[发明专利]在多传感器环境中降低功耗的系统和方法

说明书

本发明涉及在多传感器环境中降低功耗的系统和方法。具体而言，本发明的多个实施例提供了在多传感器系统中的全集成、低延时的功率降低。在某些实施例中，通过在一定条件下调节陀螺仪、磁力计和加速计的功率以及操作模式来最小化功耗。某些实施例通过使用模拟的陀螺仪数据来提供功耗的降低。

技术领域

本发明涉及传感器功率管理，更具体地，涉及将电磁和惯性传感器集成到动态管理系统以降低传感器功耗的系统、装置和方法。

背景技术

在单个封装内集成诸如加速计、陀螺仪和磁力计之类的多种传感器正成为日益增长的趋势。传感器的价格越来越低并已被市场用于大量应用。加速计使得消费型电子产品的用户可以方便地进行多种操作，例如肖像-风景转换或诸如震动和其他运动之类的特定事件的检测。加速计通常测量一维或多维中的加速度。通过检测三个不同部件关于三条正交轴线的差值可以测量空间加速度，由此能够确定角度。沿着时间比较角度，假设除重力之外不存在加速度，则可以得出角速度。

在实践中，虽然加速计为重力提供绝对参考，但也伴随有许多限制使得它们无法准确地测量旋转。最重要的是，加速计并非设计用于区分旋转运动和线性加速，因为它们感测包括静态的和动态的加速度的加速度的每个分量。因此，根据角度间的差异，加速计感知插入的横向运动(injected lateral movement)作为不期望的旋转扰动。此外，加速计噪音较大。结果，在没有附加的定向信息的情况下，加速度传感器不适用于检测动态和静态加速度之间的差异。

与此相对，陀螺仪或角速率传感器非常适合于测量旋转。它们设计为只感测旋转定向且排除由线性加速度引起的扰动。然而，陀螺仪不具有绝对参考信息。因此，即使当角速率传感器是静止的且没有进行任何实际的角度旋转时，即估计的旋转角度的RMS值保持为0时，一旦传感器的固有噪声输出信号对时间积分，则估计的旋转角度将为非零。结果，缓慢的角度漂移发生，这可以用“随机游走”理论来描述。

现行方法是将陀螺仪与来自低带宽加速计的适当而精确的参数相结合，用以补偿陀螺仪的缓慢漂移。然而，尽管加速计能够在截距和滚动面上补偿陀螺仪的漂移，但是其不能补偿围绕陀螺仪的垂直轴的漂移(摇摆)，因为加速计缺少对于地球磁场北极的绝对参考。一种解决方案是，将磁力计增加到陀螺仪和加速计的组合中以补偿围绕摇摆轴的陀螺仪的漂移，因为磁力计的磁场传感器提供了加速计所缺少的绝对参考。

然而，组合多个传感器会导致必须由系统集成器承受的相对高的功耗，并且无法明显地降低该相对高的功耗，尤其是只要陀螺仪启动。目前，市场上可获得的陀螺仪的平均功耗远远超过10mW。由于陀螺仪通常为单机型，实时打开或关断陀螺仪以管理电源需要向/从陀螺仪传送数据的应用处理器，从而控制陀螺仪的打开和关断时间。这个过程通常由软件管理，且主要具有包括时间延迟和提高的功率要求的两个固有限制。另外，软件操作系统的慢的定时方案使得由短时的关断时间(例如，1ms)而产生的可能的节能无法实行。同样，由长时的关断时间(例如，50ms)而产生的节能被陀螺仪固有的慢的打开时间阻止。另外，基于软件的方式要求应用处理器的恒定操作，例如，使得数据通信能够询问加速计以确定打开和关断陀螺仪的适当的时间。这有助于增加数据流量、CPU周期和功耗。总之，基于软件的方式阻止系统集成器实现明显的节能。

需要的是，能够完全集成的传感器功率管理以克服上述的限定并在将陀螺仪的平均功耗降低至5mW以下的同时提供陀螺仪的优良的感测性能的方法、装置和系统。

发明内容

本发明提出一种在多传感器系统中降低功耗的完全集成的、低延时的方式。多个实施例提供可编程功率管理架构，其通过基于包括实际功耗的动态条件来最小化传感器工作在全功率期间的时间从而降低传感器功耗。多个实施例采用基于硬件的方式，其基于一组预定标准，询问传感器数据的组合以调节陀螺仪、磁力计和加速计的操作的功率及模式，从而降低功耗。在某些实施例中，在当陀螺仪并不是严格需要提供旋转数据的特定条件下，磁力计、加速计或两者均提供用于模拟虚拟陀螺仪数据的数据。