有一定的实用价值。 关键字：存储卡加速度传感器安全保护m e m s i c 一 北京邮电大学硕士论文 a b s t r a c t as e c u r i t ysy s t e md e s i g n e df o rm e m o r ye l e m e n t u s i n gm e m i ca c c e l e r a t i o n s e n s o r a b s t r a c t an e ws e c u r i t yt e c h n o l o g yf o rm e m o r ye l e m e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i ti sw e l lk n o w nt h a t ，m e m o 巧e l e m e n ti sh i g h l ys e n s i t i v e ，a n dw h e ni tf a l l si n t ot h e g r o u n d ，m a y b et h ed a t a ss a v e di nt h em e m o r ye l e m e n tw i l lb ew r o n go rl o s t a c c e l e r a t i o ns e n s o rh a st h ef u n c t i o nt ob ea w a r eo ft h ec h a n g eo ft h ea c c e l e r a t i o n ， s ow ec a nm a k ed e c i s i o nt h a tt h em e m o r ye l e m e n ti si nd a n g e ra n dt h ea p p l i c a t i o n u s i n gt h ee l e m e n ts h o u l db ec l o s e di m m e d i a t e l y i nt h i sp a p e r , id e s i g n e dan e wk i n do fa c c e l e r a t i o ns e n s o rw h i c hu s e sh o t g a st oi n d u c ea c c e l e r a t i o n d u et oi t ss t r u c t u r ei n s i d e ，t h e r e sn oa c c i d e n tj u s tl i k e c o n g l u t i n a t i o na n dc o n c u s s i o n h o w e v e rt h e r e r es t i l ls o m ed i s a d v a n t a g e se x i s t i n g s oid e s i g n e dt h em e t h o d so fh o wt oi m p r o v et h ef r e q u e n c ya n s w e r a n dh o wt o a v o i dt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c e i nt h ee n d ，im a k ee m u l a t o r st os h o wt h er e s u l to f h a r d w a r e sd e s i g n b e s i d e s ，id e s i g n e dt h ea r i t h m e t i ct oj u d g et h ep o s s i b i l i t yo f d a n g e ra n dt h es o f t w a r eo fr e a l i z i n gt h ep r o t e c t i o n k e y w o r d s ：m e m o r y a c c e l e r o m e t e r s e c u r i t y m e m s i c u 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：熟生盘 日期：塑里：主兰! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：堡塑蔓盘 日期：逸垒星：垒：垒f 导师签名：茎趁趑j 日期： 础正：3z 一 1 1 引言 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 手机作为一种现代通讯工具，它已经成为大家同常生活中的一个组成部分了。最初的 手机只是用来接打电话和收发短信。手机发展到现在功能可以说是五花八门，能照相，能 听m p 3 ，能玩游戏不过，手机的发展还是无法满足人们对于信息化生活的需要，于是， 智能手机应运而生了。那么到底什么是智能手机昵? 一般说来，智能手机在具备手机接打电话和收发短信等基本功能的同时，它还拥有一 部分p d a 的功能。特别在个人信息管理方面和基于无线数据通信的网络浏览器和电子邮 件功能方面，智能手机所拥有的强大扩展性能为软件运行和内容服务提供了广阔的舞台。 