作者：Jay Esfandyari¹, Massimo Mascotto, Gang Xu
¹意法半導(dǎo)體
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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。

較近幾年，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，國際制壓力單位 (SI) ，1Pa = 1 N/m²
• bar – 巴，氣壓單位，1 bar = 10⁵Pa
• mbar – 毫巴，1mbar = 10^-3 bar

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 ℉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)壓力傳感器的測量結(jié)果，確定對應(yīng)的海拔高度。

如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對MEMS壓力傳感器，測量高度可達(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。大氣壓在地下室較高。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)航或航位推測對于導(dǎo)航變得非常重要。鑒于GPS接收器在戶內(nèi)戶外測量高度都不夠精確，在智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器可以輔助GPS測量高度。

個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)（PNS）與個(gè)人航位推測（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）對加速度計(jì)的測量值進(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)行航位推測算法和卡爾曼濾波算法。

圖 4:       PNS或 PDR結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中每個(gè)組件的優(yōu)缺點(diǎn)歸納如下：

·         GPS接收器:

o   優(yōu)點(diǎn)：GPS可以提供進(jìn)入建筑物前的初始方位；檢索地球偏轉(zhuǎn)角信息，根據(jù)地理前進(jìn)方向修正磁力計(jì)前進(jìn)方向；當(dāng)GPS信號(hào)增強(qiáng)時(shí)校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器步長；分別向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的松耦合和緊耦合卡爾曼濾波算法提供有界的精確方位信息（經(jīng)緯度）輸出和偽距原始測量輸出。

o   缺點(diǎn)：當(dāng)行人保持靜止時(shí)，GPS無法確定前進(jìn)方向；無法檢測高度（海拔高度）的細(xì)微變化。

·         加速度計(jì):

o   優(yōu)點(diǎn)：在靜態(tài)或慢速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可用于傾斜度修正型數(shù)字羅盤；在線性加速度狀態(tài)下可用于計(jì)步器的檢測功能；用于檢測步行人當(dāng)前的狀態(tài)是靜止還是運(yùn)動(dòng)。

o   缺點(diǎn)：當(dāng)智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，無法從地球重力組分中區(qū)別真正的線性加速度；對震動(dòng)和振蕩過于敏感

·         陀螺儀:

o   優(yōu)點(diǎn)：能夠向慣性導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)提供旋轉(zhuǎn)矩陣；當(dāng)磁力計(jì)受到干擾時(shí)，輔助數(shù)字羅盤計(jì)算前進(jìn)方向信息

o   缺點(diǎn)：長時(shí)間的零偏漂移導(dǎo)致無限的INS定位錯(cuò)誤。

·         磁力計(jì):

o   優(yōu)點(diǎn)：能夠根據(jù)地磁北極計(jì)算精確的前進(jìn)方向；能夠用于校準(zhǔn)陀螺儀的靈敏度。

o   缺點(diǎn)：容易受到環(huán)境磁場干擾

·         壓力傳感器:

o   優(yōu)點(diǎn)：在室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用中可區(qū)分樓層；當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)較弱時(shí)，可輔助GPS計(jì)算高度，提高定位精確度；

o   缺點(diǎn)：容易受到氣流和天氣狀況的影響。

3.2     PNS或PDR的實(shí)現(xiàn)方式

有兩種方法可以在智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)PNS或PDR導(dǎo)航。第一種方法是利用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)實(shí)現(xiàn)PNS；第二種方法是利用計(jì)步器方法實(shí)現(xiàn)PDR。這兩種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是基于一個(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸陀螺儀的6自由度(DOF)慣性測量單元。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)被成功用于外殼剛性很強(qiáng)的設(shè)備內(nèi)，例如，慣性測量單元被永久性安裝在汽車和導(dǎo)彈內(nèi)。該系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)的定位精度相對較高。因?yàn)榈统杀綧EMS運(yùn)動(dòng)傳感器的零偏漂移問題，當(dāng)沒有GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，經(jīng)過積分和二重積分運(yùn)算后，定位誤差會(huì)隨時(shí)間推移而變大。此外，行人通常把智能手機(jī)放在衣袋或掛在腰帶上，他們隨時(shí)都會(huì)從衣袋里或腰帶上取出手機(jī)查看當(dāng)前所在方位。這就是說，智能手機(jī)與用戶身體的相對位置不固定。

不過，S