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电工技术基础 集成三轴角速度传感器MAX21000的工作原理是什么？性能如何？
MAX21000是低功耗、低噪声、三轴角速度传感器，在整个温度和时间范围内提供前所未有的精度和灵敏度。器件采用低至1.7IV的电压工作，使功耗降至最低。器件包括检测元件和IC接口，通过数字接口(12C/SPI)提供测得的角速度。 MAX21000满量为正负 I.25／正负2.50／土125／土250／正负0土IK正负2ks度S可选的可微调带宽测量速率。较高的ODR和宽频带BW，以及最高FS下的低噪声特性、低相位延迟等性能，使得这款IC非常适合用户界面(UI)和光学稳像(OIS)应用。 MAX21000为高集成度解决方案（见图2-114和图2-115），采用紧凑的3mmx3mmx0.9mm塑料焊盘栅格阵列(LGA)封装，除电源旁路电容外，不需要其他任何外部元件。其引脚说明列于表2-17。器件工作在-40～85℃温度范围。MAX21000可应用在下列领域：·带MMI（人机接口）的运动控制
·非触摸式UI
·GPS导航系统
·器具和机器人
·体感游戏机控制器
·便携式体感游戏机
·用于体感游戏的3D鼠标和3D遥控器
·健康和运动状态监测
·光学稳像
MAX21000有如下的优势和特性：
·总占位面积最小
一业内最小、最薄的封装(3mmx3mmx 0.9mm LGA)，理想用于便携设备
一无须外部元件
·独特的低功耗设计
一低工作电流（5.4mA，典型值）
一提供经济模式：100Hz、3.OmA（典型值）
-1.71V（最低）电源电压
-2.7mA（典型值）待机电流
-9uA（典型值）关断电流
一高PSRR和DC-DC转换器选择
一从关断模式下开启时间为45ms
一从待机模式下开启时间为Sm
·适用于二OIS
一最小相位延迟（大约3。@ IOHz）
一宽带( 400Hz)
一高ODR (lOkHz)
一低噪声（9mdps/、／更号HZ值）
-OIS模式.下提供四种不同FS：士31.25／土62.50／土125/正负50 dps
·无与伦比的高精度和高稳定度
一嵌入式数字输出温度传感器
一自动温度补偿
一在整个温度和时间范围内保持超高稳定度
一工厂校准
·高速接口
一标准( lOOkHz)、快速(400kHz)和高速(3.4MHz) 12C串行接口
-10MHz SPI接口
一减小AP负载
一提供UI/OIS串口复用
·灵活的嵌入式FIFO
一存储容量：512字节（256x16位）
一可读取单字节
一提供四种不同的FIFO模式
一减轻AP负荷
·高度可配置
一集成可数字编程的低通、高通滤波器
一可独立选择数据ODR和中断ODR
-7种满量程选项(31.25/62.5/125/250/500/1000/2000 dps)
-256种ODR选项
·灵活的中断发生器
一两路数字输出线
一2个独立的中断发生器
-8个可屏蔽中断源，每个中断源可配置为闭锁／解锁／定时
一独立的嵌入式角速度比较器
一独立的门限和持续时间调节
一电平／脉冲和OD/PP选项
·灵活的数据同步引脚
一外部唤醒
一中断发生
一单次数据捕获触发
一多次数据捕获触发
-LSB数据映射
·唯一的48位序列号作为核心ID
·高强度抗冲击能力（10000G冲击）
1．MAX21000架构
MAX21000包括以下主要模块和功能：
·三轴MEMS角速度陀螺仪传感器，带16位ADC和信号调理
·I2C和SPI串行通信接口
·传感器数据寄存器
·FIFO
·同步
·中断发生器
·数字输出温度传感器
·自检装置
2．MAX21000的主要模块说明
