越來越多的可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)設計將檢測方向和跟蹤運動的能力視為重要要求。盡管已經(jīng)有各種各樣的可用運動傳感器，但工程師還是不斷受到挑戰(zhàn)，探索以更低的功耗更快、更高效地集成這些設備，這在額外增加傳感器時尤其具有挑戰(zhàn)性。

為應對這些運動跟蹤挑戰(zhàn)，設計人員需要集成度更高的加速計、陀螺儀和磁力儀五金件以及更加高效且智能的數(shù)據(jù)融合算法。

本文將介紹TDKInvenSense提供的同時為硬件和軟件提供幫助的解決方案。然后，本文還將介紹設計人員如何著手將該解決方案應用于簡化需要復雜的運動感應功能的復雜低功耗多傳感器應用的開發(fā)。

高效運動跟蹤的挑戰(zhàn)

利用傳統(tǒng)的運動跟蹤方法，開發(fā)人員可以同時為硬件和軟件處理重要的集成問題。在硬件方面，開發(fā)人員通常會努力在采用單獨的傳感器（包括加速計、陀螺儀和磁力儀）構建的設計中最大限度減少其復雜性、尺寸和零件的數(shù)量。軟件工程師則需要特別注意同步各種各樣的傳感器輸出，以創(chuàng)建高級運動跟蹤應用中所用傳感器融合算法所需的統(tǒng)一數(shù)據(jù)流。對于硬件和軟件開發(fā)人員而言，需要在設計中集成額外傳感器類型的應用面臨的挑戰(zhàn)均顯著增加。

但是，使用TDKInvenSenseICM-20948，開發(fā)人員便能夠以最少的工作量快速實現(xiàn)運動跟蹤設計或其他多傳感器系統(tǒng)。

運動跟蹤解決方案

TDKInvenSenseICM-20948是一種多芯片模塊，尺寸只有3mmx3mmx1mm，它集成了提供完整運動跟蹤解決方案所需的整套傳感器、信號鏈、數(shù)據(jù)處理和接 口電路（圖1）。

該模塊在全面工作模式下僅需要3毫安(mA)左右便能實現(xiàn)其全部功能。對于功率受限的應用，開發(fā)人員可以關閉模塊的某些部分，從而將完全休眠模式下各階段的電流消耗降低至8微安(μA)。產(chǎn)生的功耗取決于工作電壓(VDD)，根據(jù)設計要求，該電壓值可以介于1.71伏特和3.6伏特。

單獨的信號鏈集成在模塊中，為集成的3軸加速計、3軸陀螺儀和3軸磁力儀以及集成的溫度傳感器的每個通道提供支持。每個信號鏈都包括緩沖放大器和一個專用的16位模數(shù)轉換器(ADC)，以及特定于傳感器的電路，如驅動模塊的霍爾效應磁力儀的電流源。

為了提高每種信號鏈的輸出，模塊包括適用于每種進一步傳感器類型的信號調節(jié)階段。例如，磁力儀輸出通過算術電路進行基本信號處理，而其他傳感器的輸出各自饋入自動的傳感器特定調節(jié)階段，以執(zhí)行采樣平均等處理功能。開發(fā)人員可以將ICM-20948設置為平均多達128個陀螺儀數(shù)據(jù)采樣，或者將加速計設置為平均多達32個采樣。最終，每個通道的信號調節(jié)階段的輸出饋入一組專用的傳感器寄存器中。

ICM-20948的核心是一個專有的數(shù)字運動處理器(DMP)，用于提供各種不同的功能，包括執(zhí)行運動處理算法、校準和自測試。在正常工作期間，DMP會處理來自專用傳感器寄存器的數(shù)據(jù)。然后再將結果存儲在模塊的集成式FIFO中，供主機MCU通過共享的I2C或SPI總線訪問。

DMP和FIFO的功能為很多實際應用提供重要功能。很多情況下，應用以相對較慢的速度更新其運動跟蹤結果，甚至允許其主機處理器在更新之間休眠，以降低總功耗。然而，運動跟蹤算法需要的更新速度明顯更高，以確保其在應用請求更新時以最低的延時提供精確的數(shù)據(jù)。DMP能夠在不需要主機參與的情況下維持高更新速度，這有助于確保準確性，而不會對主機應用本身的性能或功耗強加額外的要求。