新闻、天气、交通、股票、商务、应用程序下载等增值服务能够通过智能手机以图文的形 式传送到用户手中 1 。图1 1 显示了一个具有p d a 功能的智能手机。 图1 - 1 ：具有p d a 功能的智能手机 如前所述，智能手机实际上是结合了传统手机和p d a 的一种高科技产品。它在具备 普通手机全部功能的同时，又具备了一部微型电脑的功能。所以一部智能手机必须要具备 以下几个条件： 拥有普通手机的基本功能。这方面主要指接打电话和收发短信两个方面。 拥有无线接入互联网的能力。这是指手机必须支持g s m 网络下的g p r s 网络服务 或c d m a 网络下的网络服务，高端产品还应该支持3 g 网络。 拥有p d a 的主要功能。主要有p i m ( 个人信息管理) ，同程记事，任务安排，多 媒体播放，浏览网页等等。 一 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 拥有一个开放性的操作系统。在这个操作系统上可以安装和应用互联网上提供的 第三方应用程序，从而使手机的功能得到无限的延伸。 目前智能手机的操作系统一共分为四大类，分别是s y m b i a n 和w i n d o w s m o b i l e 、l i n u x 以及p a l mo s 四大阵营 2 。 ( 1 ) s y m b i a no s s y m b i a n 操作系统也被称作e p o c 系统，这是最早由p s i o n 公司开发的一个专门应用 于手机等移动设备的操作系统，具有功耗低，内存占用少等特点。s y m b i a no s 是一个完整 的软件及通讯器平台。目前由诺基亚、摩托罗拉、爱立信等手机巨头共同拥护，占据了智 能手机操作系统市场7 0 以上的份额，目前的最高版本为s y m b i a n9 0 。s y m b i a no s 其实 只是一个操作系统内核，而界面平台可以由开发商自行设计研发，例如$ 6 0 、$ 7 0 等。作 为一种开放式平台，任何人都可以为支持s y m b i a n 的手机来开发软件。其代表机型为使用 s y m b i a n6 0 系统的诺基亚7 6 5 0 、3 6 5 0 和使用s y m b i a n7 0 系统的索尼爱立信p 8 0 2 、p 9 1 0 c ， 诺基亚6 6 0 0 ，西门子s x l ，诺基亚6 6 8 1 则是采用了最新的s y m b i a n8 0 系统。 s y m b i a n 还是一个手机垄断联盟的代名词，该公司成立于1 9 8 7 年，是摩托罗拉、西门 子、诺基亚等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司，专门研发手机操作 系统。s y m b i a n 的操作界面更类似一部普通手机，适合大多数人的使用习惯；而且硬件的 要求也比w i n d o w sm o b i l e 要低，但相对的是界面的美观性就不如w i n d o w sm o b i l e 了，另 外s y m b i a n 本来只是一个手机的操作系统，能够完成通话的基本功能，再加上一些辅助的 功能，比如电话本、短信编辑即可，开发者并没有指望在手机中加入更多的功能，所以多 媒体功能并不占优势。但由于几个手机业巨头的撑腰，所以采用s y m b i a n 操作系统的智能 手机在目前市场上拥有最丰富的产品线。 代表机型：索爱p 9 1 0 c 、西门子s x l 、诺基亚6 6 8 1 。图1 2 显示了采用s y m b i a n 操作 系统的摩托罗拉a 1 0 1 0 。 s y m b o a n 图1 2 ：采用s y m b i a n 操作系统的摩托罗拉a 1 0 1 0 一 北京邮电大学硕一：论文 第一章绪论 ( 2 ) w i n d o w s m o b i l eo s ： w i n d o w s m o b i l 是微软开发的一个抢先式多任务并具有强大通信能力的w i n 3 2 嵌入式 操作系统，它是微软设计开发的基于w i nc e 系统内核并为信息设备、移动应用、消费类 电子产品、嵌入式应用等非p c 领域而设计的战略性操作系统产品。 microsof t w in d o w s c e 图1 - 3 ：采用w i n d o w s m o b i l e 操作系统的多普达6 9 6 微软w i n d o w s m o b i l e 衍生出了p o c k e tp cp h o n e e d i t i o n 系统和s m a r t p h o n e2 0 0 2 2 0 0 3 系统。 前者主要应用在一些带有手机功能的p o c k e tp c 上，基本上采用触摸屏式操作，代表 机型为摩托罗拉m p x ，多普达6 9 6 ( 如图1 3 ) ，联想e t 9 6 0 等，目自订最新版本为p o c k e tp c p h o n e e d i t i o n2 0 0 3s e 。 s m a r t p h o n e 系统则是w i n d o w s m o b i l e 内核下专门为使用普通键盘的智能手机而设计的 操作系统，代表机型如摩托罗拉m p x 2 2 0 、神达8 3 9 0 、多普达5 7 5 等，目前最新版本为 s m a r t p h o n e2 0 0 3 s e 。 