(1)带16位ADC和信号调理的三轴MEMS陀螺仪 IC包括单驱动振动MEMS陀螺仪，检测围绕Xy和Z轴转速。当陀螺仪围绕任意检测轴旋转时，科氏力决定位移，可通过电容变化测得。然后对产生的信号进行处理，产生与角速度成比例的数据流。采用16位ADC转换器进行模／数转换。陀螺仪的满量程可数字编程为土250、士500、正负000或土2000( dps)（UI模式）和土31.25／土62.5／土125／士250 (dps) （OIS模式）。
(2)中断发生器
MAX21000提供两个完全独立的中断发生器，便于中断发生的SW管理。例如，一条线可用_于．表7 DATA READY事件，而另一条线可用于表示完成内部启动序列等。 可通过中断配置寄存器配置中断功能。配置项包括INT引脚电平和持续时间、清除方式及产生中断所必需的触发器。
可从中断状态寄存器读取中断状态。能够以两种方式获得产生中断的事件：闭锁和解锁。中断源可独立使能／禁止以及清除。可能的中断源列表包括以下条件：DATA—READY、FIFO一READY、FIFO一THRESHOLD、FIFO__ OVERRUN、RESTART、DSYNC。
中断源发生器也可配置为闭锁、解锁或定时（长度可设置）。配置为闭锁时，可通过读取对应的状态寄存器清除（读清除），或者向状态寄存器写相应的掩码（写清除）。
(3)数字输出温度传感器
数字输出温度传感器用于测量IC的管芯温度，可通过传感器数据寄存器读取ADC的读数。
温度数据分为2个字节，对于较快和准确度要求不太高的读数，访问MSB可将温度数据作为绝对值进行读取，单位为摄氏度(oC)；通过读取LSB，准确度大幅提高，可读取1/256℃。
3．功率模式
IC具有四种供电模式（见表2-18），可灵活地综合考虑功耗、精度和开启时间。
可由软件控制在不同的功率模式之间进行转换，在配置寄存器中明确设置功率模式，或使能根据DSYNC引脚自动转换功率模式。
(l)常规模式
常规模式下，IC工作噪声最低。
(2)经济模式
经济模式下功耗较低，传感器精度相同，但速率噪声密度较高。可在四种ODR下使能这一独特功能：25Hz、50Hz、IOOHz和200Hz。
(3)待机模式
为降低功耗并具有较短的开启时间，IC提供了待机模式。待机模式下，IC不产生数据；由于关闭了主要的信号处理资源，所以节省功耗。该模式下的开启时间要快得多。
(4)关断模式
关断模式下，IC配置为将功耗降至最低。关断模式下仍然可读取寄存器，但陀螺仪不产生新数据。与待机模式相比， 开启IC并从陀螺仪收集数据所需的时间较长。
4．数字接口
可通过12C和SPI串口访问IC内嵌入的寄存器，后者可由软件配置为工作在3线或4线接口模式。 串行接口被映射至相同的引脚（见表2-19）。为选择／检测I2C接口，/CS线必须连接至高电平（即连接至VDDIO）。
(1) 12C接口
12C为2线接口，由串行数据(SDA)和串行时钟(SCL)信号组成。通常情况下，总线为开漏、双向传输。在I2C接口方案中，所连接的器件可以是主机或从机。主器件将从地址发送到总线，地址相匹配的从器件应答主器件（见表2-20）。
与系统处理器（作为主机）通信时，IC始终作为从机。SDA和SCL通常需要通过电阻上拉至VDDIO。最大总线速度为3.4MHz (12C HS)，可以缩短支持数据交换时系统处理器保持“忙”状态的时间总量。
IC的从地址为blOllOOx，长7位。7位地址的LSB由引脚SAO的逻辑电平决定，允许同一I2C总线上挂接两片MAX21000。采用该配置时，两片器件中一片的地址应为bl011000（引脚SAO SDO设置为逻辑低），另一片的地址应为bl011001（引脚SAO SDO设置为逻辑高）。
(2) SPI接口
IC的SPI可工作在高达IOMHz，3线（半双工）和4线模式（全双工）。
如果器件与其他SPI器件一起工作，建议将地址Ox15的I2C DISABLE位置位，以免在检测到通信、/CS不确定时意外切换至I2C模式。
IC作为SPI从器件工作。写寄存器和读寄存器的命令在16个时钟脉冲内完成；如果读／写多个字节，则在8的整数倍时钟脉冲内完成。位持续时间为CLK的两个下降沿之问的时问。
