Hệ thống theo dõi chuyển động của xe ô tô sử dụng cảm biến gia tốc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







LÊ NHƢ LẬP




HỆ THỐNG THEO DÕI CHUYỂN
ĐỘNG CỦA XE ÔTÔ SỬ DỤNG
CẢM BIẾN GIA TỐC







LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HUẾ – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





LÊ NHƢ LẬP


HỆ THỐNG THEO DÕI CHUYỂN
ĐỘNG CỦA XE ÔTÔ SỬ DỤNG
CẢM BIẾN GIA TỐC

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã Số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




Cán bộ hƣớng dẫn: PGS TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH








HUẾ – 2014
-1-
LỜI CẢM ƠN




Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục và nghiêm túc; cùng với sự hướng
dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ
của các học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp, đến nay luận văn đã hoàn
thành.
Qua đây tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới PGS TS. Chử Đức Trình,
người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
trong suốt thời gian tôi làm luận văn.
Tôi xin cám ơn quý thầy cô anh /chị trong khoa Điện tử viễn thông Trường
Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đẫ tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo

và cho tôi lời khuyên quý báu.
Tôi cũng xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh
thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực
cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế
chưa nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì
thế, tôi rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè
và đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !


Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013
Học viên




Lê Nhƣ Lập

-2-
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Nhƣ Lập
Sinh ngày 16 tháng 04 năm 1975
Học viên lớp Cao học khoá 2 – Công Nghệ Thông Tin Điện Tử Viễn
Thông - Trƣờng Đại học Công Nghệ – Đại học quốc gia Hà Nội.
Hiện đang công tác tại khoa Điện Trƣờng Cao Đẳng Nghề Thừa Thiên
Huế.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định
hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác.

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.


Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013
Học viên




Lê Nhƣ Lập

-3-
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………………5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
LỜI MỞ ĐẦU 8
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU NGHIÊN CỨU THEO GIỎI CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ….9
1.1. Theo dõi chuyển động ô tô …….9
1.2. Nhu cầu và hiện trạng giao thông hiện nay 10
1.3. Các phƣơng pháp cảnh báo, đề xuất hƣớng giải quyết ứng dụng MEMS 10
1.3.1 Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS……………… 10
1.3.2. Các ứng dụng thử nghiệm đo rung của công nghệ MEMS………………….11
1.4. Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS 12
1.4.1. Gia công vi cơ khối 12
1.5. Tổng quan cảm biến MEMS 14

1.5. 1. Cấu trúc của Vi cảm biến gia tốc 14
1.5.2. Ứng dụng của cảm biến gia tốc 15
1.5.3. Nguyên tắc hoạt động của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ 16
CHƢƠNG II. VI CẢM BIẾN GIA TỐC IMU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC SẢN
PHẨM MEMS 18
2.1. Tổng quan MPU-60X0……………………………………………………… 18
2.2. ứng dụng 20
2.3. Các tính năng con quay hồi chuyển 20
2.3.1. Các tính năng gia tốc 21
2.3.2. Tính năng MPU-60X0 bao gồm các tính năng bổ sung: 21
2. 4. Xử lí chuyển động 22
2.5. Con quay hồi chuyển MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu. 23
2.5.1. Gia tốc kế MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu 23
2.5.2.Tự kiểm tra. 24
2.5.3. Bộ tạo nhịp trong 25
2.6. Các thanh ghi dữ liệu cảm biến. ….25
2.6.1. Đệm FIFO. 26
2.6. 2. Ngắt. 26
2.6.3. Phân cực thu và LDO. 26
2.7. Giao diện nối tiếp I
2
C và SPI (chỉ MPU-6000) 27
2.8. Truyền thông 28
-4-
2.9. Giao diện SPI (chỉ MPU-6000) 29
2.10. Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc. 33
CHƢƠNG III. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 35
3.1 Sơ đồ khối 35
3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 36
3.2 Mạch in 36

CHƢƠNG IV. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 37
4.1. Lập trình giao diện Gyroscope hoạt động cảm biến 37
4.2. Giá trị gia tốc góc 38
CHƢƠNG V. THÍ NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN 39
5.1: Giới thiệu bộ thí nghiệm quay 39
5.2: Sơ đồ khối điều khiển 40
5.3:Kết quả các thí nghiệm 40
CHƢƠNG VI. KẾT LUẬN 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48
PHỤ LỤC. 50
1. Lập trình giao diện Gyroscope hoạt động cảm biến 50
2. Giá trị gia tốc góc 60

-5-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU
Ý NGHĨA
MEMS
Micro ElectroMechanical Systems (Hệ thống vi cơ điện tử)
Actuator
Bộ chấp hành
Poly - Si
Silic đa tinh thể
Si3N4
Nitrit silic
Mask
Mặt nạ
RF
Sóng điện từ (Electromagnetic waves)

PMMA
Acrylic
Roll –Pitch
Cảm biến góc
DMP
Bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số
MPU-60X0
Thiết bị Theo dõi chuyển động 6 trục
I
2
C
Bộ nối
SPI
Đầu vào dữ liệu
FIFO
Thanh ghi (first in ▪ first out) Vào trƣớc ra trƣớc.
LDO
Điện áp lệch
SCLK
Đồng hồ/ nhịp nối tiếp
SDA, SDO
Dữ liệu nối tiếp
SCI
Đầu vào dữ liệu nối tiếp
LSB
Địa chỉ
/ CS
Đƣờng dây chọn chip
S,Sr
Start

P
Stop
ACK
Tín hiệu xác nhận
NACK
Tín hiệu không thừa nhận
RA
Thanh ghi

-6-
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên các bảng
Trang
Bảng 2.1: Nguồn, thiết bị logic giao diện
19
Bảng 2.2: Thông số xử lý chuyễn động
22
Bảng 2.3: Giao diện các thanh nghi
27
Bảng 2.4: Địa chỉ thanh ghi
30
Bảng 2.5: Giá trị điện-on-thiết lập lại cho AUX_VDDIO là 0
30
Bảng 3.6: Mức logic cho AUX_VDDIO = 1
32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên các hình vẽ
Trang
Hình 1.1: Đầu ra của cảm biến AZ

