一种惯性传感器的制作方法

1.本公开涉及嵌入式设计领域，特别涉及惯性传感器。


背景技术：

2.惯性传感器是一种传感器，用于测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的数据，是解决导航、定向和运动载体控制的重要器件。imu(inertial measurement unit，惯性检测单元)包括陀螺仪和加速度计，用于测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度，是很多惯性传感器(例如，动态角度传感器)系统中的核心元件。
3.目前，惯性传感器中的控制器(例如，mcu(微控制单元控制器，microcontroller unit))和惯性测量单元集成在同一个芯片上，由控制器读取惯性测量单元的数据并进行处理。


技术实现要素：

4.根据本公开的第一方面，提供了一种惯性传感器，包括：
5.至少一个惯性测量单元；
6.控制器，被配置为读取所述至少一个惯性测量单元的测量数据，其中，所述控制器与惯性测量单元之间支持解耦配置；
7.多组接口，其中，每组接口的第一端与所述控制器电连接，第二端与一个惯性测量单元电连接。
8.在一些实施例中，所述多组接口包括第一接口，所述至少一个惯性测量单元包括第一惯性测量单元，其中：
9.在第一状态下，所述第一接口的第二端与所述第一惯性测量单元连接；
10.在第二状态下，所述第一接口的第二端与所述第一惯性测量单元分离，且与所述至少一个惯性测量单元以外的新增的第二惯性测量单元电连接。
11.在一些实施例中，所述惯性传感器还包括一组或多组预留接口，每组预留接口的第一端与所述控制器电连接，其中：
12.在第一指定条件下，所述一组或多组预留接口的第二端不与所述至少一个惯性测量单元的任意一个电连接；以及
13.在第二指定条件下，所述一组或多组预留接口的至少一组的第二端与所述至少一个惯性测量单元以外的新增的惯性测量单元电连接。
14.在一些实施例中，所述多组接口为双侧插针结构，所述多组接口的第一端为双侧插针结构的一侧，多组接口的第二端为双侧插针结构的另一侧。
15.在一些实施例中，所述至少一个惯性测量单元包括不同种类的多个惯性测量单元。
16.在一些实施例中，所述控制器进一步被配置为：
17.在片选模式下，从读取的所述多个惯性测量单元的测量数据中，选择部分测量数
据进行处理。
18.在一些实施例中，所述控制器进一步被配置为：
19.在片选模式下，从读取的所述多个惯性测量单元的测量数据中，周期性地选择不同种类的惯性测量单元的测量数据进行处理。
20.在一些实施例中，所述控制器进一步被配置为：
21.在非片选模式下，处理读取的惯性测量单元的测量数据。
22.在一些实施例中，所述控制器进一步被配置为：
23.根据是否读取到多组测量数据，判断是否进入片选模式。
24.在一些实施例中，所述控制器包括：
25.通信模块，被配置为根据电连接到所述接口的第二端的惯性测量单元的通信协议，确定所述控制器的通信协议。
26.在一些实施例中，所述通信模块进一步被配置为：
27.在连接到所述接口的第二端的惯性测量单元改变的情况下，修改所述控制器的通信协议。
28.在一些实施例中，所述控制器包括:
29.驱动模块，被配置为读取连接到所述接口的所述至少一个惯性测量单元的测量数据；
30.数据处理模块，被配置为处理所述至少一个惯性测量单元的测量数据；
31.所述控制器进一步被配置为，对所述驱动模块和数据处理模块的程序进行加密并存储。
32.在一些实施例中，所述控制器还包括：
33.输出模块，被配置为输出测量数据和测量数据的处理结果的至少一种。
34.在一些实施例中，所述输出模块进一步被配置为：
35.通过串行外围设备接口通信协议或控制器局域网络通信协议，与所述驱动模块通信。
36.在一些实施例中，所述每组接口包括通信接口和供电接口，所述通信接口包括内置集成电路接口和串行外围设备接口，所述控制器进一步被配置为：
37.经由所述内置集成电路接口和串行外围设备接口的至少一种，读取所述至少一个惯性测量单元的测量数据。