w i n d o w sm o b i l ，作为软件巨人微软的主力产品，其实力不容小觑，都同是微软的 w i n d o w s 产品，当然在和电脑的连接上也有着先天的优势，其连接的便利性要优于其他的 操作系统；而且其原型是p o c k e tp c 的操作系统，其多媒体性能当然非同一般，在使用上 也都保持w i n d o w s 的一贯风格，只要熟悉电脑使用的用户都能快速上手；但是它的缺点也 是非常明显的，就是硬件要求比较高，不过在科技高速发展的今天，这个问题已经基本得 到解决了。 ( 3 ) i ，i n u xo s ： 一 北京邮电大学硕士论义第一章绪论 图1 4 ：采用l i n u x 系统的三星i 5 1 9c d m a 智能手机 在p c 操作系统领域中与微软殊死对抗的丌放式操作系统l i n u x 在手机上也得到了应 用，不过采用l i n u xo s 的智能手机还并不多，但凭借良好的开放性和稳定性，加上免费的 诱惑，l i n u x 也越来越受到手机厂商的青睐。l i n u x 手机的缺陷在于它对于内存要求相对较 大，其功耗也较高，同时因为它缺少工具、服务和技术支持的保证，l i n u x 需要通过第三 方的解决方案来应对应用中出现的问题。摩托罗拉大部分智能手机和国产的波导多易随， c e c 智能手机都是采用的l i n u xo s 。图1 4 显示了采用l i n u x 系统的三星i 5 1 9 是少见的 c d m a 智能手机。 代表机型：摩托罗拉e 6 8 0 、波导d o e a s ye 8 5 9 、t c le 7 5 7 。 ( 4 ) p a l mo s ： p a l mo s 系统已经逐渐退出市场，这里不做详细叙述了。 综述，从目前发展的形势看来，智能手机操作系统中s y m b i a n 一马当先，w i n d o w s m o b i l e 步步紧逼，l i n u x 尚在发展阶段。另外还有一些手机研发商还丌发出了一些并未入流的操 作系统，这里就不一一介绍了。不过，在一片繁荣的背后，智能手机也难掩其发展中遇到 的问题。智能手机至今没有一个统一的操作系统标准，基于不同操作系统的智能手机几乎 是各自为政，这使智能手机生存的土壤扩展性受到了严重的影响，从长远来看这方面 所产生的内耗将会带来不小的破坏力。另一方面，手机存储卡的敏感性也是智能手机发展 中的一大问题。智能手机拥有p d a 的主要功能，如p i m ( 个人信息管理) ，同程记事，任 务安排，多媒体播放，浏览网页等等。这些应用在使用过程中如果存储卡受到剧烈的撞击， 产生的后果将不堪设想。 北京邮电人学硕【：论义第一市绪论 1 2 课题研究的背景和意义 笔记本电脑跌落时，常常处于工作状态的，其硬盘磁头很容易撞击盘片，而防震胶挚 之类的技术对工作中的笔记本电脑硬盘保护很有限。针对这一问题，i b m 研发出了主动硬 盘保护技术a p s ( a c t i v ep r o t e c t i o ns y s t e m ，主动保护系统) ，并于把这项技术应用于t h i n l ( p a dt 4 1 r 5 0 ( 如图1 5 ) 系列本本上，使笔记本电脑对硬盘的保护由过去的被动方式变为 主动方式 3 。 图1 5 ：t h i n k p a dr 5 0 a p s 硬盘保护技术，是由内嵌于主板上的加速感应芯片和预装在系统中的震动预测管 理软件组成。通过对t h i n kp a d 本本的角度，震动，撞击的检测( 即对纵加速度变化的检 测) ，来决定是否将硬盘磁头从工作状态收回到磁头停止区，从而减小撞击对硬盘的损害， 保护硬盘的数据。 震动预测管理软件从加速度感应芯片中接收到相应的信号，通过分析判断出哪些是对 硬盘有害的，哪些是规律性运动。震动预测管理软件会忽略对硬盘不能造成伤害的规律性 运动，而对于可能会对硬盘造成伤害的运动，软件本身会立刻将信息传递给硬盘，使磁头 迅速收回到停止区。当本本处于关机状态或系统处于启动状态时，a p s 功能不会被启动。 与计算机硬盘不同，存储卡是指使用闪存记录数据的卡片状介质。存储卡与计算机硬 盘相比较，优势就在“卡”上，以尽量小的体积承载最大的数据。目前主要被广泛用作保存 数码照片的介质。此外还用于音乐单放机和便携信息终端等领域。随着科技的日新月异的 发展，存储设备早已经不仅仅要求储存容量的技术指标有多高，反而对速度、体积、适用 范围的要求越来越高。在这种情况下，存储卡在发生撞击时的可靠性成为衡量质量优劣的 一 北京邮电人学硕上论文 第一章绪论 一个重要标志。那么如何能够提高撞击可靠性，采用传感器感应撞击发生的可能并关闭掉 正在处理数据的应用程序是一个很好的思路。 目前，传感器在消费电子类产品中的应用已经十分广泛，只是没有被用来实现存储卡 的安全保护。这些应用包括： 方向控制类游戏：这类游戏是通过摇动或挥动手持设备来实现对游戏对象的控制。 如图1 6 。 图1 6 ：方向控制类游戏 图像自动翻转：此功能是通过手持设备在空中的旋转或前后左右倾斜，来实现屏 幕图像的自动跟转。如图1 7 所示。 图l 一7 ：带图像自动翻转功能的手机 屏幕图像移动和菜单选择：通过倾斜手持设备实现屏幕显示内容的上下左右浏览 或菜单的选择。 拍照防抖功能：用加速度传感器检测手持设备的振动晃动幅度，当振动晃动幅度 过大时锁住照相快门。