11
Hình 1.2: Minh họa cảm biến áp suất vi cơ khối
12
Hình 1.3: Công đoạn gia công bề mặt
13
Hình 1.4: Sơ đồ hệ đo gia tốc
14
Hình 1.5: Các kiểu cảm biến gia tốc
15
Hình 1.6: Hệ khối lƣợng- lò xo đƣợc sử dụng đo gia tốc
16
Hình 1.7: Mô hình một tụ điện đơn(ben trái) và hai tụ nối tiếp
17
Hình 2.1: Sơ đồ hình khối I / O Levels kết nối cho AUX_VDDIO = 0)
31
Hình 2.2: Hình khối sơ đồ mức logic cho AUX_VDDIO = 1
32
Hình 2.3: Định hƣớng của các trục cảm biến và cực quay
33
Hình 3.1: Hình cảm biến gia tốc
35
Hình 3.2: Khối mạch điều khiển
35
Hình 3.3: Khối điều khiển, màng hình LCD
35
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch
36
Hình 3.6: Mạch in cảm biến, nguồn và cổng kết nối
36
-7-

Hình 5.1: Thiết bị quay
39
Hình 5.2: Hình hiển thị phần mềm điều khiển bàn quay
39
Hình 5.3: Bộ mã hóa quay
40
Hình 5.4: Sơ đồ hình khối bộ điều khiển cảm biến
40
Hình 5.5: Bàn quay đang ở vị trí 90
0
43
Hình 5.6: Xe đang lƣu thông trên đƣờng thẳng
43
Hình 5.6: Xe đang qua trái
44


-8-
LỜI MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, công nghệ thông tin kỹ thuật điện tử hiện đại đã đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Một trong những ứng dụng của nó là điều khiển
và giám sát các quá trình hoạt động và chuyển động. Cảm biến này đƣợc ứng dụng
trong y học cũng nhƣ giao thông. Trong quá trình mô tả và thực nghiệm, cảm biến
này đƣợc đƣa vào thực tế và đã thực hiện thành công các nhiệm vụ trong một môi
trƣờng năng động. Ứng dụng của cảm biến là giám sát té ngã của ngƣời già, hỗ trợ
nhịp đập ở tim, điều khiển máy bay không ngƣời lái, bung túi hơi trên xe ô tô khi va
chạm,…. Các ADXRS6050 chính là một cảm biến tốc độ góc đầy đủ (con quay) sử
dụng các thiết bị, bề mặt vi xử lý để thực hiện chức năng cảm biến tích hợp với tất
cả các thiết bị điện tử cần thiết trên một chíp. Kỹ thuật sản xuất cho sản phẩm này là
những thiết bị cao cấp có khối lƣợng xử lý trong nhiều lĩnh vực, với độ tin cậy đã

đƣợc chứng minh. Các con quay hồi chuyển cấp công nghiệp là 100% pin gói, nhiệt
độ và chức năng tƣơng thích với các liên quan cấp chuyển động ADXRS620 và
ADXRS622 ADXR6050 con quay hồi chuyển.

Với nội dung “Hệ thống theo dõi chuyển động của xe ôtô sử dụng cảm
biến gia tốc”. Luận văn của tôi gồm các phần sau:
Chƣơng I: Giới thiệu nghiên cứu theo dõi chuyển động của xe ô tô
Chƣơng II: Vi cảm biến gia tốc IMU công nghệ chế tạo các sản phẩm
MEMS
Chƣơng III: Thiết kế phần cứng
Chƣơng IV:Phần mền điều khiền
Chƣơng V: Thí nghiệm hoạt động hệ thống
Chƣơng VI: Kết luận
-9-
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU NGHIÊN CỨU THEO DÕI CHUYỂN ĐỘNG
CỦA Ô TÔ
1.1. Theo dõi chuyển động ô tô
Chắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những chiếc xe đủ
kiểu dáng, đủ màu sắc chen chúc trong “dòng sông ôtô” khi đƣờng tắc hoặc thấy
chúng bám đuôi nhau lao vun vút trên đƣờng cao tốc. Nhƣng có lẽ ít ai hiểu rõ, khi
chuyển động, nhất là ở tốc độ cao, ôtô đã chịu tác động của những lực nào. Theo lý
thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải khắc phục nhiều loại lực cản: lực cản lăn, lực
quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi xe lao nhƣ bay về phía trƣớc.
Lực cản lăn liên quan đến chất lƣợng mặt đƣờng, chất lƣợng săm lốp. Lực quán tính
liên quan đến khối lƣợng và gia tốc của xe. Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công
nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn. Còn lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng
khí động học và tốc độ của xe. Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất mà chúng tôi
muốn đề cập đến trong bài này.
Hiệu quả khí động học của một chiếc xe đƣợc xác định bởi hệ số cản (Cd)
của nó. Nói một cách đơn giản, hệ số cản là ảnh hƣởng của hình dạng chiếc xe đối

với sức cản của không khí khi xe chạy. Theo lý thuyết, một mặt cầu kim loại có Cd
bằng 1.0, nhƣng nếu tính đến hiệu ứng nhiễu loạn của không khí phía sau nó thì giá
trị đó xấp xỉ 1.2. Hệ số khí động học thấp nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt
nƣớc. Hệ số cản có giá trị 0.05. Tuy nhiên chúng ta khó có thể chế tạo một chiếc xe
giống nhƣ thế. Những chiếc xe hiện đại thƣờng có hệ số cản Cd vào khoảng 0.47.
Lực cản tỷ lệ với hệ số cản, diện tích mũi xe và bình phƣơng vận tốc của phƣơng
tiện.
Đƣờng ô tô ở những chỗ quanh thƣờng phải làm nghiêng. Khi xe ôtô đi đến chỗ
quanh, nó chịu tác dụng của trọng lƣợng P và phản lực Q của mặt đƣờng, lực này
vuông góc với mặt đƣờng. Hợp lực của hai lực này hƣớng vào tâm làm cho ô tô
chuyển động tròn đều một cách dễ dàng.
Lực bám-một lực mơ hồ từ cách dịch thuật, thực chất nó là lực ma sát tĩnh giữa
lốp xe với mặt đƣờng, lực này tỉ lệ với tải trọng đè lên lốp xe và hệ số bám. Hệ số
bám lại phụ thuộc vào đặc tính lốp (áp suất lốp, hoa lốp, độ mòn lốp ), điều kiện
mặt đƣờng
Vai trò của lực bám thể hiện qua biểu thức sau: lực cản < lực kéo < lực bám.
Đây gọi là điều kiện chuyển động của ô tô. Lực cản bao gồm lực cản gió, lực cản
leo dốc, lực ma sát trong hệ thống truyền động, lực ma sát với mặt đƣờng (ma sát
lăn) Lực kéo là lực phát ra từ động cơ và lực bám thực chất là lực ma sát tĩnh.
Ảnh hƣởng của việc mất lực bám: Ảnh hƣởng đầu tiên là khả năng bó cứng bánh
xe làm mất ổn định chuyển động của xe. Điều kiện bó cứng bánh xe là lực phanh
lớn hơn lực bám. Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi xe vào cua.Khi đó, chính lực
ly tâm sẽ xô ngang phần đuôi hoặc đầu xe (tùy 2 bánh sau hay trƣớc bị mất lực
bám). Nghĩa là khi mất lực bám, quán tính của phần thân xe sẽ làm bánh xe trƣợt lê
trên mặt đƣờng.
-10-
Chẳng có gì đáng nói nếu bánh xe chuyển động thẳng tuyệt đối. Tuy nhiên, bánh
xe khi chuyển động luôn chịu thành phần lực ngang và lực này làm văng xe qua một
bên, gây mất kiểm soát lái. Tất nhiên, điều đó không phải lúc nào cũng có hại. Nhƣ
trong nghệ thuật drift xe hay kỹ năng điều khiển xe qua khúc cua tay áo mà không