38.在一些实施例中，所述控制器进一步被配置为：
39.根据所述测量数据，确定惯性测量单元测量得到的x轴、y轴、z轴的角速度和加速度；
40.根据所述x轴、y轴、z轴的角速度和加速度，确定滚动角度和俯仰角度。
41.在一些实施例中，所述控制器包括时钟电路、程序下载电路、串口通信电路和第一供电电路；所述惯性测量单元包括滤波电路和第二供电电路。
附图说明
42.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
43.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
44.图1示出了根据本公开一些实施例的传感器的框图；
45.图2示出了根据本公开一些实施例的接口的示意图；
46.图3示出了根据本公开一些实施例的控制器进行数据处理的示意图；
47.图4示出了根据本公开一些实施例的控制器的框图。
具体实施方式
48.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
49.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
50.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
51.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
52.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
53.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
54.相关技术中，采用单一mems(micro electro mechanical system，微机电系统)硬件实现角度(惯性)传感器的开发，硬件固定、软件固定，性能固定，不支持解耦配置的软硬件设计。
55.惯性传感器中的控制器(例如，微控制单元控制器microcontroller unit)和单一类型的惯性测量单元集成在同一块芯片上。一方面，由于二者集成在一起，在使用惯性传感器时，难以更换惯性传感器的惯性测量单元。另一方面，由于惯性传感器采用单一类型的惯性测量单元，可以测得的数据种类少，数据处理过程简单。例如，在自动驾驶等场景下，如果有冲击、振动等异常情况，单一类型的惯性测量单元会导致对车身姿态的误判断，直接影响整车性能和操控稳定性，严重时甚至带来操作事故。
56.另外，受成本限制，低端传感器产品上通常不使用高性能的惯性测量单元，而是固定设有低成本且精度相对较低的消费级惯性测量单元，且惯性测量单元难以更换，在需要更高性能的惯性测量单元时，难以对惯性测量单元进行更换。
57.总之，目前的集成惯性测量单元的角度传感器建立在单一控制器和单一惯性测量单元的基础上，无法兼顾不同性能、不同要求的角度传感器的需求。在产品选型阶段，仅仅依靠产品说明来进行筛选，不能进行实际验证，存在选型错误的风险。
58.本公开提供了一种惯性传感器，通过支持惯性测量单元1与控制器之间的解耦配置，实现对惯性传感器上惯性测量单元1的更换。
59.图1示出了根据本公开一些实施例的传感器的框图。
60.如图1所示，惯性传感器100包括至少一个惯性测量单元1、控制器2和多组接口3。
61.惯性测量单元1被配置为测量物体的角速度和加速度的至少一个。
62.控制器2被配置为，读取至少一个惯性测量单元1的测量数据，其中，控制器2与惯性测量单元1之间支持解耦配置。其中，控制器2与惯性测量单元1之间支持解耦配置包括控制器2与惯性测量单元1之间可分离。
63.例如，控制器2可以是mcu。控制器2通过接口，读取惯性测量单元1测量得到的数据，并进行数据处理，从而判断物体的姿态。控制器2与惯性测量单元1之间支持解耦配置，可以更换不同的惯性测量单元1。
64.多组接口3的第一端与控制器2电连接，第二端与一个惯性测量单元1电连接。