此功能与动态运动类游戏相似，只是检测灵敏度需设得更 高一些。如图1 8 所示。 北京邮电人学硕i ：i s 文第一章绪论 图1 8 ：带拍照防抖功能的手机 空中书写识别：用户可通过在空中书写一个简单的字母或数字 号。如图1 9 。 图1 9 ：空中书写i 7 3 , j 手机 1 3 本论文的章节安排及主要内容 本课题是我在北京英腾科技有限公司实习时所做的。所用的手机是英腾科技有限公司 提供的m t k 平台的智能手机，该手机为一款新型的智能手机，拥有p d a 的大部分功能， 能够编写w o r d 文档，能够编辑和管理个人信息，能够实现w a p 上网等等，并安装有1 g 的存储卡。本人所做的主要工作是设计一款合适的加速度传感器、发现传感器在使用中的 弱点并采取必要措施去除干扰、设计如何判断自由落体运动的算法、系统的软件开发等。 本论文共分为七章： 第一章介绍了课题研究的背景和意义以及课题研究的主要任务和工作。 第二章介绍了m e m s 传感器的概念以及在工程中的一些应用：介绍了m e m s 加速度 传感器的种类，并比详细分析了这些传感器在应用中的特点；选择了适合本课题的m e m s 加速度传感器。 一 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 第三章介绍了传感器硬件方面的设计，介绍了m e m s 热电偶传感器的内部结构和管 脚，设计了去除p c b 板上干扰的方法，并设计了电路用来改善系统的频率以及温度对传感 器的灵敏度和零点温漂的影响。 第四章进行了软件设计，包括系统的初始化的过程，以及侦测自由落体运动的算法设 计和关闭系统应用程序的软件设计。 第五章为对本课题的总结。 一 北京邮电大学硕士论文第二章m e m s 传感技术的介绍 第二章m e m s 传感技术的介绍 2 1m e m s 系统及其应用 2 1 1m e m s 系统简介 m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 加速度计就是使用m e m s 技术制造的加速度 计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个m e m s 加速度计只有指甲盖 的几分之一大小。m e m s 加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点【4 】。 微机电系统m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是一种全新的必须同时考虑多种 物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘 米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅 材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集 成电路类似的生成技术，可大量利用i c 生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生 产，使性价比相对于传统“机械 制造技术大幅度提高【5 】。 完整的m e m s 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部 件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成 具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化 和可靠性水平。 沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：m e m s 会给人类社 会带来另一次技术革命，它将对2 1 世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影 响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。 制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于， 随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相 互矛盾的要求在让产品功能超群的同时降低其成本。 解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是m e m s ，它使得制造商 能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。m e m s 对消费电子产品的终极影响不仅包括 成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小。事实上，大多数 消费类电子产品所用m e m s 元件的性能比已经出现的同类技术大有提高。 m e m s 传感器具有以下几个特点【6 j ： 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间 短。 