cần phải giảm tốc đến mức thấp nhất.
Ngƣời lái phanh gấp 2 bánh xe trƣớc làm cho đuôi xe bị hất lên, trọng tâm xe lúc
đó bị dồn về phía đầu xe, nghĩa là tải trọng đề lên 2 bánh sau bị giảm làm giảm lực
bám nên bánh xe rất dễ bị bó cứng. Khi đó, chỉ cần kéo phanh tay để làm bánh sau
bị bó cứng và xe bị trƣợt ngang do lực ly tâm.
Kết quả của quá trình trƣợt giúp thân xe nắm đúng hƣớng của đoạn đƣờng khi
qua khỏi cua (có thể kết hợp đánh lái nhẹ). Về nguyên nhân gây mất lực bám thì rất
nhiều nguyên nhân mà cơ bản là sự giảm tải trọng đè lên bánh xe và giảm hệ số
bám.Về biện pháp khắc phục cũng có rất nhiều nhƣ sử dụng ABS, BAS, ESP…
1.2. Nhu cầu và hiện trạng giao thông hiện nay
Tính an toàn chuyển động của ôtô là tính chất tổng hợp nhằm giảm xác suất
phát sinh tai nạn giao thông và giảm thiểu tổn thất về vật chất và con ngƣời khi xảy
ra tai nạn giao thông. An toàn chuyển động của ôtô phải đƣợc coi là một trong các
tính chất khai thác quan trọng nhất bởi nó ảnh hƣởng tới đời sống và sức khoẻ con
ngƣời, tới chất lƣợng ôtô, hàng hoá chuyên chở và các công trình giao thông.
Ở nƣớc ta, ƣớc tính số tai nạn giao thông hàng năm rất cao.Trong đầu năm
đến nay, cả nƣớc xảy ra gần 15.000 vụ tai nạn giao thông (TNGT), làm chết trên
11.000 ngƣời, bị thƣơng hơn 10.500 ngƣời. So với năm 2009 tăng 1.788 vụ, giảm
47 ngƣời chết và tăng khoảng 2.500 ngƣời bị thƣơng. Trong đó đƣờng bộ xảy ra
nhiều TNGT nhất. Nếu tính trung bình thì số ngƣời thiệt mạng mỗi ngày do TNGT
là hơn 31 ngƣời. Riêng TP.HCM năm 2010 có 785 ngƣời chết, giảm 74 ngƣời; Hà
Nội có 735 ngƣời chết, giảm 89 ngƣời. Do đó việc giám sát chuyển động của ôtô để
đƣa ra các cảnh báo nhằm giảm thiểu các tai nạn là một vấn đề hết sức cần thiết.
1.3. Các phƣơng pháp cảnh báo, đề xuất hƣớng giải quyết ứng dụng
MEMS.
Phát hiện các tai nạn giao thông bằng hệ thống phát hiện và cảnh báo chuyển
động để hỗ trợ giúp ngƣời điều khiển phƣơng tiện là điều rất cần thiết để tránh
những hậu quả đáng tiếc. Giải pháp là sẽ sử dụng thiết bị cảnh báo đặt ở các vị trí
thuận tiện giám sát trên xe để ngƣời điều khiển phƣơng tiện biết đƣợc chuyển động
khi xe đang lƣu thông. Lúc đó, chuyển động của xe đƣợc theo dõi thông qua các

cảm biến gia tốc đặt ở vị trí trên xe. Khi hệ thống làm việc, mọi chuyển động của
xe sẽ đƣợc theo dõi và xử lý. Việc phân tích chuyển động quay của xe sẽ đƣợc thực
hiện hoàn toàn tự động nếu phát hiện xe đang chuyển động với góc quay, đầu ra của
hệ thống cảm biến sẽ lập tức đƣa ra cảnh báo với độ chính xác cao.
1.3.1 Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS
Trong các ngành công nghiệp có thể tóm tắt nhƣ sau: Sensor áp suất: Kiểm
tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và
các ứng dụng dân dụng khác. Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết
bị định hƣớng cho tên lửa và các phƣơng tiện vận tải. Hiển thị: Các màn hình độ
phân giải cao dùng các vi gƣơng cho các thiết bị điện tử . Đầu phun mực: Hàng
trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy in laser đen trắng và mầu. Các
-11-
sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học. Chuyển mạch cho thông tin
quang sợi: Internet, truyền hình và thông tin giải rộng dùng cáp quang. Vi van: Các
hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van. Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle
trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến.
1.3.2. Các ứng dụng thử nghiệm đo rung của công nghệ MEMS
Hệ đo rung thời gian thực này không chỉ áp dụng cho bài toán INS/GPS mà
còn có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nữa mà ở đó không có sẵn cảm biến
gia tốc.
Hệ INS/GPS cần lắp đặt tại trọng tâm xe trong khi khối đo rung có thể đặt
gần động cơ.
Cảm biến gia tốc có sẵn trong khối đo quán tính chỉ có thể cho dữ liệu ra tối
đa là 64 mẫu/s, là không đủ khi đo rung tần số cỡ vài chục Hz trở lên.
Hình dƣới mô tả đầu ra của cảm biến gia tốc lắp đặt theo phƣơng thẳng đứng
(vuông góc với sàn xe) trong khoảng thời gian hơn 20 phút. Thí nghiệm theo chủ ý
gồm ba pha: xe đứng yên và động cơ chƣa nổ máy, xe đứng yên với động cơ đã
đƣợc nổ máy và xe chuyển động trên quỹ đạo hai chiều.
Khi xe đứng yên và không bật máy thì đầu ra của cảm biến vẫn có tín hiệu
với độ lớn đáng kể. Sự dao động này đƣợc quyết định bởi chất lƣợng của cảm biến,

thƣờng thì tất cả các cảm biến đƣợc chế tạo bởi công nghệ vi điện tử đều bị tác
động bởi các rung nền này.