第一位（位0）在/CS下降沿之后的第一个CLK下降沿开始，最后一位（位15、位23等）在/CS上升沿之前的最后一个CLK下降沿开始。
第0位：RW位， 为0时， 数据DI[7:0]写入lC;为1时，读取来自于器件的数据D0[7:0]。为后者时，芯片在第8位开始时驱动SDO。
第1位：MS位，根据IF PARITY的配置，该位可用于工作在多寻址标准模式，或用于检查寄存器地址的奇偶校验。
如果作为MS位，为1时，地址在多个读／写命令中保持不变；为0时，地址在多个读／写命令中自动递增。
第2至7位：地址AD[5:0]，为变址寄存器的地址字段。
第8至15位：数据DI[7:0]（写模式），为写入器件的数据（MSb在前）。
第8至15位：数据D0[7:0]（读模式），从器件读取的数据（MSb在前）。
SPI半双工和全双工工作：
IC可设置为工作在半双工（一个双向数据引脚）或全双工（一个数据输入引脚和一个数据输出引脚）模式。SPI主机将ITF OTP中的SPI 3 WIRE位置0时，为全双工工作；将该位置1时为半双工工作。上电默认为全双工。
A.全双工工作
IC上电时默认进入全双工模式，或者SPI主机清除SPI 3一WIRE位时进入全双丁模式，SPI接口使用独立的数据引脚SDI和SDO传输数据。由于数据引脚独立，所以IC可同时输入和输出数据位。IC使用这一功能在移入命令字节时， 移出8个输出数据位。
从SPI从机接口(SDO)读取数据：
SPI主机采用以下步骤从IC从机接口读取数据：
①/CS为高电平时，未选中IC，SDO输出为三态。
②将SCL CLK驱动为有效状态后，SPI主机通过将/CS拉低选中IC。
③SPI主机同时将命令字节移入MAX21000，SPI读命令在16个时钟脉冲内完成。如果执行多字节读命令，在之前时钟脉冲的基础上增加8个时钟脉冲的整数倍。
第0位：READ位，值为1。
第1位：MS位，为1时不递增地址；为0时在多字节读操作中递增地址。
第2至7位：地址AD[5:0]，为变址寄存器的地址字段。
第8至15位：数据D0[7:0]（读模式），为从器件读取的数据（MSb在前）。
第16一…位：数据DO[…一8]，多字节读操作的附加数据。
④16个时钟周期后，主机可将/CS驱动为高电平，取消选中IC，使其将SDO输出置于三态。时
钟的下降沿将序列中下一个数据字节的MSB送至SDO输出。
⑤通过将/CS保持为低电平，主机连续提供SCL CLK脉冲（突发模式），将寄存器数据移出IC。
主机通过将/CS驱动为高电平结束传输。主机必须确保SCL CLK在下次操作开始时（将/CS驱动为低
电平时）处于禁止状态。
写SPI从机接口(SDI)：
SPI主机采用以下步骤将数据写入IC从机接口：
①SPI主机将时钟设置为禁止状态。/CS为高电平时，主机可驱动SDI输入。
②SPI主机通过将/CS拉低选中MAX21000。
③SPI主机同时将命令字节移入IC，SPI写命令在16个时钟周期内完成。如果执行多字节写命令，在之前时钟脉冲的基础上增加8个时钟脉冲的整数倍。
第0位：WRITE位，值为0。
第1位：MS位，为1时不递增地址，为0时在多字节写操作中递增地址。
第2至7位：地址AD[5:0]，为变址寄存器的地址字段。
第8至15位：数据DI[7:0]（写模式），为写至器件的数据（MSb在前）。
第16一…位：数据DI{]，多字节写操作的附加数据。
④通过将/CS保持为低电平，主机连续提供SCL CLK脉冲（突发模式），将数据字节写至IC。主机通过将/CS驱动为高电平结束传输。主机必须确保SCL CLK在下次操作开始时（将/CS驱动为低电平时）处于禁IL状态。全双工模式下，IC在前8位（命令字节）期间在SDO输出数据位， 随后在SPI主机将字节移入SDI时在SDO上输出零。
B．半双工工作