65.例如，接口3用于惯性测量单元1和控制器2之间的转接。用于转接的接口3实现惯性测量单元1和控制器2之间的物理连接，惯性测量单元1和控制器2通过连接到相同的接口3，进行通信。
66.按照连接接口的顺序要求，配置多个惯性测量单元1对应。同时按照连接接口的端口位置、方式来布局端口，保证端口连接正常。
67.控制器21作为内层电路，在更换惯性测量单元1时，内层电路固定不需要修改。
68.惯性测量单元1的电路是外层的可配置的电路，在新增惯性测量单元1时，根据惯性传感器100的控制器2，来适应性地修改惯性测量单元1的电路。
69.惯性传感器100可采用两层式pcb(printed circuit boards，印制电路板设计，将内外层电路(惯性测量单元1和控制器2)分别进行独立设计，，两者之间通过连接接口构成电气连接，从而保证惯性测量单元1和控制器2相互之间的独立性。在更换惯性测量单元1模块时，对于新增的惯性测量单元1，仅修改其pcb的外围接口设计。例如，仅修改惯性测量单元1自身的供电电路和通信电路，实现惯性测量单元1和控制器2的解耦配置。
70.根据本公开的一些实施例，控制器2与惯性测量单元1之间通过接口连接，且二者之间支持解耦配置。根据开发者在对惯性传感器100进行开发测试时的需求，或用户正式使用惯性传感器100时的需求，能够通过预先构建好的软硬件架构，来匹配多种惯性测量单元1。本公开能够更容易地快速更换惯性测量单元1，以将当前的惯性传感器100修改为不同类型的惯性传感器100。
71.在需要更高性能的惯性测量单元1时，也能够仅对低端传感器产品的惯性测量单元1进行更换，无需另行购买其他惯性传感器产品，从而能够实现在低端传感器产品上对各种价位的惯性测量单元进行测试。在惯性测量单元的选型过程中，或在多性能等级的惯性传感器的开发过程中，能够实现对多种惯性测量单元的兼容，实现对应的不同性能等级的角度传感器的设计。
72.总之，本公开的惯性传感器支持多种惯性测量单元，能够实现惯性传感器的系列化开发，适用不同场景。
73.在一些实施例中，多组接口包括第一接口，至少一个惯性测量单元1包括第一惯性测量单元1，其中：在第一状态下，第一接口的第二端与第一惯性测量单元1连接；在第二状态下，第一接口的第二端与第一惯性测量单元1分离，且与至少一个惯性测量单元1以外的新增的第二惯性测量单元1电连接。
74.例如，第一接口与惯性测量单元1之间是可分离设计，在需要更换惯性测量单元1时，将需要更换的第一惯性测量单元1从正在连接的接口的第二端取下，再将新的第二惯性
测量单元1连接到接口上，从而完成硬件连接上的修改。
75.在一些实施例中，惯性传感器100还包括一组或多组预留接口，每组预留接口的第一端与控制器2电连接，其中：在第一指定条件下，一组或多组预留接口的第二端不与至少一个惯性测量单元1的任意一个电连接；以及在第二指定条件下，一组或多组预留接口的至少一组的第二端与至少一个惯性测量单元1以外的新增的惯性测量单元1电连接。
76.例如，传感器上保留一组或多组预留的接口。在冗余模式或片选模式下，如果需要使用两组及以上惯性测量单元1，则启用预留的接口。第一指定条件是预留接口处于空闲状态，在第二指定条件下(例如，需要新增惯性测量单元1)，将新增的惯性测量单元1电连接到预留接口上，从而实现新增的惯性测量单元1和控制器2之间的通信。
77.在一些实施例中，多组接口为双侧插针结构，多组接口的第一端为双侧插针结构的一侧，多组接口的第二端为双侧插针结构的另一侧。
78.例如，多组接口包括对称分布的双排插针结构，从而能保证接口结构对称和稳定。双排插针结构的一端连接控制器2，一端连接惯性测量单元1。
79.在一些实施例中，每组接口包括通信接口和供电接口，通信接口包括内置集成电路接口和串行外围设备接口，控制器2经由内置集成电路接口和串行外围设备接口的至少一种，读取至少一个惯性测量单元1的测量数据。
80.图2示出了根据本公开一些实施例的接口的示意图。