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向和致动方向的多个传感器或执行器集成 一 北京邮电大学硕士论文 第二章m e m s 传感技术的介绍 于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把多种器件集成在一起以 形成更为复杂的微系统。微传感器、微执行器和i c 集成在一起可以制造出高可靠 性和高稳定性的智能化m e m s 。 多学科交叉：m e m s 的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化 学和生物等多种学科，同时m e m s 也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力 的工具。 2 1 1m e m s 的广泛应用 ( 1 ) 计步器 正在日益流行的m e m s 应用是步程计，它用于测量人行走时的速度或距离。将在z 轴方向上的机械平移运动转换为电脉冲是m e m s 器件的作用所在。这些脉冲馈入一个峰值 检测器电路，该电路随后在每个脉冲作用下触发一次计数。精心设计峰值检测算法则能根 据所选用的加速度计情况来获得最优的测量效梨7 1 。 如果步程计安装到被测人的足部，当该人跑步时，则步程计就会定期受到极大的冲击 作用。如果产品使用加速度计的话，如此之高的冲击指标会大大限制产品的性能。例如， 有些加速度计设计在过载超过一定程度时会出现被称作“粘死”的现象，加速度计在受到很 大冲击时将出现饱和，即使大过载消除后仍然保持饱和输出。为了使其摆脱这种状态，可 能需要将电源极性颠倒过来。以热敏感原理来检测加速度的m e m s 传感器，由于其内部没 有固体质量块，因此没有其它加速度计在大负载情况下出现的问题，如粘死，这是因为它 们根本就没有敏感质量的缘故。 ( 2 ) 让g p s 更可靠 不管是在偏僻的小路上游览还是简单的为汽车导航，手持式全球定位系统( g p s ) 都是 一件安全、方便且理想的随身装备i z j 。 利用g p s 接收机支持的人员和车辆定位系统可以确定位置，而且提供路线方面的引 导。采用g p s 系统时，信号接收并非始终是1 0 0 可靠的，但是若有基于m e m s 技术的 加速度计，就可以由能推算出行驶( 走) 距离的导航解算方法来弥补信号方面的损失。此外， 在修正这些系统所用的3 轴电子罗盘的磁偏角方面，加速度计也非常有用。加速度计可以 跟踪偏离重力方向零位基准的角位移信息，获得这些信息后，就可以修正磁偏角，这样即 使装置不处于水平状态，仍可以得出精确的方向读数。 手持式g p s 制造商要解决的问题之一是如何在恶劣的天气条件下保证装置的性能。这 些系统在极端温度条件下都必须可靠而且能够耐受强烈的冲击。目前的加速度计在很多情 况下尚不能承受恶劣环境下所存在的强冲击影响。m e m s i c 公司所设计的新产品则实现了 高抗冲击性能5 0 0 ，0 0 0 9 ，因此其几乎不可能失效。而大多数m e m s 加速度计的冲击 过载耐受范围是5 0 0 9 2 0 0 0 9 ，常常会失效，因为器件无法在更加恶劣的环境中保持完好无 一 北京邮电大学硕士论文第二章m e m s 传感技术的介绍 损。 ( 3 ) 为游戏应用提供更佳的控制能力 在改善电子游戏的体验方面，m e m s 加速度计还能提供运动和倾斜检测。这些游戏可 以在多种平台上运行咆括m i c r o s o f tx b o x 、s o n y 的p l a y s t a t i o n 、n i n t e n d og a m e c u b e 等游戏机和n i n t e n d og a m e b o y 、p a l m 或p o c k e tp cp d a 等手持式装置，以及其它膝上型 和桌上型电脑，改善控制盘和操纵杆的倾斜及运动敏感功能【2 引。 该功能让用户沉浸在游戏之中，体验其中的乐趣。特别是玩飞行模拟类游戏时，用户 需要让游戏控制盘或者操纵杆倾斜来使飞机转弯无论是操控螺旋桨式飞机还是喷气式 战斗机，大多数用户在完成大斜度转弯时都会出现整个身体都倾斜的现象，这让他们产生 更为身临其境的感觉。 像n i n t e n d o 公司的g a m e b o y 等手持式装置，都提供了一种靠倾斜、摇摆来控制的游 戏“k i r b y 倾斜和翻转”。在游戏中，球形主人公k i r b y 要根据不断滚摆的浮空平台倾斜情况 来滚转，摇动g a m e b o y 可以帮助k i r b y 跳到下一个浮空平台。在采用m o t i o n s e n s e 公司软、 硬件的掌上型或便携式p cp d a 装置中，也可以添加与此类似的迷宫游戏。 体育比赛类游戏也可以利用m e m s 加速度计带来的好处。装备了m e m s 加速度计及 陀螺的棒球棍或者高尔夫球棍可以提供全部旋转信息，用来精确的复现出击球的动作。 随着m e m s 价值得到证明，越来越多的消费类电子产品制造商采用这项技术。蜂窝式 器件的制造商也已经象游戏业一样意识到了它的重要性，特别是开发无线产品的厂商。随 着手持式市场继续获得爆炸性增长，低成本将成为其成功的推动因素，而该增长可以通过 m e m s 技术的利用来获得。 