Kionix三轴加速度传感器的高级数据路径功能简介

1.前言

本应用指南旨在帮助开发者了解罗姆集团旗下Kionix公司的KX13x系列三轴加速度传感器搭载的独有功能——高级数据路径（Advanced Data Path，ADP）。ADP由用户可定制的频率滤波器和一个均方根（RMS）计算器组成，后者是提供所需带宽内的加速度振幅。X、Y和Z轴的16位ADP输出可以从专用输出寄存器中读取，存储在512字节的FIFO缓存中，然后被路由至Wake-Up（唤醒）和Back-to-Sleep（返回睡眠）引擎。通过设置想要的阈值振幅和计数器值，可以针对特定的动作、旋转或振动产生中断。本文将通过介绍两个简单的示例来直观地展示该新功能的优势。

图1：高级数据路径（ADP）原理示意

现实世界中的加速度信息（左）由不同频率和振幅混合而成，KX13x的ADP不仅可以捕获这些信息，而且能够输出指定频率范围内的加速度振幅（右侧列举了各种情况示例）。

2.数据流

图2所示的是一张普通数据流图。该图顶部的第一个方块是数字加速度计的传统数据路径（Conventional Data Path，CDP）。CDP包含来自MEMS的模拟输入、一个负责放大信号的模拟前端（AFE）、一个负责信号数字化的模数转换器（ADC）以及一个负责进一步处理的数字信号处理（DSP）单元。高级数据路径（ADP）包含一对高度可配置的数字滤波器——可用于低通和高通的组合滤波器，以及计算实时振幅的均方根（RMS）计算器。用户可以灵活地对ADP滤波器进行访问并设置。该滤波器可以设为Butterworth、Bessel、Chebyshev滤波器，甚至配置成自定义滤波器。ADP的输出可以存储在专用输出寄存器，也可以被路由至内置的512字节FIFO缓存，也可以两种方式同时实现。此外，ADP输出可以作为一个输入路由到内置的动作Wake-Up（唤醒）和Back-to-Sleep（返回睡眠）引擎。这些引擎可配置阈值和灵活的计数器，从而进一步限定信号。如果满足输入信号判定标准，那么器件中的中断发生器将为主机产生一个物理中断，并设置相应的状态寄存器。图2所示的是当检测到“持续了T_h时间的特定振动”时产生中断的示例情况。

图2：ADP数据流

3.应用实例

3.1.机器健康状况

假设f_op为机械系统（比如旋转电机）的工作频率，f_e为系统的错误/故障模式频率（图3）。在此例中，f_e低于f_op并且在该图中显示，也就是说，由于机身松动，电机正在缓慢振动。对于传统加速度传感器，为了检测这种故障模式，人们需要用MCU/DSP进行频率分析。而MCU/DSP一直保持工作状态，会导致额外的内存空间需求以及更高的功耗。

而KX13x的ADP仅使用加速度传感器就能够检测到这种事件，而且，如果把ADP数字滤波器设置为带通或低通滤波器，让f_e通过而消除f_op，还能为主机MCU产生中断。

图3：正常系统动作和故障系统动作的频率分析

在图4中，请注意，ADP被配置为低通滤波器以消除fop，而且RMS计算引擎被配置为获取所需故障模式信号的绝对值。动作引擎中的信号阈值（中间波形）用于限定事件。最后，图下部的波形显示了由运动引擎生成的真实信号。检测到故障事件后，INS3寄存器中的WUFS位会被置位，而外部中断引脚（如果已配置）则产生中断信号。

图4：ADP将目标信号从原始加速度数据中分离出来，并将振幅信息传递给运动引擎

3.2.包络分析

包络分析是一种周期性振动故障检测的有效方法，比如减摩轴承失效。ADP可用于生成加速度数据的包络线（^{* 1}）。包络波形的快速傅里叶变换（FFT）可以显示振动周期，这有助于识别系统中的缺陷部件。在该例中，ADP滤波器应配置为“带通”：同时包含振动频率和误差频率，排除直流噪声和高频噪声。

(^*1)注：ADP输出是伪包络，不是希尔伯特变换结果。

图5：轴承球体故障引起的周期性振动

包络波形可以存储在KX13x的512字节缓冲区中，也可发送到主机处理器进行FFT分析。

图6：使用原始加速度数据及其包络的FFT

有关KX13x ADP的更多详细信息和用法，请联系罗姆的销售代表。