81.如图2所示，每组接口都包括一路通信接口和一路供电接口，每一路通信接口都包含一组i2c(inter-integrated circuit，内置集成电路)通信接口和一组spi(serial peripheral interface,串行外围设备接口。同一组的通信接口和供电接口都和同一个惯性测量单元1连接。
82.根据本公开的一些实施例，通过设置不同类型的通信接口，能够支持惯性测量单元1和控制器2之间的不同的通信方式，提高通信的灵活性。
83.在一些实施例中，至少一个惯性测量单元1包括不同种类的多个惯性测量单元1。
84.例如，多个不同类型的惯性测量单元1分别连接到相应的接口，惯性传感器100可以同时兼容多个不同类型的惯性测量单元1，进行通信。
85.本公开的多组接口3都能够与不同类型的惯性测量单元1电连接，从而能够实现：在同一个惯性传感器100上采用多种不同类型的惯性测量单元1。惯性传感器100兼容多种不同类型的惯性测量单元1意味着可以测得的数据种类更多，能够实现更复杂的数据处理。提高对物体姿态的判断准确率。
86.在一些实施例中，根据用户的需求，确定是否需要分时段选择。例如，在产品测试环节，尤其是在固定工作场景下，如果没有确定使用某一个惯性测量单元，则能够根据用户需要，设置分时段选择惯性测量单元的标志位flag，来进行先模块1后模块2的分时段选择。
87.在一些实施例中，根据是否读取到多组测量数据，判断是否进入片选模式。
88.例如，在控制器2的核心驱动模块的端口驱动软件启动后，根据收到的报文是否有新的/是否有变化,来判断有几组惯性测量单元的测量数据。以参数flag标识是否进入片选模式。如果读取到多组测量数据，则参数flag＝1，,进入片选模式。如果读取到一组测量数据，则参数flag＝0，不进入片选模式。
89.在一些实施例中，控制器2进一步被配置为：在非片选模式下，处理读取的惯性测
量单元1的测量数据。
90.在存在多个惯性测量单元1的情况下，如果没有进入片选模式，则控制器2按照冗余方案，处理多个惯性测量单元1的数据。即，控制器2同时处理多个惯性测量单元1的数据，综合计算所有处理结果。例如，对多个惯性测量单元1的测量数据的处理结果进行加权，得到目标处理结果。
91.在仅有一个惯性测量单元1的情况下，不会进入片选模式，只需要处理这一个惯性测量单元1的数据即可。
92.根据本技术的一些实施例，在冗余方案模式下，综合多个惯性测量单元1的测量数据，综合多个惯性测量单元1的处理结果，能够提高对物体运动数据测量的准确性。
93.在一些实施例中，控制器2进一步被配置为：在片选模式下，从读取的多个惯性测量单元1的测量数据中，选择部分测量数据进行处理。
94.例如，如果惯性传感器100处于片选模式，则控制器2每次从多个不同类型的惯性测量单元1中选择一个，处理其测量数据。本技术的惯性传感器100支持在不同时段，使用不同类型的惯性测量单元1并处理其数据。与非片选模式相比，片选模式能够选择性地仅处理一部分惯性测量单元1的数据，从而进一步实现控制器2和惯性测量单元1的解耦。
95.在测试场景下，片选模式能够快速针对现场工况情况，得到不同类型的惯性测量单元的表现。如果不同类型的惯性测量单元的性能相同，则可以直接设置为冗余方案模式，选择多个惯性测量单元互相验证。如果不同类型的惯性测量单元的性能不同，则可以进入非片选模式，或仅选择部分惯性测量单元。
96.在一些实施例中，在片选模式下，从读取的多个惯性测量单元1的测量数据中，周期性地选择不同种类的惯性测量单元1的测量数据进行处理。
97.例如，惯性传感器100的控制器2可以分时段、轮流选择不同的惯性测量单元1并处理其数据。与非片选模式相比，可以在不同时段处理不同惯性测量单元1的数据，能够实现分别对不同类型的惯性测量单元1进行测试，从而提高惯性传感器100的兼容性。
98.另外，在片选模式下，控制器通过轮流处理多种不同类型的惯性测量单元1的测量数据，意味着有更多不同的数据来源，而不只是依靠某一类型的惯性测量单元1。在单独一种类型的惯性测量单元不适合某些场景的情况下，片选模式能够综合多种不同类型的惯性测量单元1的测量数据，对惯性测量单元1的容错率更高，提高对物体姿态的判断准确率。