2 2 选用m e m s 加速度计 2 2 1m e m s 加速度计介绍 加速度计是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力就是当物体在加速过程 中作用在物体上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g ，也 可以是变量。 m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) j j i l 速度计就是使用m e m s 技术制造的加速度 计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个m e m s 加速度计只有指甲盖 的几分之一大小( 见图2 1 ) 。m e m s 加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点【8 】。 一 北京邮电大学硕上论文第二章m e m s 传感技术的介绍 图2 1 ：用在手机里的m e m s 传感器 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过 分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。现在工程师们已经想出了很多方法获得 更多的有用的信息。 m e m s 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山还是在走 下坡路，还是摔倒了没有，或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。 更要确保的是，机器人有没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的工程师能够使用 m e m s 加速度传感器回答所有上述问题 9 1 。 目前最新i b mt h i n k p a d 手提电脑里就内置了m e m s 加速度计，能够动态的监测出笔 记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运 行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造 成的硬盘损害，最大程度地保护里面的数据。目前在一些先进的移动硬盘上也使用了这项 技术。 另外一个用处就是在目前的数码相机和摄像机里，用m e m s 加速度计来检测拍摄时候 的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦i l 。 m e m s 加速度计还可以用来分析发动机的振动。汽车防撞气囊的启动也可以由m e m s 加速度计控制。 由此可见m e m s 加速度计可以在我们的生活中发挥重要作用。归纳其应用主要有以下 几个方面：振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等。 2 2 2m e m s 加速度计的种类和选用 技术成熟的m e m s 加速度计分为三种：压电式、容感式、热感式【1 0 l 。 压电式m e m s 加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运 一 北京邮电人学硕一i ：论文第二章m e m s 传感技术的介绍 动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。 常用的压电式加速度计的结构形式如图2 2 所示。s 是弹簧，m 是质块，b 是基座，p 是压电元件，r 是夹持环。图2 2 ( a ) 是中央安装压缩型，压电元件一质量块一弹簧系统 装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座b 与测试对 象连接时，如果基座b 有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化 将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图2 2 ( c ) 为三角剪切形，压 电元件由夹持环将其央牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切 应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线 性。图2 2 ( b ) 为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形 质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最 高工作温度受到限制j 。 图2 - 2 ：压电式加速度传感器j 由于压电式加速度传感器内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式加速度传感器 只能感应到“动”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而 容感式和热感式既能感应“动”加速度，又能感应“静态”加速度。 