Hình 1.1 Đầu ra của cảm biến AZ

Có thể nhận thấy sự khác biệt rõ nét giữa pha 1 (xe đứng yên - tắt máy) và pha
2 (xe đứng yên - nổ máy) thông qua các tần số. Đó chính là các tần số rung gây nên
bởi việc nổ máy xe ôtô. Tín hiệu ở các tần số này đƣơng nhiên sẽ đƣợc đƣa vào
khối dẫn đƣờng quán tính và có thể gây nên sai lệch thông tin đầu ra (vị trí, vận tốc
và góc tƣ thế). Rõ ràng là nếu các dao động do động cơ ôtô gây nên không nằm
trong dải tần hoạt động của IMU khi chuyển động thì ta có thể loại trừ các dao động
này nhờ sử dụng các bộ lọc số trên PC-box. Còn nếu nhƣ các dao động do động cơ
ôtô gây nên nằm trong dải tần hoạt động của IMU thì chúng ta chỉ có thể giảm bớt
các tác động do rung xóc nhờ kỹ thuật cơ học khi lắp đặt IMU.
-12-
1.4. Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS
Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, các
chi tiết vi cơ. Mạch vi điện tử đƣợc chế tạo trên phiến silic do đó xu hƣớng chung là
lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tƣơng
tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình. Tuy nhiên các
linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng (công nghệ planar nghĩa là
phẳng) còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác nhƣ dịch chuyển,
rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v…
Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có một phần, có khi
hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng. Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu
có tính chất thích hợp thí dụ có chi tiết cần đàn hồi nhƣ lò xo, có chi tiết cần rất
cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn
điện. May mắn là trên cơ sở silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng đƣợc nhu
cầu nói trên, thí dụ oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện
đƣợc, nitrit silic (Si3N4) vừa cứng vừa đàn hồi. Cũng có thể dùng các phƣơng pháp

bốc bay, phun xạ để tạo những lớp chất đặc biệt nhƣ lớp kim loại phản xạ, lớp áp
điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v… Có thể kể đến một số phƣơng pháp về gia công các
chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS nhƣ sau:
1.4.1. Gia công vi cơ khối
Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành
chi tiết vi cơ. Gọi là gia công nhƣng thực ra là dùng các phƣơng pháp hoá, lý để ăn
mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v

Hình 1.2: Minh hoạ cảm biến áp suất vi cơ khối

Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:
Ăn mòn ƣớt: Thƣờng dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.
Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn
nhờ các mặt nạ (mask). Các dung dịch hoá chất thƣờng dùng đối với silic là các
dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit nhƣ HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH. Việc
ăn mòn có thể là đẳng hƣớng (ăn mòn đều nhau theo mọi hƣớng) hoặc dị hƣớng
(cóhƣớng tinh thể ăn mòn nhanh, có hƣớng chậm).
Ăn mòn khô: Ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng
-13-
thƣờng là ở nhiệt độ cao. Hình dạng, diện tích hố ăn mòn đƣợc xác định theo mặt nạ
(mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu. Để tăng cƣờng tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng
điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng
tốc độ các viên đạn bắn phá.
* Gia công vi cơ bề mặt
Thí dụ để trên phiến silic cần tạo ra một dầm đa tinh thể silic một đầu cố định, một
đầu tự do có thể làm theo các giai đoạn sau:
Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic.
Dùng mặt nạ 1 khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn và đẩy
đầu cố định của dầm.
Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để khắc hình

khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm.
Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhƣng không hoà
tan silic) ta có đƣợc dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do.

Hình 1.3: Công đoạn gia công bề mặt

Trong thí dụ trên có những lớp chế tạo ra nhƣ lớp SiO2 chỉ có vai trò trong một giai
đoạn gia công, sau đó lại hoà tan để loại bỏ. Ngƣời ta gọi đó là lớp hi sinh.
* Hàn
Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín nhƣ ống dẫn, bể ngầm có thể thực
hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau tạo một cái
hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thƣờng rồi hàn lên trên phiến đó
một phiến khác để đậy hố lại. Gọi là hàn nhƣng thực ra là ép nhiệt trực tiếp hai
phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cƣờng sự kết dính.
* Gia công bằng tia laze
Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lƣợt, điều
khiển trực tiếp. Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt
đƣợc. Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thƣờng chỉ dùng để làm
khuôn. Laze dùng là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thƣờng là chất
dẻo, polymer.
* Liga
Hình
-14-
LIGA là từ ghép các chữ đầu của Lithgraphie Galvanofruning und Abformung,
tiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn. Đây là kỹ thuật tạo ra các hệ
vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều nhƣ ở các cách khắc hình bình thƣờng.
Ở LIGA ngƣời ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm đến
hàng milimet. Chất cảm thƣờng dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA. Thông
qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm theo những diện
tích nhất định, làm biến chất chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bị hoà tan. Vì trong kỹ

thuật LIGA ngƣời ta thƣờng dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X có thể
đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromet nhờ đó sau
khi nhúng vào dung dịch, những chỗ chất cảm bị hoà tan đi có thể rất sâu, hình khắc
thực sự là ba chiều chứ không phải là hai chiều nhƣ ở quang khắc thông thƣờng.
1.5. Tổng quan cảm biến MEMS
Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử đƣợc tích hợp với số lƣợng ngày càng lớn,
kích thƣớc ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng đƣợc nâng cao. Điều này đã
mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những năm
50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa
hẹn một tƣơng lai cho tất cả các ngành công nghiệp hệ thống vi cơ điện tử. Tuy rằng
MEMS mới ra đời chƣa lâu nhƣng đã có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ
vào sự phát triển đời sống xã hội.
1.5. 1. Cấu trúc của Vi cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc.
Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến đƣợc chế tạo theo công nghệ vi cơ. Nó chính là
một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS.


Hình 1.4: Sơ đồ một hệ đo gia tốc

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy
cao chƣa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trƣớc đây.
Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến
gia tốc vi cơ điện tử. Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai
loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Trong nhiều ứng dụng việc lựa
-15-
chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ƣu
điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhƣợc điểm của nó là hoạt động
phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ.
Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và

mất mát năng lƣợng. Tuy nhiên chúng có nhƣợc điểm là mạch điện tử phức tạp hơn.
Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn.


