【導讀】本應用指南旨在幫助開發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由用戶可定制的頻率濾波器和一個均方根（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。通過設置想要的閾值振幅和計數器值，可以針對特定的動作、旋轉或振動產生中斷。本文將通過介紹兩個簡單的示例來直觀地展示該新功能的優勢。
圖1：高級數據路徑（ADP）原理示意
現實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）。
1. 數據流
圖2所示的是一張普通數據流圖。該圖頂部的第一個方塊是數字加速度計的傳統數據路徑（Conventional Data Path，CDP）。CDP包含來自MEMS的模擬輸入、一個負責放大信號的模擬前端（AFE）、一個負責信號數字化的模數轉換器（ADC）以及一個負責進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，以及計算實時振幅的均方根（RMS）計算器。用戶可以靈活地對ADP濾波器進行訪問并設置。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，也可以兩種方式同時實現。此外，ADP輸出可以作為一個輸入路由到內置的動作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，從而進一步限定信號。如果滿足輸入信號判定標準，那么器件中的中斷發生器將為主機產生一個物理中斷，并設置相應的狀態寄存器。圖2所示的是當檢測到“持續了Th時間的特定振動”時產生中斷的示例情況。
圖2：ADP數據流
2. 應用實例
2.1.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，由于機身松動，電機正在緩慢振動。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進行頻率分析。而MCU/DSP一直保持工作狀態，會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通過而消除fop，還能為主機MCU產生中斷。
圖3：正常系統動作和故障系統動作的頻率分析
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引擎生成的真實信號。檢測到故障事件后，INS3寄存器中的WUFS位會被置位，而外部中斷引腳（如果已配置）則產生中斷信號。
圖4：ADP將目標信號從原始加速度數據中分離出來，并將振幅信息傳遞給運動引擎
2.2.包絡分析
包絡分析是一種周期性振動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線（* 1）。包絡波形的快速傅里葉變換（FFT）可以顯示振動周期，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”：同時包含振動頻率和誤差頻率，排除直流噪聲和高頻噪聲。
(*1)注：ADP輸出是偽包絡，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
包絡波形可以存儲在KX13x的512字節緩沖區中，也可發送到主機處理器進行FFT分析。
圖6：使用原始加速度數據及其包絡的FFT
有關KX13x ADP的更多詳細信息和用法，請聯系羅姆的銷售代表。
3.其他資源
Ø KX13x系列頁面
https://www.kionix.com/product/KX132-1211
https://www.kionix.com/product/KX134-1211
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