容感式m e m s 加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电 容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通 过测量电容变化量来计算加速度【1 2 】。 热感式m e m s 加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传 感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气 团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应 到加速度值删。 由于容感式和热感式加速度计都可以测量动态和静态加速度，从以下几个方面进行详 细比较： ( 1 ) 结构方面 传统的容感式加速度计是以两个相对排列的叉状阵列作为电容的两极，外界加速度使 可移动极( 重力块) 与固定极发生相对移动，从而使两极间的电容量发生变化( 见图2 3 ) ，再 一 北京邮电大学硕士论文 第二章m e m s 传感技术的介绍 通过一定的电路( 如可变电容振荡器) 将此变化量转换成相对应的输出信号。 容感式 弹簧电容 实体 热感式 垫气体拎气体 图2 - 3 ：容感式和热感式传感器内部结构 从容感式加速度计的基本工作原理可以清楚地看出，热对流式加速度计在以下几个与 可靠性相关的方面( 见表1 ) 具有绝对的优势【1 4 j ： 表2 1 ：容感式和热感式传感器的可靠性比较 项目传统容感式加速度计 热对流 抗冲击能力 5 0 ，0 0 0 9 极间粘连失效有无 极小微粒引起的失效有无 极间机械弹性震落有无 制造成本局低 抗冲击能力 在传统的容感式加速度计中可移动极( 重力块) 依靠几组微型硅“弹簧”与芯片的固定 部分相连。对于高量程的应用( 如安全气囊) ，因为要求的灵敏度很小，容感式加速度计可 以将微型硅“弹簧”制作得相对牢固。但消费类应用属于小量程应用，量程小于1 0 9 ，而灵 敏度则相对较大。对于容感式加速度计来说，在一定的信噪比前提下，想要得到较大的灵 敏度就必须降低微型硅“弹簧”的强度，其结果是抗冲击能力的下降【14 i 。 与容感式加速度计相比，热对流式加速度计是以虚拟的悬浮于空中的“热气团”作为重 力块。在微机械结构上没有可活动的部分，其独特的“桥式”结构( 如图2 4 ) 牢牢地固定在 硅芯片上。从而使其能够抵抗大于5 0 ，0 0 0 9 的冲击。 极间粘连失效 容感式加速度计两极的相对距离非常近，为了保证可移动极( 重力块) 来回移动，势必 要在其底部和顶部留下一定的空隙，使其成悬空状。因此在实际应用中由于震动而出现极 一 北京邮电人学硕一l 论文 第二章m e m s 传感技术的介绍 、司粘连在所难免。 a e ：, i s 抟感器结构： 托熟器帮温差龟堆一 片蠹信号谨节电路、 图2 4 ：m e m s 传感器的桥式结构 极小微粒引起的失效 众所周知，半导体制造过程中微粒数量的控制与制造成本成反比。微粒数量越少，净 化级别越高，制造成本越高。容感式加速度计特殊的微机械结构，使其抵抗极小微粒的能 力大大下降。如果一颗极小微粒落在两极之间，电容的容值将发生突变，从而使输出信号 的零点出现巨大偏移，器件失效。一些原本落在其它部位的微小颗粒，在实际使用过程中 会发生移动，极有可能落在两极之间。“巨大”而密集的叉状阵列的存在使得容感式加速度 计很难摆脱此类失效【1 5 】。热对流式加速度计完全不同的结构和原理使其不一i q n m 发生以上失 效。 极f b j 机械弹性震荡 弹簧( 特别是阻尼系数小的弹簧) 在受到外界力的作用后会发生往复震荡。容感式加速 度计特殊的微型硅“弹簧”悬挂结构同样不可避免地会产生此类震荡，从而使得输出信号在 一定的时间内无法使用。如果外界冲击力的频率与其共振频率( 2 k h z 至5 k h z ) * g 同，后果 则更为严重。低于3 5 h z 的频h 向范围使热对流式加速度计自然规避了此类现象的发生。 ( 2 ) 价格方面 容感式加速度计复杂的微机械加工工艺使得它的成品率无法提高，制造成本居高不下。 虽然各大制造商不断想方设法降低制造成本，但要达到消费类电子产品所能接受的低价格 ( 低于1 美元) 显然十分困难。 热对流式加速度计基于标准的c m o s 制造工艺，使其圆片加工工序的成品率大大提 高，全线成品率达到9 0 以上，使得产品的总体制造成本远远低于容感式加速度计，已经 可以满足消费类电子产品低成本的要求 1 6 1 。 一 北京邮电大学硕士论文 第二章m e m s 传感技术的介绍 ( 3 ) 制造运输简单、粗糙，应用中随意性大，突发情况多。 由于容感式加速度计存在以上所述的固有缺陷，导致其在制造、运输以及实际应用中 ( 特别是消费类电子产品) 的失效率一直居高不下。 综上所述，在该项目中，我选用了美新公司的m e m s i c 热感式加速度传感器。美新半 导体公司( m e m s i c ) 是一家非常独特的公司，该公司专注于加速度传感器的研究和生产。 他们生产的传感器可以测量加速度，振动，冲击，运动和重力加速度等，并且在世界上首 次将传感器，模拟信号以及数字信号处理三者整合在一块芯片上，可以测量x ，y 两个相 限的加速度变化。 