簡單的集成

ICM-20948結合了小封裝、系統(tǒng)集成功能及主機獨立操作等特點，特別適合在移動設備、可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)設計中使用。模塊的高水平集成意味著，開發(fā)人員僅使用三個電容器便可以執(zhí)行典型的運動跟蹤設計。按照TDKInvenSense使用陶瓷X7R零件的建議，開發(fā)人員將在模塊的REGOUT引腳上增加一個0.1μF電容器進行穩(wěn)壓器濾波，并在其VDD和VDDIO引腳上增加一個該電容器用于電源旁通（圖2）。

圖2：設計人員可以將TDKInvenSenseICM-20948輕松添加到基于MCU的設計中，從而通過SPI（此處所示）或I2C接口連接到MCU，后者使用相同的配置，但引腳22(nCS)與VDDIO相關聯(lián)

雖然ICM-20948為運動跟蹤設計提供了近乎直接替代型的解決方案，但很多應用還是對其他傳感器類型提出了要求。為幫助開發(fā)人員簡化這些多傳感器設計，ICM-20948為其他外部傳感器提供單獨的I2C接口和內置支持。開發(fā)人員在此將兼容I2C的智能傳感器連接到模塊的專用輔助I2C端口（圖3）。

圖3：在SPI（或I2C）與主機MCU連接的同時，開發(fā)人員可以使用TDKInvenSenseICM-20948模塊的輔助I2C接口（AUX_CL和AUX_DA）連接外部傳感器，并通過ICM-20948的輔助設備專用寄存器管理它們

在正常操作中，ICM-20948將充當I2C總線控制器，以與外部傳感器通信。在此模式下，開發(fā)人員可編程一組專用的模塊寄存器，以定義外部設備的I2C地址、輸出數(shù)據(jù)地址以及其他的傳輸參數(shù)。用此信息，模塊可以將外部傳感器數(shù)據(jù)讀入其FIFO和外部設備數(shù)據(jù)寄存器中，從而在傳感器I2C總線上使用單字節(jié)或多字節(jié)讀取，而不會涉及到主機MCU。

ICM-20948提供專門設計用于協(xié)調ICM-20948與外部傳感器之間時間的一項額外功能。除了使用模塊的專用中斷INT引腳之外，開發(fā)人員還可以使用外部傳感器的中斷或同步脈沖驅動模塊的FSYNC引腳。例如，在圖像穩(wěn)定應用中，開發(fā)人員可以使用圖像傳感器的幀同步輸出來將圖像數(shù)據(jù)與ICM-20948傳感器讀數(shù)同步。使用模塊的FSYNC_CONFIG寄存器，開發(fā)人員甚至可以將模塊配置為測量外部傳感器FSYNC事件與ICM-20948數(shù)據(jù)事件之間的時間，從而在圖像和運動數(shù)據(jù)間提供更密集的同步。

但是，作為專用的運動跟蹤設備，ICM-20948缺乏使用一般由主機MCU處理的那種設備特定設置操作來配置外部傳感器所需的功能。為簡化系統(tǒng)初始化過程，該模塊提供一種直通模式，以使用集成的接口旁通多路復用器將主機系統(tǒng)處理器直接連接到外部傳感器上。

在直通模式下，該設備使用其集成的模擬開關將輔助I2C引腳AUX_CL（引腳7）和AUX_DA（引腳21）直接以電氣方式連接到主機I2C總線（引腳23和24）。該工作模式提供一種簡單的方法，以允許主機處理器處理與每個外部傳感器相關的任何配置和設置要求。初始化后，開發(fā)人員禁用旁通多路復用器，以允許ICM-20948接管正常操作時的外部傳感器訪問。

快速開發(fā)

盡管ICM-20948提出了相對簡單的接口要求，但希望評估運動跟蹤解決方案的開發(fā)人員甚至可以避免該水平的硬件原型開發(fā)。TDKInvenSense的DK-20948評估板和參考設計提供現(xiàn)成的開發(fā)平臺，其結合了主機MCU、嵌入式調試器、USB接口和用于增加其他傳感器的多個連接器、無線連接和其他功能（圖4）。