99.图3示出了根据本公开一些实施例的控制器2进行数据处理的示意图。
100.如图3所示，控制器2先上电进行初始化。在完成初始化后，通过通信读使能信号(握手信号)flag，判断是否存在两组以上的惯性测量单元1。
101.然后，通过控制器2与惯性测量单元1之间的通信，以spi或i2c方式，来完成惯性测量单元1数据的采集。其中，如果存在两组以上的惯性测量单元1数据，则继续判断是否需要进入片选模式。如果进入片选模式，则按照分时段需求采集不同惯性测量单元1数据，分时段选择对应的惯性测量单元1的数据读取并进行处理。如果不进入片选模式，则采用冗余方案等方式，处理多个惯性测量单元1的数据。
102.如果仅存在一组惯性测量单元1数据，则直接读取并处理这一组惯性测量单元1的数据。
103.其中，在数据处理部分，控制器2通过调用加密的lib文件，进行姿态结算，输出两
轴角度值(俯仰角和滚动角)。
104.最后，控制器2判断是否需要电流型输出，按照输出信号形式要求，向外部设备输出传感器信号。例如，控制器2既能够通过spi通信协议，将数据发送至电流输出芯片，也能够直接通过can(controller area network，控制器局域网络)通信方式，实现数据发送。
105.在一些实施例中，控制器2进一步被配置为：根据测量数据，确定惯性测量单元1测量得到的x轴、y轴、z轴的角速度和加速度；根据x轴、y轴、z轴的角速度和加速度，确定滚动角度和俯仰角度。
106.例如，根据测量数据中，待测物体的x轴、y轴、z轴的角速度和加速度，控制器2能够计算得到物体的双轴角度，包括：滚动角度(roll)和俯仰角度(pitch)。
107.在一些实施例中，控制器2包括：通信模块，被配置为根据电连接到接口的第二端的惯性测量单元1的通信协议，确定控制器2的通信协议。
108.例如，根据惯性测量单元1的通信协议，确定控制器2的通信协议，以保证控制器2与惯性测量单元1之间正常通信。此外，通信模块也可以修改通信软件，以支持解耦配置。
109.在一些实施例中，通信模块进一步被配置为：在连接到接口的第二端的惯性测量单元1改变的情况下，修改控制器2的通信协议。
110.例如，控制器2的通信模块是可以调整的。在修改或新增惯性测量单元1后，可以相应修改控制器2的通信模块的通信协议，使其与修改或新增的惯性测量单元1适配。
111.在一些实施例中，通信模块包括以下至少一种：i2c1通信驱动模块(mcui2c1.c)、spi1通信驱动模块(mcuspi1.c、i2c2通信驱动模块(mcui2c2.c、spi2通信驱动模块(mcuspi2.c)、can通信驱动模块(1mcucan.c)、spi3通信驱动模块(1mcuspi3.c)。
112.在一些实施例中，控制器2包括：驱动模块，被配置为读取连接到接口的至少一个惯性测量单元1的测量数据；数据处理模块，被配置为处理至少一个惯性测量单元1的测量数据；控制器2进一步被配置为，对驱动模块和数据处理模块的程序进行加密并存储。
113.例如，驱动模块和数据处理模块为加密封装且支持内层解算和滤波的模块，其程序和/或文件都被封装为“惯性测量单元1cc.lib”、“**.c”等格式的文件，可以编译但不可以修改。也就是说，数据处理模块作为用于姿态解算的核心部分，是加密的。
114.在惯性传感器100工作时，只需要调用“惯性测量单元1cc.lib”、“**.c”等文件。即使更换惯性传感器100的惯性测量单元1，也不需要修改驱动模块和数据处理模块。使用惯性传感器100时，不需要知道驱动模块和数据处理模块的底层代码，一方面提高了惯性传感器100的可用性、使用户更加简便地利用惯性传感器100对物体进行测量或对惯性传感器100进行开发，另一方面能够有效防止核心代码的泄漏，提高保密性。
115.在一些实施例中，惯性测量单元包括数据输出端口模块。
116.从惯性测量单元的数据输出端口模块输出的原始数据，满足控制器要求的通信标准。即，从惯性测量单元的数据输出端口模块输出的数据与控制器的数据处理模块需要的入口数据对应。将对应的原始数据赋值给控制器的数据处理模块中指定的用于数据存储的参数，即可实现对更换惯性测量单元后的传感器的开发和使用。