SPI主机将SPi_3一WIRE位置1时，IC置于半双工模式。半双工模式下，IC将其SDO引脚置于三态，使SDI引脚为双向， 节省SPI接口的引脚。半双工模式下，SDO引脚可浮空， SPI主机必须将SDi作为双向传输引脚。主机访问IC寄存器的步骤如下：SPI主机将时钟设置为非活动状态。/CS为高电平时，主机可将SDI引脚驱动为任意值。
①SPI主机通过将/CS驱动为低电平选中IC并将被写入的第一个数据位(MSB)送至SDI输入。
②SPI主机打开其输出驱动器，将命令字节移入IC。SPI读命令在16个时钟周期内完成。
第0位：READ位，值为1。
第1位：MS位，为1时不递增地址，为0时在多字节读操作中递增地址。
第2至7位：地址AD[5:0]，为变址寄存器的地址字段。
第8至15位：数据D0[7:0]（读模式），为从器件读取的数据（MSb在前）。多字节读命令也适用于3线模式。
5．传感器数据寄存器
传感器数据寄存器包含最新的陀螺仪和温度测量数据。
它们为只读寄存器，通过串行接口访问。任何时间均可读取这些寄存器的数据，可利用中断功能判断何时有新数据可供读取。
6．FIFO
IC内嵌256组16位数据FIFO，用于三路输出通道（偏航、倾斜、俯仰）中的每路通道。由于主机处理器无须持续从传感器获取数据，仅在需要时唤醒，从FIFO中·1发模式读取大量数据，所以能够节省系统功耗。配置为快照模式时， 提供在速率中断事件后捕获数据的理想方法。
该缓冲器可按照四种主模式进行工作：关闭、常规、中断和快照。
常规和中断模式可选择配置为工作于溢出模式，取决于缓冲器是否丢弃较新或较早数据。
可使能各种FIFO状态标识，以在INTl/INT2引脚上产生中断事件。
A. FIFO关闭模式
该模式下，FIFO关断；数据仅储存在数据寄存器中，如果读取FIFO，则无数据可用。
FIFO关断时，实际上可选择两种方式使用器件：同步和异步读操作。
(a)同步读操作
该模式下，处理器在DATA READY每次置位时读取IC产生的数据集（如三轴配置的6个字节）。
为避免数据不一致， 处理器必须且只能读取一次数据集。
使用这种方法的好处包括完美重构陀螺仪的输入信号以及数据流最小。
(b)异步读操作
该模式下，处理器读取IC产生的数据，与DATA—READY的状态无关。为了将由于不同采样被读取的次数不同引起的误差降至最小，操作频率必须比所选ODR高得多（如10倍），这种方法通常要求BW高得多。
B. FIFO常规模式
如果Overrun= false，则：
·FIFO打开。
·以所选数据率(ODR)填充FIFO。
·FIFO填满时，可产生中断。
‘FIFO填满时，全部丢弃新输入的数据。只读取FIFO中已储存数据的子集，可排除写入新数据 的可能性。
·只有读取全部数据时，FIFO才重新开始保存数据。
·如果通信速度较高，可防止数据丢失。
·为防止FIFO-FULL条件，必须在发生下一个DATA—READY之前读取全部数据集。
·如果不满足该条件，会丢失数据。
如果Overrun= true，则：
·FIFO打开。
·以所选ODR填充FIFO。
·FIFO填满时，可产生中断。
·FIFO填满时，最早的数据被新数据覆盖。
·如果通信速度较高，可保证数据完整性。
·为防止DATA LOST条件，必须在发生下一个DATA READY之前读取全部数据集。 ·如果不满足该条件，数据会被覆盖。
·发生溢出条件时，读指针强制为写指针．1，以确保只丢弃较早数据，有机会读取新数据。
(c)中断模式
如果Overrun= false，则：
·初始禁止FIFO。数据只存储在数据寄存器中。
·发生速率中断（OR或AND）时，自动打开FIFO，以所选ODR储存数据。
‘FIFO填满时，全部丢弃新输入的数据。只读取FIFO中已储存数据的子集，可排除写入新数据 的可能性。
·只有读取全部数据时，FIFO才重新开始保存数据。
·如果通信速度较高，可防止数据丢失。
·为防止FIFO-FULL条件，必需条件是在发生下一个DATA．READY之前读取全部数据集。
