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1.前言 本應用指南旨在幫助開(kāi)發(fā)者了解羅姆集團旗下Kionix公司的KX13x系列三軸加速度傳感器搭載的獨有功能——高級數據路徑（Advanced Data Path，ADP）。ADP由用戶(hù)可定制的頻率濾波器和一個(gè)均方根（RMS）計算器組成，后者是提供所需帶寬內的加速度振幅。X、Y和Z軸的16位ADP輸出可以從專(zhuān)用輸出寄存器中讀取，存儲在512字節的FIFO緩存中，然后被路由至Wake-Up（喚醒）和Back-to-Sleep（返回睡眠）引擎。通過(guò)設置想要的閾值振幅和計數器值，可以針對特定的動(dòng)作、旋轉或振動(dòng)產(chǎn)生中斷。本文將通過(guò)介紹兩個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)直觀(guān)地展示該新功能的優(yōu)勢。 
圖1：高級數據路徑（ADP）原理示意 現實(shí)世界中的加速度信息（左）由不同頻率和振幅混合而成，KX13x的ADP不僅可以捕獲這些信息，而且能夠輸出指定頻率范圍內的加速度振幅（右側列舉了各種情況示例）。 2.數據流 圖2所示的是一張普通數據流圖。該圖頂部的第一個(gè)方塊是數字加速度計的傳統數據路徑（Conventional Data Path，CDP）。CDP包含來(lái)自MEMS的模擬輸入、一個(gè)負責放大信號的模擬前端（AFE）、一個(gè)負責信號數字化的模數轉換器（ADC）以及一個(gè)負責進(jìn)一步處理的數字信號處理（DSP）單元。高級數據路徑（ADP）包含一對高度可配置的數字濾波器——可用于低通和高通的組合濾波器，以及計算實(shí)時(shí)振幅的均方根（RMS）計算器。用戶(hù)可以靈活地對ADP濾波器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)并設置。該濾波器可以設為Butterworth、Bessel、Chebyshev濾波器，甚至配置成自定義濾波器。ADP的輸出可以存儲在專(zhuān)用輸出寄存器，也可以被路由至內置的512字節FIFO緩存，也可以?xún)煞N方式同時(shí)實(shí)現。此外，ADP輸出可以作為一個(gè)輸入路由到內置的動(dòng)作Wake-Up（喚醒）和Back-to-Sleep（返回睡眠）引擎。這些引擎可配置閾值和靈活的計數器，從而進(jìn)一步限定信號。如果滿(mǎn)足輸入信號判定標準，那么器件中的中斷發(fā)生器將為主機產(chǎn)生一個(gè)物理中斷，并設置相應的狀態(tài)寄存器。圖2所示的是當檢測到“持續了Th時(shí)間的特定振動(dòng)”時(shí)產(chǎn)生中斷的示例情況。
圖2：ADP數據流 3.應用實(shí)例 3.1.機器健康狀況 假設fop為機械系統（比如旋轉電機）的工作頻率，fe為系統的錯誤/故障模式頻率（圖3）。在此例中，fe低于fop并且在該圖中顯示，也就是說(shuō)，由于機身松動(dòng)，電機正在緩慢振動(dòng)。對于傳統加速度傳感器，為了檢測這種故障模式，人們需要用MCU/DSP進(jìn)行頻率分析。而MCU/DSP一直保持工作狀態(tài)，會(huì )導致額外的內存空間需求以及更高的功耗。 而KX13x的ADP僅使用加速度傳感器就能夠檢測到這種事件，而且，如果把ADP數字濾波器設置為帶通或低通濾波器，讓fe通過(guò)而消除fop，還能為主機MCU產(chǎn)生中斷。
圖3：正常系統動(dòng)作和故障系統動(dòng)作的頻率分析 在圖4中，請注意，ADP被配置為低通濾波器以消除fop，而且RMS計算引擎被配置為獲取所需故障模式信號的絕對值。動(dòng)作引擎中的信號閾值（中間波形）用于限定事件。最后，圖下部的波形顯示了由運動(dòng)引擎生成的真實(shí)信號。檢測到故障事件后，INS3寄存器中的WUFS位會(huì )被置位，而外部中斷引腳（如果已配置）則產(chǎn)生中斷信號。
圖4：ADP將目標信號從原始加速度數據中分離出來(lái)，并將振幅信息傳遞給運動(dòng)引擎 3.2.包絡(luò )分析 包絡(luò )分析是一種周期性振動(dòng)故障檢測的有效方法，比如減摩軸承失效。ADP可用于生成加速度數據的包絡(luò )線(xiàn)（* 1）。包絡(luò )波形的快速傅里葉變換（FFT）可以顯示振動(dòng)周期，這有助于識別系統中的缺陷部件。在該例中，ADP濾波器應配置為“帶通”：同時(shí)包含振動(dòng)頻率和誤差頻率，排除直流噪聲和高頻噪聲。 (*1)注：ADP輸出是偽包絡(luò )，不是希爾伯特變換結果。
圖5：軸承球體故障引起的周期性振動(dòng) 包絡(luò )波形可以存儲在KX13x的512字節緩沖區中，也可發(fā)送到主機處理器進(jìn)行FFT分析。
圖6：使用原始加速度數據及其包絡(luò )的FFT 有關(guān)KX13x ADP的更多詳細信息和用法，請聯(lián)系羅姆的銷(xiāo)售代表。 4.其他資源 KX13x系列頁(yè)面 https://www.kionix.com/product/KX132-1211 https://www.kionix.com/product/KX134-1211 |
