微机械陀螺仪

原理

　　微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按式1计算。

　　式中：F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。

　　机械陀螺仪LY530AL，它采用了对称的双质量块结构，如图2所示。滑块1和1’是检测质量块， 2和2’是驱动质量块，并且检测质量块是附着在驱动质量块之上。受限于结构件3，检测质量块能够被动的随驱动质量块沿驱动轴（X轴）运动，而在检测轴（Y轴）方向，检测质量块则能在哥氏力的作用下自由运动。所以检测质量块会有两个轴向运动，一个是随驱动质量块沿X轴的受限被动运动，另一个是由哥氏力牵引着在Y轴的自由运动。4（4’）和5（5’）分别是驱动电极和检测电极。

　　根据式1，哥氏力产生的加速度为a(t)=2ΩZ×。振动速度为已知量，如果得到检测质量块上的哥氏力加速度a(t)，然后结合振动速度进行同步解调，就可以检测出XY坐标系的旋转角速度。这就是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。由于加速度的检测方法较为简单，而保持一个振幅和频率都恒定的振动速度却比较困难，所以振动速度χ(t)对角速度的检出起着关键作用。

主要参数

　　微机械陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出、灵敏度（Sensitivity）和测量范围，这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志，同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度，该参数和零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定，白噪声一般用°/s/√Hz来表征，LY530AL的白噪声只有：0.1°/s/√Hz。这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力，而对使用者而言，灵敏度更有实际的意义，其单位是mV/°/s，由此用户可选用适合的ADC来与之匹配。测量范围是指陀螺仪能够测量的的角速度，单位是°/s，不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求。

典型应用

　　提供两种接口：模拟或者数字接口（I2C/SPI），可以通过管脚5来选择所希望的接口方式。在上文中已经提到，LY530AL需要一个锁相环来同步驱动和检测两部分电路，C1、C2和R1为锁相环所需一个二阶低通滤波器。

　　如图中所示，LY530AL在模拟输出端集成了两个一阶片上滤波器用来滤除高频信号：开关电容低通滤波器（截至频率：400Hz）和一个有源滤波器。有源滤波器的电阻为180kΩ，已经集成在芯片内部，使用时需要外接电容CACT来设置截至频率计算方法如式4。如果上述两级低通还不能滤除高频噪声，LY530AL还支持外接ROPT和COPT构成的低通滤波器。当LY530AL与ADC之间走线较长时，其中还可加入运算放大器增强其驱动能力来符合ADC对输入信号的要求。

　　对于便携式设备而言，器件的功耗非常重要，直接影响其待机的时间。在使用其模拟接口时，LY530AL消耗电流典型值为：4.8mA，并还设置有一个PD管脚，控制其在待机时进入掉电模式，在该模式下消耗电流小于1μA。由于微机械陀螺仪内部有振荡的微机械部分，LY530AL还设有自测的功能，能够自行检测其内部的微机械部分是否正常。在使用模拟接口时，通过ST管脚来启动自测功能，这时芯片内部会产生一个静电力作用在微机械部分上，来模拟一定的哥氏力，输出电压也会随之变化。如果电压的变化值在一定的范围之内，说明芯片内部的微机械结构工作正常。

　　微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用

　　STM32-PRIMER2是STM的STM32开发工具，如图所示，其配置了128×160像素的彩色触摸屏显示器、方向控制按键、USB接口、外部扩展连接器、MEMS加速度传感器等，通过内置的开源CircleOS软件框架，用户可以轻松地管理所有组件。为支持更多的外设，STM32-PRIMER2提供了20针的扩展连接器，其中包括一个UART接口、SPI、音频I2S接口以及ADC输入接口等，如图7所示。 同时其采用了STM公司的高精度加速度传感器LIS3LV02DL，加速度分辨率可达到1mg。为验证LY530AL的性能，通过STM32-PRIMER2的20针的扩展连接器，构建如图8所示的测试系统。

　　该评估系统无线通讯部分采用STM的蓝牙收发模块GS-BT2416C2通过UART接口和主处理器STM32F103VET6进行通讯；采用了两颗LY530AL分别检测Yaw和Pitch上的转动，一颗水平放置，另一颗垂直主板放置，分别通过SPI接口和主处理器进行通讯；三轴的加速度传感器LIS3LV02DL用来检测遥控器在XYZ三个轴上的水平移动，主处理器STM32F103VET6负责数据的采集和处理。

　　该评估系统经蓝牙与笔记本相连接进行验证，其具有很好的灵敏度和响应速度，在使用过程中不存在光标漂移现象，完全可以取代传统的鼠标。再与机顶盒连接测试时，相较于现有复杂的多按键遥控器，具有更好的直观性，只需要利用3至5个按键，就可以对选单目录进行操控。