Hình 1.5: Các kiểu cảm biến gia tốc

1.5.2. Ứng dụng của cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông
thƣờng trƣớc đây trong nhiều ứng dụng. Một vài những ứng dụng điển hình của
cảm biến gia tốc vi cơ.
Cảm biến góc Roll –Pitch
Định hƣớng 3D trong không gian
Phát hiện va chạm: những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển
giúp phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm
Đo và điều khiển mức rung
Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị
Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con ngƣời
Tụ điện phẳng


• Gia tốc

Gia tốc là sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Vận tốc đến lƣợt nó lại đo sự
thay đổi của độ dịch chuyển theo thời gian. Lực trọng trƣờng là nguyên nhân gây ra
gia tốc rơi tự do và gia tốc này bằng 9.81 m/s
2
(1g). Gia tốc thƣờng đƣợc tính thông
-16-
qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F = ma. Ở đó F là
lực gây ra gia tốc, m là khối lƣợng, a là gia tốc. Lực có đơn vị là N, m có đơn vị là

gam (g), a có đơn vị là m/s
2
. Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định đƣợc giá
trị của lực tác dụng lên một khối vật thể đã biết trƣớc. Một cách tiếp cận khác để
tính toán gia tốc đó là : Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian. Vận tốc lại là
đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian.




Gia tốc cũng có thể đƣợc xác định một cách dễ dàng nhờ một dụng cụ đơn
giản nhƣ sau.


Hình 1.6. Hệ khối lƣợng – lò xo đƣợc sử dụng để đo gia tốc


1.5.3. Nguyên tắc hoạt động của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ
Khi hệ quy chiếu đƣợc gia tốc, gia tốc này đƣợc truyền cho khối m thông qua
lò xo. Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này đƣợc xác định bởi một cảm biến độ dịch
chuyển. Theo định luật Hooke, lực kéo khối lƣợng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò
xo F = kx, với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với
vị trí cân bằng. Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên,
lực F này cung cấp cho khối lƣợng m có một gia tốc a theo công thức F = ma. Tại
vị trí cần bằng ta có F = ma = kx. Hệ thống có thể đƣợc mô tả bởi phƣơng trình vi
phân sau:
2
*
2
ext

d x dx
m D Kx F m a
dt dt
với D là hệ số ma sát.

Theo định luật II
Newton
ΣF = ma
Tcosθ - mg = 0
T = mg/cosθ
Tsinθ = ma
Ta có a = g tgθ

• Độ dịch chuyển
• Gia tốc
• Vận tốc
-17-
Do đó, chúng ta thu đƣợc a =
kx
m
trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên.
Nhƣ vậy,
2
*
2
ext
d x dx
m D Kx F m a
dt dt

để đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyển x. Để đo khoảng dịch chuyển
này, ngƣời ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song song
khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi đƣợc (hình 3)


Hình 1.7. Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải).

Điện dung của tụ điện đơn là C=
0
k
x
0
k
x
, với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc
tính của môi trƣờng nằm giữa hai bản tụ. Nếu biết k, điện dung của tụ điện C ta có
thể tính đƣợc x0. Cũng trong hình 3, nếu bản tụ nằm giữa C
A
và C
B
dịch chuyển
một khoảng là x thì
00
,
AB
kk
CC
x x x x
(1)
hay có thể viết lại là:

00
00
,
AB
xx
C C C C
x x x x
(2)
Do đó:
0
00
11
AB
C C C Cx
x x x x
(3)
Với khoảng x dịch chuyển nhỏ, phƣơng trình trên có thể rút gọn thành:

0
2x
CC
x
(4)
Nhƣ vậy, nếu gắn khối lƣợng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ
điện nối tiếp thì có thể xác định đƣợc độ dịch chuyển của nó dƣới tác dụng của lực
F, tức là xác định đƣợc gia tốc thông qua việc xác định giá trị ∆C.
-18-
CHƢƠNG II. VI CẢM BIẾN GIA TỐC IMU - CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
CÁC SẢN PHẨM MEMS
2.1. Tổng quan MPU-60X0

Giao diện chuyển động™ đang trở thành một chức năng "buộc phải có"
đƣợc chấp nhận bởi các nhà sản xuất điện thoại thông minh và máy tính bảng do giá
trị to lớn nó làm tăng thêm kinh nghiệm ngƣời dùng cuối. Trong điện thoại thông
minh, nó tìm thấy sử dụng trong các ứng dụng nhƣ ra lệnh bằng cử chỉ cho các ứng
dụng và kiểm soát điện thoại, chơi game nâng cao, tăng cƣờng thực tế, chụp và xem
ảnh toàn cảnh, và sự chuyển hƣớng của ngƣời đi bộ và xe. Với khả năng theo dõi tỉ
mỉ và chính xác chuyển động của ngƣời dùng công nghệ Theo dõi chuyển động có
thể chuyển đổi thiết bị cầm tay và máy tính bảng vào các thiết bị thông minh 3D
mạnh mẽ có thể đƣợc sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ theo dõi sức khỏe
và tập thể dục với các dịch vụ dựa trên địa điểm. Yêu cầu then chốt cho thiết bị kích
hoạt giao diện chuyển động là có kích thƣớc nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, độ
chính xác cao và độ lặp lại, khả năng chịu va đập cao, và ứng dụng cụ thể hiệu suất
lập trình - tất cả với một mức giá tiêu dùng thấp.
MPU-60X0 là thiết bị Theo dõi chuyển động 6 trục tích hợp đầu tiên trên thế
giới kết hợp 3 trục con quay hồi chuyển, gia tốc 3 trục, và một bộ xử lý chuyển
động kỹ thuật số (DMP) tất cả trong một gói nhỏ kích thƣớc 4x4x0.9mm. Với bus
(một tập hợp các dây mang thông tin từ một phần của một hệ thống máy tính khác)
cảm biến I
2
C chuyên dụng, nó trực tiếp chấp nhận đầu vào từ một la bàn 3 trục bên
ngoài để cung cấp một đầu ra hoàn thành 9 trục MotionFusion ™. Thiết bị
MotionTracking MPU-60X0, với việc tích hợp 6 trục của nó, trên bộ phận
MotionFusion ™, và thời gian chạy phần mềm hiệu chỉnh, cho phép các nhà sản
xuất loại bỏ các lựa chọn tốn kém và phức tạp của các thiết bị riêng biệt, và hội
nhập cấp hệ thống các thiết bị rời rạc, đảm bảo chuyển động tối ƣu hiệu suất cho
ngƣời tiêu dùng. MPU-60X0 cũng đƣợc thiết kế để kết nối với nhiều cảm biến kỹ
thuật số không quán tính, chẳng hạn nhƣ cảm biến áp suất, trên cổng I2 phụ trợ.
MPU-60X0 là dấu chân tƣơng thích với gia đình MPU-30X0.
MPU-60X0 làm nổi bật ba máy biến tƣơng tự số 16-bit (ADC) cho việc số
hóa các kết quả đầu ra con quay hồi chuyển và ba ADC 16-bit cho số hóa các kết