117.在一些实施例中，控制器2还包括：输出模块，被配置为输出测量数据和测量数据的处理结果的至少一种。
118.输出模块既可以直接向外部设备输出测量数据，例如，惯性测量单元1测量得到的
三轴(x轴、y轴、z轴)的角速度和加速度，也可以向外部设备输出对测量数据的处理结果。
119.在一些实施例中，输出模块进一步被配置为：通过串行外围设备接口通信协议或控制器2局域网络通信协议，与驱动模块通信。
120.例如，输出模块可以包括can(controller area network,控制器2局域网络通信协议)通信电路或spi通信转电流输出信号电路。
121.根据本技术的一些实施例，控制器2的输出模块提供多种通信协议下的输出方式，能够按照输出信号形式要求，输出传感器数据，提高数据输出的灵活性。
122.在一些实施例中，惯性传感器100的控制器2包括时钟电路、程序下载电路、第一供电电路和串口通信电路。
123.例如，时钟电路用于为控制器2提供工作频率。程序下载电路用于加载程序到控制器2上。串口通信电路用于接收和发送串行数据，可以使用串口通信电路对惯性传感器100进行产品调试、辅助测试等。第一供电电路用于为控制器2供电。
124.在一些实施例中，控制器2包括电源显示电路，显示电路用于显示电源信息。
125.在一些实施例中，控制器2包括i2c通信电路和spi通信电路，用于与惯性测量单元1通过不同协议通信。
126.在一些实施例中，惯性传感器100的惯性测量单元1包括滤波电路、第二供电电路。
127.例如，滤波电路用于滤去惯性测量单元1的整流输出电压中的纹波。第二供电电路用于为惯性传感器100供电。
128.图4示出了根据本公开一些实施例的控制器2的框图。
129.如图4所示，控制器2包括数据处理模块21、驱动模块22、片选模块23、输出模块24、通信模块25。通信模块25包括api通信模块251、i2c通信模块252。
130.数据处理模块21、驱动模块22、通信模块25和输出模块24在上文已经详细介绍过，此处不再重复。
131.api通信模块251、i2c通信模块252用于配置控制器2与惯性测量单元1之间的通信协议。
132.片选模块23用于根据是否读取到多组测量数据，判断是否进入片选模式；在片选模式下，从读取的多个惯性测量单元1的测量数据(三轴加速度、角速度)中，从驱动模块22选择部分测量数据进行读取，并发送给数据处理模块。
133.在非片选模式下，数据处理模块21直接从驱动模块22读取全部测量数据(三轴加速度、角速度)。
134.数据处理模块21根据三轴加速度、角速度，计算得到双轴角度(俯仰角和滚动角)。
135.由输出模块24从数据处理模块21获取双轴角度，或通过can/spi通信协议将从驱动模块22获取的测量数据(三轴加速度、角速度)，并将获取的数据发送给外部设备。
136.在图4中，虚线框内的数据处理模块21和驱动模块22，都是内层加密模块，即使更换惯性测量单元1，也不需要修改。而虚线框外的模块为外层可配置的模块，可以根据新增或更换的惯性测量单元1进行修改。
137.本公开通过内外层的模块分层设计，既能够提供内层核心算法的加密处理，保证系统的核心技术的安全性，减少更换惯性测量单元带来的修改工作量，又能支持惯性测量单元1和控制器2之间的解耦。
138.这里，参照根据本公开实施例的惯性传感器100的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。
139.本公开可采用完全硬件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
140.通过上述实施例中的惯性传感器，能够兼容多种不同类型的惯性测量单元，并且惯性传感器的惯性测量单元可更换。
141.至此，已经详细描述了根据本公开的惯性传感器。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。