圖4：TDKInvenSenseDK-20948板提供一種完整的運動感應設計，其結合了ICM-20948模塊與MicrochipTechnologyATSAMG55J19BMCU（左側中間）和基于MicrochipAT32UC3A4256MCU（位于板的后側）的嵌入式調試器

DK-20948板基于MicrochipTechnologyATSAMG55J19BMCU，使用ICM-20948提供完整的運動傳感器設計。同時，該板包括一個提供嵌入式調試功能的MicrochipAT32UC3A4256MCU，從而在與主機ATSAMG55MCU結合使用時消除對外部工具的需求。開發(fā)人員可以使用該板評估ICM-20948，在此過程中，無需進一步的硬件工作或者其他定制或可用子板來擴展其功能。開發(fā)人員完成其ICM-20948評估后，可以使用套件的示意圖、詳細的BOM和板設計文件創(chuàng)建定制設計。

對于軟件工程師而言，DK-20948套件同樣包括用于快速評估和定制開發(fā)的選項。對于評估，公司基于MotionLinkGUI的工具可使開發(fā)人員探索不同的配置設置及評估它們對所產(chǎn)生運動數(shù)據(jù)的影響。然而，對于大多數(shù)開發(fā)人員來說，套件的軟件開發(fā)包將很快成為他們的主要關注點。

定制軟件

對于定制軟件開發(fā)，TDKInvenSenseeMD（嵌入式運動驅動器）SmartMotion軟件包提供應用編程接口(API)說明文檔、驅動源代碼、傳感器融合文庫以及預建的DMP固件圖像。同時，該軟件包還包括構建和閃現(xiàn)定制固件圖像的工具以及與評估板進行控制臺交互的命令行實用程序。

eMD軟件平臺設計用于與Atmel/MicrochipTechnologyAtmelStudio配合使用，包含兩個AtmelStudio包：內核和應用。內核包包含編程和操作ICM-20948所需的底層驅動器和固件，以及DK-20948板的MicrochipATSAMG55J19B主機MCU的預建運動算法和math文件。

應用包包含一個樣例應用程序，用于演示內核包的使用，包括從頂層應用向下延伸到串行總線交易的主要設計模式。例如，主要的C例程展示開發(fā)人員如何初始化ICM-20948和獲取數(shù)據(jù)（列表1）。

intmain(void)

{/*Initializeicm20948serifstructure*/

structinv_icm20948_serificm20948_serif;

icm20948_serif.context=0;/*noneed*/

icm20948_serif.read_reg=idd_io_hal_read_reg;

icm20948_serif.write_reg=idd_io_hal_write_reg;

icm20948_serif.max_read=1024*16;/*maxnumbytesallowedperserialread*/

icm20948_serif.max_write=1024*16;/*maxnumbytesallowedperserialwrite*/

icm20948_serif.is_spi=interface_is_SPI();

*Setuptheicm20948device*/

icm20948_sensor_setup();

/*

*NowthatIcm20948devicewasinitialized,proceedwithDMPimageloading

*ThisstepismandatoryasDMPimagearenotstoreinnonvolatilememory

*/

load_dmp3();

/*

*InitializeDynamicprotocolstuff

*/

DynProTransportUart_init(&transport,iddwrapper_transport_event_cb,0);

DynProtocol_init(&protocol,iddwrapper_protocol_event_cb,0);

/*

*InitializesthedefaultsensorODRinordertoproperlyinitthealgorithms

*/

sensor_configure_odr(period_us);

InvScheduler_init(&scheduler);

...

while(1){

InvScheduler_dispatchTasks(&scheduler);

if(irq_from_device==1){

inv_icm20948_poll_sensor(&icm_device,(void*)0,build_sensor_event_data);

__disable_irq();

irq_from_device=0;

__enable_irq();

}

}

return0;

}

列表1：開發(fā)人員可以檢查DK-20948eMDSmartMotion軟件包中提供的示例源代碼，以了解主要設計模式，如示例應用的main.c例程中此代碼片段所列的ICM-20948初始化和傳感器輪詢模式。（代碼來源：TDKInvenSense）