quả đầu ra gia tốc. Để theo dõi chính xác cả hai chuyển động nhanh và chậm, các bộ
phận có sử dụng lập trình con quay hồi chuyển đầy đủ quy mô ± 250, ± 500, ±
1000, và ± 2.000 ° / giây (dps) và một ngƣời sử dụng lập trình gia tốc đầy đủ quy
mô ± 2g, ± 4g, ± 8g, và ± 16g.
Một chip 1024 Byte đệm FIFO giúp tiêu thụ điện năng hệ thống thấp hơn
bằng cách cho phép bộ vi xử lý hệ thống để đọc dữ liệu cảm biến trong các tín hiệu
xung và sau đó nhập vào một chế độ công suất thấp nhƣ MPU thu thập nhiều dữ
liệu hơn. Với tất cả việc xử lý trên chip cần thiết và các thành phần cảm biến cần
thiết để hỗ trợ nhiều ngƣời sử dụng dựa trên chuyển động trƣờng hợp, MPU-60X0
duy nhất cho phép các ứng dụng MotionInterface điện năng thấp trong các ứng
dụng di động với việc giảm thiểu yêu cầu xử lí cho các bộ xử lý hệ thống. Bằng
cách cung cấp một sản lƣợng MotionFusion tích hợp, DMP trong giảm tải MPU-
-19-
60X0 các yêu cầu tính toán chuyên sâu MotionProcessing từ xử lý hệ thống, giảm
thiểu sự cần thiết phải kiểm tra vòng thƣờng xuyên của các đầu ra cảm biến chuyển
động.
Thông tin liên lạc với tất cả các thanh ghi của thiết bị đƣợc thực hiện bằng
cách sử dụng hoặc I
2
C tại 400kHz hoặc SPI tại 1MHz (chỉ MPU-6000). Đối với các
ứng dụng đòi hỏi phải có thông tin liên lạc nhanh hơn, các cảm biến và các thanh
ghi ngắt có thể đƣợc đọc sử dụng SPI ở 20MHz (chỉ MPU-6000). Các tính năng
khác bao gồm một bộ cảm biến nhiệt độ đƣợc nhúng và một bộ dao động trên chip
với ± 1% biến động trên phạm vi nhiệt độ hoạt động. Bằng cách tận dụng bằng sáng
chế và khối lƣợng đã đƣợc chứng minh nền tảng Nasiri-Fabrication của nó, đƣợc
tích hợp tấm MEMS với bộ phận đi cùng CMOS điện tử thông qua liên kết cấp,
InvenSense đã thúc đẩy các gói kích thƣớc MPU-60X0 xuống còn 4x4x0.9mm
(QFN), trong khi cung cấp một hiệu suất cao nhất, tiếng ồn thấp nhất, và đóng gói
bán dẫn chi phí thấp nhất cần thiết cho ngƣời tiêu dùng thiết bị điện tử cầm tay. Bộ
phận chịu cú sốc mạnh 10.000g, có thể lập trình thấp qua các bộ lọc cho các con

quay hồi chuyển, gia tốc và cảm biến nhiệt độ trên chip. Đối với sự cung cấp điện
linh hoạt, MPU-60X0 hoạt động từ nguồn điện VDD phạm vi điện áp 2.375V-
3.46V. Ngoài ra, MPU-6050 cung cấp một tham chiếu pin VLOGIC (ngoài cung
cấp tƣơng tự pin của nó: VDD), thiết lập mức logic của giao diện I
2
C của nó. Điện
áp VLOGIC có thể là 1.8V ± 5% hoặc VDD. MPU-6000 và MPU-6050 là giống hệt
nhau, ngoại trừ các MPU-6050 hỗ trợ I
2
C giao diện nối tiếp duy nhất, và có một pin
tham chiếu riêng biệt VLOGIC. MPU-6000 hỗ trợ cả giao diện I
2
C và SPI và có
một pin duy nhất cung cấp, VDD, vừa cung cấp nguồn tài liệu tham chiếu logic của
thiết bị và cung cấp tƣơng tự cho các phần. Bảng dƣới đây chỉ ra những khác biệt
này:
Sự khác biệt chính giữa MPU-6000 và MPU-6050
Part/ ltem
MPU-6000
MPU-6050
VDD
2,375-3,46V
2,375-3,46V
VLOGIC
n/a
1,71-toVDD
Serlal giao diện hỗ trợ
I
2
C, SPI

I
2
C
Pin 8
/CS
VLOGIC
Pin 9
ADO/SDO
ADO
Pin 23
SCL/SCLK
SCL
Pin24
SDA/SDI
SDA

Bảng 2.1: Nguồn, thiết bị logic giao diện
Đặc điểm kỹ thuật: sản phẩm này cung cấp thông tin tiên tiến liên quan đến
các đặc điểm kỹ thuật điện và thiết kế thông tin liên quan cho các thiết bị MPU-
6000 ™ và MPU-6050 ™ MotionTracking ™, gọi chung là các MPU-60X0 ™
hoặc MPU ™. Đặc tính điện đƣợc dựa trên phân tích thiết kế và chỉ có kết quả mô
phỏng. Thông số kỹ thuật có thể thay đổi mà không báo trƣớc. Thông số kỹ thuật
cuối cùng sẽ đƣợc cập nhật dựa theo đặc tính của sản xuất silicon.
MPU-60X0 bao gồm các khối và các chức năng then chốt sau đây:
Con quay hồi chuyển cảm biến MEMS ba-trục tỷ lệ với ADC 16-bit và
điều chỉnh tín hiệu.
Cảm biến gia tốc MEMS ba-trục với ADC 16-bit và điều chỉnh tín hiệu.
Chuyển động xử lý kỹ thuật số (DMP) động cơ.
-20-
Giao diện truyền thông nối tiếp I

2
C và SPI cơ bản (chỉ MPU-6000)
Phụ trợ giao diện nối tiếp I
2
C cho từ kế thứ 3 và cảm biến khác.
Đo thời gian.
Các thanh ghi dữ liệu cảm biến.
FIFO (first in ▪ first out) vào trƣớc ra trƣớc.
Ngắt.
Nhiệt độ kỹ thuật số, đầu ra cảm biến.
Con quay hồi chuyển và gia tốc tự kiểm tra.
Điện áp lệch và LDO.
Nạp điện.