一 北京邮电大学硕士论文第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 3 1m e m s 传感器的原理 一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由 铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。图3 1 显示 了在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。 此时所有四个热电偶组因感应温度而产生的电压是相同的。由于自由对流热场的 传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称。此时四个 热电偶组的输出电压会出现差异，而热电偶组输出电压的差异是直接与所感应的 加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径： 一条是用于测量x 轴上所感应的加速度，另一条则用于测量y 轴上所感应的加 速度【1 7 1 ( 如图3 2 ) 。 滋度 - 一一距离 图3 - 1 ：未受到加速度时 加速度有鸯速度时 一没有加速度 i 温度 逸 参枷 。度蕊7 船枷 _ - 距离 图3 2 ：受到加速度时 一 北京邮电大学硕士论文 第三章系统硬件设计 3 2 内部结构介绍 v 删g n dv d a 图3 3 ：m e m s 热电偶加速度传感器内部结构 内部结构各部件介绍【1 8 】： i n t e m a lo s c i l l a t o r ：内部晶振 t e m p e r a t u r es e n s o r ：内部温度传感器 v o l t a g er e f e r e n c e ：参考电压 夺h e a t e rc o n t r o l ：热源控制 c o n t i n o u ss e l ft e s t ：自测 l o wp a s sf i l t i e r ：低通滤波器 一 北京邮电大学硕士论文第三章系统硬件设计 3 3 管脚介绍 + + y 图3 - 4 ：管脚示意图 表3 1 ：管脚描述 引脚名称描述 t o l r r l温度传感器输出( 模拟电压) a o i 吖 2 y 轴加速度信号输出 3g n d接地脚 v d 4 模拟电路电源电压 a o i 丌x 5x 轴加速度信号输出 v r e f 6 2 5 v 参考电压 7s c k可选外部时钟( 通常接地) v d d 8数字电路电源电压 管脚介绍： v ：内部数字e g n o g n g g 玉, 输入脚。直流电源电压控制在+ 3 vn + 5 2 5 v 之间。 v d a ：内部模拟电路电源电压输入脚。直流电源电压控制在+ 3 vn + 5 2 5 v 之间。 一 北京邮电大学硕士论文 第三章系统硬件设计 g n d ：接地脚。 a 嗍：x 轴加速度感应输出脚。与之相连的器件的输入阻抗需足够高以保 证此脚的输出电流不大于1 0 0 p a 。灵敏度设为与y 轴相同。 a 0 i n r y ：y 轴加速度感应输出脚。与之相连的器件的输入阻抗需足够高以保 证此脚的输出电流不大于1 0 0 z a 。 t o u t ：内部温度传感器缓冲输出脚。此脚输出的模拟电压指示管芯衬底的 温度。此电压可用于测量周围环境温度的变化量而不是对温度的直接测量。当环 境温度发生变化时，t o u t 的输出电压相对于2 5 c 时的电压就产生了一个差值。 用此差值可以对传感器的零点偏置和灵敏度进行补偿。 s c k ：当选择内部时钟时此脚必须接地。 v f e f ：输出一个2 5 0 v 的参考电压。 图3 5 显示了传感器管脚的电路图： 图3 5 ：m e m s i c 电路图 一 北京邮电大学硕士论文第三章系统硬件设计 3 4 应用中的弱点及改善办法 3 4 1 应用中的弱点 ( 1 ) “零点”温漂 对于m e m s i c 热感加速度传感器，温度每变化一度，其输出信号的“零点” 会有2 m g 的偏移量。如果最终产品的工作温度范围是： 1 0 至4 0 ，则最大 将产生( 4 0 + 1 0 ) 2 = 1 0 0 m g 的漂移，这是在1 0 。c 的恶劣情况下的漂移量【1 9 】。 ( 2 ) 灵敏度温度漂移 对于热对流式加速度计来说，灵敏度温度漂移是它的一个主要弱点，但这一 温漂是有规律可循的。以美新公司的产品为例，其未经补偿的灵敏度温度漂移严 格遵循以下公式( 3 1 ) 1 2 0 】，从而使外部温度补偿得以实现。 s 尹2 墨弓2 6 7 ( 式3 1 ) 其中s i 是在任何初始温度t i ( 如2 5 时) 时的灵敏度，而s f 是在任何最终 温度t f 时灵敏度。温度单位为绝对温度o k 。通过方程可知在4 0 时器件的灵敏 度是2 5 时的两倍，而8 5 时又是2 5 时的一半。 ( 3 ) 频响范围低 热对流式加速度计的频率响应一般小于3 5 h z 。对于消费类电子产品，特别 是手持设备来说，这一频响范围需要改善。在测试加速度的过程中，频率越高， 单位时间内的采样次数越多，越能够反映物体真实的运动轨迹，所以传感器的频 率响应范围需要提高，具体方法在后面介绍。 ( 5 ) 环境热梯度的影响 器件周围环境温度的不均匀性( 热梯度的存在) 会使热对流式加速度计输出