·如果不满足该条件，会丢失数据。
如果Overrun= true，则：
·初始禁止FIFO，数据只存储在数据寄存器中。
·发生速率中断（OR或AND）时，自动打开FIFO，以所选ODR储存数据。
·FIFO填满时，可产生中断。
·FIFO填满时，最早的数据被新数据覆盖。
·如果通信速度较高，nJ‘保证数据完整性。
·为防止DATA__ LOST，必须在发生下一个DATA READY之前读取全部数据集。
·如果不满足该条件，数据会被覆盖。
·发生溢出条件时，读指针强制为写指针-1，以确保只丢弃较早数据，有机会读取新数据。
(d)快照模式
·FIFO初始处于常规模式，使能溢出。
·发牛速率中断（OR或AND）时，FIFO自动转换为非溢出模式，以所选ODR存储数据，直到 FIFO填满。
·FIFO填满时，可产生中断。
·FIFO填满时，全部丢弃新输入的数据。只读取FIFO中已储存数据的子集，可排除写入新数据的可能性。
·只有读取全部数据时，FIFO重新开始保存数据。
·如果通信速度较高，可防止数据丢失。
·为防止FIFO_ FULL，必须在发生下一个DATA READY之前读取全部数据集。
·如果不满足该条件，会丢失数据。
7．零偏不稳定度和陀螺角随机漂移(ARW)
零偏不稳定度是陀螺仪的一个关键性能参数。IC的每个轴的典型零偏不稳定度为4。／小时，ARW为0.45。√不时，采用艾伦方差法测得。
8．数据同步
DSYNC引脚使能多种同步选项。
A.唤醒功能
DSYNC引脚可用于将IC从关断或挂起模式下唤醒。重复将DSYNC从有效改变为无效、反相，可利用外部控制器件控制MAX21000的功率模式，外部器件可以是微控制器、另一个传感器或不同类型的器件。
DSYNC口J可配置为高电平或低电平有效，以及沿触发或电平触发。该功能由DSYNC—CFG寄存器中的指定位控制。
B．数据捕获功能
DSYNC引脚的另一种工作方式是作为数据捕获触发。可将IC配置为停止产生数据，直到DSYNC上产生指定信号沿。 1旦发生有效的信号沿，IC则收集DSYNC．CNT寄存器中指定数量的数据。
C．DSYNC对数据的映射
DSYNC也可以映射至传感器数据的LSB，以随后执行同步。在陀螺仪的每个使能轴上发生映射。该功能由DSYNC CFG寄存器中的指定位控制。
D. DSYNC中断发生
DSYNC引脚也可用作中断源，根据外部处理器的软件管理确定不同类型的数据同步。
可组合使用基于DSYNC的唤醒、数据捕获、数据映射和中断发生功能。
9．唯一序列号 每片IC具有唯一的48位标识，可用于跟踪试样的历史，包括制造、组装及测试信息。
10.自检
对于数字陀螺仪，控制寄存器中有两个专用位，用于使能自检。该功能可用于验证陀螺仪是否工作正常，无须实际旋转陀螺仪。可在陀螺仪安装到PCB之前或之后进行自检。如果陀螺仪的输出在数据资料规定的自检值范围之内，则说明陀螺仪工作正常，因此自检功能是用户最终产品生产线中的.
项重要事项。
Maxim三轴数字陀螺仪中的嵌入式自检功能是一项关键附加功能，允许在最终产品组装期间测试陀螺仪，无须实际移动器件。
11．寄存器文件 寄存器文件按寄存器组组织。公共寄存器组映射到地址Ox20至Ox3F，这些寄存器始终可用。通过正确设置地址Ox21，可以在地址Ox00至OxIF映射两个不同的用户寄存器组。这种结构的目的是将寄存器映射地址的管理限制在Ox00至Ox3F范围，即使物理寄存器的数量超过64。
12.公共寄存器
公共寄存器是指其位置始终可供使用的寄存器组，与寄存器组选择无关。该寄存器组包括全部最常用寄存器，包括数据寄存器和FIFO数据。用户寄存器组0：用于配置IC的大多数功能，中断除外，中断是用户寄存器组1的一部分。用户寄存器组1：主要专用于配置中断，也包含唯一的序列号。
13.轴向方位
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