2.2. ứng dụng
Công nghệ BlurFree ™ (cho Video / Ảnh tĩnh ổn định)
Công nghệ AirSign ™ ( Dành cho An ninh / Xác nhận)
Công nghệ TouchAnywhere ™ (cho kiểm soát ứng dụng giao diện
ngƣời dùng “không chạm” / Danh mục chính)
Công nghệ MotionCommand ™ (cho những cử chỉ tắt)
Trò chơi cho phép chuyển động và khung ứng dụng
Nhận diện cử chỉ InstantGesture ™iG ™
Dịch vụ định vị, các địa điểm quan tâm, định vị bằng la bàn
Thiết bị cầm tay và chơi game cầm tay
Điều khiển trò chơi dựa trên chuyển động
Điều khiển từ xa 3D cho DTVs kết nối Internet và hộp giải mã, chuột 3D
Cảm biến Wearable cho sức khỏe, tập thể dục và thể thao
Đồ chơi
2.3. Các tính năng con quay hồi chuyển
Các con quay hồi chuyển ba trục MEMS trong MPU-60X0 bao gồm một

loạt các tính năng:
Kỹ thuật số đầu ra X, Y, và trục cảm biến tốc độ góc Z (con quay hồi
chuyển) với đầy đủ phạm vi quy mô sử dụng lập trình của ± 250, ± 500, ± 1000, và
± 2.000 ° / giây.
Tín hiệu đồng bộ bên ngoài kết nối với pin FSYNC hỗ trợ hình ảnh,
video và đồng bộ hóa GPS.
Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời của con quay hồi
chuyển
Làm tăng điện áp lệch và sự ổn định nhiệt độ nhạy cảm giảm sự cần thiết
cho ngƣời sử dụng hiệu chuẩn.
Cải thiện hiệu suất tiếng ồn tần số thấp.
Digitally lập trình bộ lọc thông thấp.
Dòng điện vận hành con quay hồi chuyển: 3.6mA.
Dòng điện dự phòng: 5μA.
Nhà máy đƣợc hiệu chỉnh yếu tố quy mô nhạy cảm.
-21-
Ngƣời dùng tự kiểm tra.
2.3.1. Các tính năng gia tốc
Gia tốc MEMS ba trục trong MPU-60X0 bao gồm một loạt các tính năng:
Kỹ thuật số đầu ra gia tốc ba trục với đầy đủ quy mô phạm vi lập trình
của ± 2g, ± 4g, 8g và ± 16g.
Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời của gia tốc trong khi
không cần đa kết nối bên ngoài.
Dòng điện vận hành Gia tốc: 500μA.
Điện năng thấp vận hành chế độ gia tốc: 10μA tại 1.25Hz, 20μA tại 5Hz,
60μA tại 20Hz, 110μA tại 40Hz.
Phát hiện Định hƣớng và tín hiệu.
Nhận diện chạm (gõ).
Ngƣời dùng có thể lập trình ngắt.
Ngắt High-G.

Ngƣời dùng tự kiểm tra.
2.3.2. Tính năngMPU-60X0 bao gồm các tính năng bổ sung:
MotionFusion 9 trục bởi bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số trên chip (DMP).
Bộ nối I
2
C phụ để đọc dữ liệu từ các cảm biến bên ngoài (ví dụ nhƣ từ kế).
Dòng điện hoạt động 3.9mA khi tất cả các chuyển động 6 trục cảm
biếnvà DMP đƣợc kích hoạt.
VDD cung cấp dải điện áp 2.375V-3.46V.
Điện áp tham chiếu VLOGIC linh hoạt hỗ trợ nhiều điện áp giao diện I
2
C
(chỉ MPU-6050).
Gói QFN nhỏ nhất và mỏng nhất cho các thiết bị di động: 4x4x0.9mm.
Độ nhạy trục chéo tối thiểu giữa gia tốc và con quay hồi chuyển trục.
Đệm FIFO 1024 byte làm giảm tiêu thụ điện năng bằng cách cho phép bộ
vi xử lý máy chủ để đọc dữ liệu các tín hiệu và sau đó đi vào một chế độ
công suất thấp nhƣ MPU thu thập nhiều dữ liệu hơn.
Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số đầu ra.
Bộ lọc kỹ thuật số ngƣời dùng có thể lập trình cho con quay hồi chuyển, gia
tốc, cảm biến nhiệt độ.
Cho phép sốc 10,000g.
Chế độ nhanh I
2
C 400kHz để giao tiếp với tất cả các thanh ghi.
Giao diện nối tiếp 1MHz SPI để giao tiếp với tất cả các thanh ghi (chỉ MPU-
6000)
Giao diện nối tiếp SPI 20MHz để đọc cảm biến và gián đoạn các thanh ghi
(chỉ MPU-6000).
Cơ cấu MEMS đóng kín và kết nối ở cấp wafer (lát bán dẫn).

-22-
2.4. Xử lí chuyển động
Xử lí chuyển động kỹ thuật số nội bộ ™ (DMP ™) Công cụ hỗ trợ
MotionProcessing 3D và các thuật toán nhận dạng cử chỉ.
Các MPU-60X0 thu thập những con quay hồi chuyển và gia tốc dữ liệu
trong khi đồng bộ dữ liệu lấy mẫu tại một user xác định tỷ lệ. Tổng số dữ liệu thu
đƣợc từ MPU-60X0 bao gồm dữ liệu con quay hồi chuyển 3 trục, Dữ liệu gia tốc 3
trục, và các dữ liệu nhiệt độ. Sản lƣợng tính toán của MPU vào hệ thống bộ vi xử lý
cũng có thể bao gồm dữ liệu từ một nhóm từ kế bên thứ ba kỹ thuật số 3 trục.
FIFO đệm bộ dữ liệu hoàn chỉnh, giảm yêu cầu thời gian trên bộ vi xử lý
hệ thống bằng cách cho phép bộ vi xử lý tín hiệu đọc dữ liệu FIFO. Sau khi tín hiệu
đọc dữ liệu FIFO, hệ thống xử lý có thể tiết kiệm năng lƣợng bằng cách nhập một
chế độ ngủ tiết kiệm điện trong khi MPU thu thập nhiều dliệu hơn.
Lập trình ngắt hỗ trợ các tính năng nhƣ nhận dạng cử chỉ, di chuyển màn
hình, phóng to thu nhỏ, di chuyển, phát hiện không chuyển động, phát hiện chạm,
và phát hiện rung lắc
Các bộ lọc thông thấp lập trình kỹ thuật số.
Chức năng đo bƣớc công suất thấp cho phép bộ vi xử lý máy chủ ở chế
độ ngủ trong khi DMP duy trì bƣớc đếm.
Máy phát thời gian trên chip ± 1% thay đổi tần số trên phạm vi nhiệt độ
đầy đủ.
Đầu vào của đồng hồ bên ngoài tùy chọn ở mức 32.768kHz hoặc 19.2 MHz.
SPI Thời gian đặc tính (MPU-6000) mạch hoạt động điển hình, VDD = 2.375V-
3.46V, VLOGIC (MPU-6050) = 1.8V ± 5%VDD, TA = 25 ° C,
Parameters
Conditions
Min
Typical
Max
Units