編程ICM-20948等高度集成的設備時，開發(fā)人員很容易發(fā)現(xiàn)自己不僅要應付設備的很多配置選項，還要應付高效操作設備所需的大量軟件組件。eMD內核包通過一系列的抽象（包括軟件結構和服務層）消除了該復雜性。例如，關鍵軟件結構inv_icm20948收集了操作ICM-20948所需的所有數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，包括其串行接口定義（列表2）。

/**@briefICM20948serialinterface

*/

structinv_icm20948_serif{

void*context;

int(*read_reg)(void*context,uint8_treg,uint8_t*buf,uint32_tlen);

int(*write_reg)(void*context,uint8_treg,constuint8_t*buf,uint32_tlen);

uint32_tmax_read;

uint32_tmax_write;

inv_bool_tis_spi;

};

列表2：為幫助降低軟件復雜性，DK-20948eMDSmartMotion軟件內核例程提供很多C語言結構，這就是其中一個例子，該示例定義ICM-20948串行接口的設置及I2C或SPI交易所需的適當?shù)讓幼x取和寫入例程的指示器。（代碼來源：TDKInvenSense）

在實例化eMD結構及初始化設備本身之后，開發(fā)人員可以調用單個例程inv_icm20948_poll_sensor()，以使用inv_icm20948結構實例讀取傳感器和通過DMP處理數(shù)據(jù)。這份記錄齊全的例程有900多行，為開發(fā)人員詳細演示了操作傳感器、管理FIFO和利用DMP的核心功能的使用。

有興趣從更基礎的層面了解ICM-20948操作的開發(fā)人員可以轉向底層內核例程，如設備自測試Icm20948SelfTest.c模塊中使用的例程。在此模塊中，intinv_do_test_accelgyro等例程顯示了控制設備的典型寄存器操作（列表3）。

staticintinv_do_test_accelgyro(structinv_icm20948*s,enumINV_SENSORSsensorType,int*meanValue,int*stMeanValue)

{

//SetSelf-TestBit

if(sensorType==INV_SENSOR_GYRO)

{

//EnablegyroscopeSelf-TestbysettingregisterUserBank2,RegisterAddress02(02h)Bit[5:3]tob111

result=inv_icm20948_write_single_mems_reg(s,REG_GYRO_CONFIG_2,BIT_GYRO_CTEN|SELFTEST_GYRO_AVGCFG);

}else

{

result=inv_icm20948_write_single_mems_reg(s,REG_ACCEL_CONFIG_2,BIT_ACCEL_CTEN|SELFTEST_ACCEL_DEC3_CFG);

}

...

}

列表3：開發(fā)人員可以在DK-20948eMDSmartMotion軟件包中發(fā)現(xiàn)演示ICM-20948在多個抽象層面使用的例程，包括Icm20948SelfTest.c模塊此代碼片段中顯示的寄存器級訪問。（代碼來源：TDKInvenSense）

在列表3中，（相對）高級的inv_icm20948_write_single_mems_reg()函數(shù)會調用低級例程inv_icm20948_write_reg()，從而傳遞給常見的inv_icm20948結構實例。該調用會向下傳達到低層，最終到達實際執(zhí)行寄存器寫入操作的例程中。為執(zhí)行此操作，該最終低級函數(shù)使用軟件初始化期間加載到inv_icm20948_serif串行接口結構實例中的寄存器寫入例程指示器，如前面的列表2所示。這種分層方法對于幫助最大限度降低軟件復雜性和最大限度提高性能是必不可少的。

對于開發(fā)人員，eMDSmartMotion架構提供一個在一組一致的關鍵預定義結構上構建的靈活框架。使用eMD軟件包，開發(fā)人員可以在高水平上工作，從而使用抽象快速執(zhí)行應用。同時，開發(fā)人員可以輕松跳入低層以執(zhí)行定制功能，而不會失去與更高級軟件的一致性。eMDSmartMotion軟件包和DK-20948開發(fā)板一起使用，可以提供全面的平臺來快速開發(fā)運動感應應用。

總結

TDKInvenSenseICM-20948模塊為運動感應提供了完全集成的解決方案。使用相關的DK-20948開發(fā)套件和eMDSmartMotion軟件包，開發(fā)人員可以快速構建能夠滿足最低尺寸和功耗要求的運動感應解決方案。