個(gè)人導(dǎo)航儀中的MEMS壓力傳感器

摘要

隨著MEMS傳感器的設(shè)計(jì)和制造工藝的進(jìn)步，MEMS壓力傳感器被廣泛用于醫(yī)療、汽車和消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域。例如，壓力傳感器可用于監(jiān)測(cè)血壓，汽車廠商利用氣壓傳感器優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)能效，提醒駕駛員輪胎氣壓不足。

最近幾年，隨著MEMS壓力傳感器的性能不斷提高，成本和尺寸不斷降低，消費(fèi)電子廠商開始使用壓力傳感器與慣性傳感器和地磁傳感器模組實(shí)現(xiàn)航位推測(cè)和導(dǎo)航功能。

本文論述如何在個(gè)人導(dǎo)航儀內(nèi)利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測(cè)量海拔高度。本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系。第二部門描述如何使用壓力傳感器計(jì)算海拔高度。第三部分介紹如何在一個(gè)個(gè)人導(dǎo)航儀如智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器。

1.大氣壓與海拔高度的關(guān)系

在個(gè)人導(dǎo)航儀中，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計(jì)用于測(cè)量海拔高度變化。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓。

下面是大氣壓測(cè)量單位：
•psi – 磅/平方英寸
•cm/Hg – 水銀柱高（厘米）
•cm/Hg – 水銀柱高（英寸）
•Pa – 帕，國(guó)際制壓力單位 (SI) ，1Pa = 1 N/m²
•bar – 巴，氣壓?jiǎn)挝唬? bar = 10⁵Pa
•mbar – 毫巴，1mbar = 10^-3bar

我們居住在地球大氣層的底層，大氣壓隨著海拔高度上升而降低。我們將在59 H時(shí)的29.92 in/Hg海平面氣壓規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這個(gè)平均值不受時(shí)間影響，而受到測(cè)量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響。

因此，上述壓力單位之間的換算關(guān)系是:

1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

可以用下面的表達(dá)式表示大氣壓與海拔高度之間關(guān)系^[1]:

其中:
P0 是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，等于1013.25 mbar;
Altitude是以米為單位的海拔高度。
P是在某一高度的以mbar為單位的氣壓

圖1根據(jù)上面的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關(guān)系。

如圖1所示，當(dāng)高度從海平面上升到海拔11,000米高時(shí)，大氣壓從1013.25 mbar降到230 mbar。我們從圖中不難看出，當(dāng)高度低于 1,500米時(shí)，大氣壓幾乎呈線性降低，每100米大約降低11.2 mbar，即每10米大約降低1.1 mbar。為了取得更精確的高度測(cè)量數(shù)據(jù)，可以在目標(biāo)應(yīng)用中構(gòu)建一個(gè)大氣壓高度查詢表，根據(jù)壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果，確定對(duì)應(yīng)的海拔高度。

如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對(duì)MEMS壓力傳感器，測(cè)量高度可達(dá)海拔9,165米到海平面以下698米。

圖 1:大氣壓與海拔高度的關(guān)系

2. 利用MEMS傳感器確定樓層

0.1 mbar rms的測(cè)量分辨率使MEMS壓力傳感器能夠發(fā)現(xiàn)在1米以內(nèi)高度變化。因此，在高層建筑內(nèi)，可以使用壓力傳感器發(fā)現(xiàn)樓層變化。

圖2所示是在意法半導(dǎo)體的意大利Castelletto寫字樓內(nèi)采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)。采樣速率是7Hz，數(shù)據(jù)采集時(shí)間總計(jì)大約23分鐘。從圖中我們可以清晰地看到大氣壓在不同樓層的變化。大氣壓在地下室最高。隨著樓層升高，大氣壓逐漸降低。

圖3所示是意法半導(dǎo)體的一個(gè)MEMS壓力傳感器，這是一個(gè)采用3 x 5 x 1mm LGA-8封裝的數(shù)字輸出壓力傳感器，內(nèi)置I2C/SPI接口和16位數(shù)據(jù)輸出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率為0.1mbar。該芯片還內(nèi)置溫度傳感器。芯片內(nèi)部控制寄存器可以指示測(cè)量結(jié)果是高于還是低于壓力極限預(yù)設(shè)值。

壓力傳感器的測(cè)量精度會(huì)受到氣流和天氣條件的影響。為了取得精確、可靠的樓層測(cè)量結(jié)果，需要為壓力傳感器開發(fā)校準(zhǔn)和濾波算法。

圖 2:從意法半導(dǎo)體傳感器原始數(shù)據(jù)取得的樓層檢測(cè)結(jié)果

圖 3:意法半導(dǎo)體的MEMS壓力傳感器

3.在個(gè)人導(dǎo)航儀中使用MEMS壓力傳感器

在當(dāng)前市面上銷售的智能手機(jī)中，大多數(shù)都內(nèi)置了GPS接收器和低成本的MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器，例如，加速度計(jì)、陀螺儀和/或磁力計(jì)。在沒有GPS衛(wèi)星信號(hào)的建筑物內(nèi)或GPS信號(hào)很弱的高樓林立的大都市內(nèi)，個(gè)人導(dǎo)航或航位推測(cè)對(duì)于導(dǎo)航變得非常重要。鑒于GPS接收器在戶內(nèi)戶外測(cè)量高度都不夠精確，在智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器可以輔助GPS測(cè)量高度。

個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)（PNS）與個(gè)人航位推測(cè)（PDR）系統(tǒng)相似。從基本原理看，當(dāng)無法獲得GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，PNS或PDR可以在智能手機(jī)的電子地圖上繼續(xù)提供方位和前進(jìn)信息，引導(dǎo)用戶到達(dá)興趣點(diǎn)，獲得位置關(guān)聯(lián)服務(wù)(LBS)。

前進(jìn)信息可以來自磁力計(jì)或陀螺儀或兩者的模組。PNS是利用慣性導(dǎo)航原理（INS）對(duì)加速度計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行雙重積分求解決方位信息，而PDR是計(jì)步器和步長(zhǎng)估算器根據(jù)典型計(jì)步器原理計(jì)算加速度計(jì)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)而獲得的方位信息。在一定時(shí)間內(nèi)獲得前進(jìn)方向和行進(jìn)路程的信息后，導(dǎo)航系統(tǒng)在智能手機(jī)的電子地圖上更新行人在戶內(nèi)的方位。

3.1 PNS或 PDR結(jié)構(gòu)示意圖
圖4所示是PNS或PDR的結(jié)構(gòu)示意圖。從傳感器角度看，該系統(tǒng)包括一個(gè)3軸加速度計(jì)、一個(gè)3軸陀螺儀、一個(gè)3軸磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器。此外，在這個(gè)示意圖內(nèi)還有一個(gè)GPS接收器和一個(gè)主處理器。主處理器用于采集傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)行航位推測(cè)算法和卡爾曼濾波算法。

圖 4:PNS或 PDR結(jié)構(gòu)示意圖