Notes
SPI TIMING
f
SCLK
, SCLK Clock Frequency
t
LOW
, SCLK Low Period
t
HIGH
, SCLK High Period
t
SU.CS,
CS Setup Time
t
HD.CS
, CS Hold Time
t
SU.SDI
, SDI Setup Time
t
HD.SDI
, SDI Hold Time
t
VD.SDO
, SDO Valid Time
t
HD.SDO
, SDO Hold Time
t

DIS.SDO
, SDO Output Disable
Time








Cload = 20pF
Cload = 20pF


400
400
8
500
11
7

4



1

100

10

MHz
ns
ns
ns
ns
ns
ns
ns
ns
ns

Bảng 2.2: Thông số xử lý chuyễn động









70%

30%
70%

30%
70%
30%
70%
30%
tsu:cs
tsu:SDI
tHD:SDI
MSB IN
tVD:SDO
MSB OUT
tHD:SDO
tLOW
tHIGH
1/fCLK
tHD:CS
LSB OUT
LSB IN
tDIS:SDO
cs
csLK
csI
csO
-23-
2.5. Con quay hồi chuyển MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu.
MPU-60X0 bao gồm ba con quay hồi chuyển tốc MEMS rung độc lập,
mà có thể phát hiện vòng quay của trục X, Y, và Z. Khi con quay đƣợc quay về bất

kỳ trục cảm biến nào thì hiệu ứng Coriolis gây ra một sự rung động đƣợc phát hiện
bởi phần chọn lọc điện dung. Tín hiệu kết quả đƣợc khuếch đại, điều chế, và lọc để
sản xuất một điện áp tỷ lệ với tốc độ góc. Điện áp này đƣợc số hóa sử dụng cá nhân
trên chip bộ đổi tƣơng tự ra số tự 16-bit (ADC) để lấy mẫu mỗi trục. Quy mô đầy
đủ của các bộ các cảm biến con quay có thể đƣợc lập trình kỹ thuật số đến ± 250, ±
500, ± 1000, hoặc ± 2000 độ mỗi giây (dps). Tỷ lệ mẫu ADC có thể lập trình từ
8.000 mẫu mỗi giây, giảm xuống còn 3,9 mẫu trong một giây, và bộ lọc thông thấp
lựa chọn ngƣời dùng cho phép một loạt các tần số ngắt.
2.5.1. Gia tốc kế MEMS ba trục với ADC 16-bit và điều kiện tín hiệu
Gia tốc kế 3 trục của MPU-60X0 sử dụng khối lƣợng bằng chứng riêng
biệt cho mỗi trục. Gia tốc trên cùng một trục đặc biệt gây ra sự dịch chuyển trên
khối lƣợng bằng chứng tƣơng ứng, và cảm các biến điện dung phát hiện độ dịch
chuyển theo kiểu khác. Cấu trúc của MPU-60X0 làm giảm tính nhạy cảm của gia
tốc xuống biến thiên chế tạo cũng nhƣ trôi nhiệt. Khi thiết bị đƣợc đặt trên một bề
mặt bằng phẳng, nó sẽ đo 0g trên trục X và Y và +1g trên trục Z. Yếu tố quy mô gia
tốc đƣợc hiệu chỉnh tại nhà máy và trên danh nghĩa độc lập với điện áp cung cấp.
Mỗi cảm biến có một Sigma-delta ADC chuyên dụng để cung cấp kết quả đầu ra kỹ
thuật số. Phạm vi quy mô đầy đủ của đầu ra kỹ thuật số có thể đƣợc điều chỉnh đến
± 2g, ± 4g, ± 8g, hoặc ± 16g
Các bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số nhúng (DMP) nằm trong MPU -
60X0 và giảm tải việc tính toán của thuật toán xử lý chuyển động từ bộ vi xử lý
máy chủ. DMP thu dữ liệu từ gia tốc, con quay hồi chuyển, và cảm biến thứ 3 bổ
sung nhƣ từ kế, và các quá trình xử lí dữ liệu. Các kết quả dữ liệu có thể đƣợc đọc
từ sổ của DMP, hoặc có thể đƣợc đệm trong một FIFO. DMP đã truy cập vào một
trong những chốt bên ngoài MPU, mà có thể đƣợc sử dụng để tạo ra ngắt. Mục đích
của DMP là để giảm tải cả hai yêu cầu thời gian và xử lý điện năng từ bộ vi xử lý
máy chủ. Thông thƣờng, thuật toán xử lý chuyển động nên đƣợc chạy với tốc độ
cao, thƣờng xung quanh 200Hz, để cung cấp kết quả chính xác với độ trễ thấp. Điều
này là cần thiết ngay cả khi cập nhật ứng dụng với tốc độ thấp hơn nhiều. Ví dụ:
một giao diện ngƣời sử dụng điện năng thấp có thể cập nhật chậm khoảng 5Hz,

nhƣng việc xử lý chuyển động vẫn nên chạy ở 200Hz. DMP có thể đƣợc sử dụng
nhƣ một công cụ để giảm thiểu năng lƣợng, đơn giản hóa thời gian, đơn giản hóa
kiến trúc phần mềm, và tiết kiệm MIPS có giá trị trong việc xử lý để sử dụng trong
các ứng dụng.
MPU-60X0 giao tiếp với một bộ xử lý hệ thống bằng cách sử dụng một
SPI (chỉ MPU-6000) hoặc một giao diện nối tiếp I
2
C. MPU-60X0 luôn luôn hoạt
động nhƣ một hệ thụ động khi giao tiếp với các bộ xử lý hệ thống. LSB của địa chỉ
hệ thụ động I
2
C đƣợc thiết lập bởi chân chip 9 (AD0). Các mức logic cho thông tin
liên lạc giữa các MPU-60X0 và máy chủ của nó là nhƣ sau:
MPU-6000: Mức logic cho thông tin liên lạc với máy chủ đƣợc thiết lập
bởi điện áp trên VDD
MPU-6050: Mức logic cho thông tin liên lạc với máy chủ đƣợc thiết lập