加速度計搭配自適應參考設計　車用DVR系統效能躍升

圖1所示為車用DVR系統的方塊圖。來自於CMOS感測器的攝影機視訊被擷取、處理，最終儲存在獨立的記憶體當中，例如SD卡或是硬碟。如圖中以深灰色底標記的加速度計(例如ADXL313)會被用來量測汽車的加速度。

圖1 車內DVR系統方塊圖

加速度計誤差形成原因

圖2說明具有加速度計的DVR系統是如何運作。當預先定義的事件發生時(例如緊急煞車)，加速度會隨著汽車的速度改變而顯著的增加或是減少。加速度計會感測與量測此資料MCU/處理器所能夠擷取與處理的加速度。一旦加速度超越預先定義的臨界值(例如－1.5g)，DVR系統就會開始將日期/時間/加速度值等的資訊以浮水印方式加入正在錄影的視訊當中。

圖2 當汽車緊急煞車時的加速度與速度vs.時間

在現實環境中，由加速度計量測所得的加速度並非實際汽車加速度的真實反映，這是因為地球重力偏移與車輛振動所導致的失真。有許多的情況都是因為地球的重力偏移所造成的。舉例來說，當DVR安裝在後視鏡上，鏡面與地球重力的角度是無法確定的，因為乘客可以手動調整。另一個例子就是當汽車在並非100%水平的道路上行駛時。此外，來自於汽車引擎以及崎嶇路況的振動也會隨機的影響加速度的量測並導致誤差的產生。

表1為地球重力偏移會導致多少顯著誤差的列表。第一欄是道路斜率相對於水平面的角度；第二欄則是因為地球重力所造成的g感測器z軸上的偏移；而第四欄是感測器在Z軸上量測所得加速度。以在汽車上1g的加速度而言，在z上測得之加速度會隨角度而增加，如同第四欄中所示。舉例來說，當角度為15o時，以z軸上1g的真實加速度所測得之加速度大約是1.26g，因此量測誤差大約是26%。

圖3為將地球的重力偏移以及汽車振動耦合至加速計當中所進行的真實加速度事件量測。在圖表中波動變化較大的線條代表加速度計上所測得的加速度，而呈現階梯狀的線條所描繪的是因為地球重力所造成的重力偏移。如圖表中所示，其中有三個高峰點：A點、B點、C點。A點是大約1.25g的量測值，B點是大約2.25g的量測值，C點則是大約1.75g的量測值。透過將臨界值預先定義在1.5g處，B點與C點超過了臨界值，而A點則低於臨界值。但是事實上此結果是錯誤的，因為加速度計上的重力偏移是未經過補償的。如同圖表中以上下箭頭標示的部分所示，透過重力偏移影響的消除，A點的實際加速度大約是1.5g，B點的實際加速度大約是2g，而C點則大約是1.25g。在這個以1.5g為預設臨界值的情況中，A點與B點超過了臨界值，而C點則低於臨界值。此例清楚說明重力偏移將導致加速度量測誤差，將使系統做出不正確的決策。而實際上重力偏移與振動都無法預測，因此在量測上所導致的誤差也是無法預測。要將實際的加速度分別由重力偏移與振動的量測資料中抽取出來確實是一大挑戰。

圖3 耦合地球重力偏移以及汽車振動的加速度輸出

消除加速度計誤差　自適應參考方法展妙用

然而，自適應參考方法能夠自適應的消除由於重力偏移與振動所造成的誤差。它可以立即的監測來自於加速度計的資料，而任何會隨著時間顯示出小而慢之振動的資料都會被視為是因為重力偏移與振動所導致的誤差，此部分在圖3中是以階梯式線條標示。所需要的實際加速度會隨著時間呈現大而快的振動，此會在將重力偏移與振動所導致之誤差消除後加以辨識並由量測資料中抽出。此部分被標示為圖3當中的A、B、C脈衝。取得實際加速度資料的基本作業將在以下的篇幅中做介紹。

在每個量測週期中，加速度計會量測並儲存資料，而此資料將做為下一週期計算的參考。在下一次的量測週期時，量測所得資料會與前一週期的參考資料做比較，而結果所得資料則會與預先定義的臨界值比較。假如結果資料超過了預先定義的臨界值，那麼它會被視為大而快速的所需暫態，而且將會由系統軟體做進一步的處理。假如結果資料並未超過臨界值，那麼它會被視為由重力與振動所導致的偏移與雜訊。量測週期需一套經過精密調節的演算法則，藉以依據不同的環境達成精確偵測。以上程序可利用下列公式來表示：
ABS[gn - gn - 1]>gth
其中
gn=在現有量測週期中量測所得的g資料
gn-1=在前一週期中量測所得的g參考值
gth=預先定義的g臨界值

圖4描繪出藉由將因為重力偏移與振動所導致的誤差消除後，計算所得的實際加速度。如圖所示，現在原本圖3中的階梯線條已經接近至零，此所代表的是重力偏移與振動已經幾近完全消除。而A、B、C點則正確的反映出實際的加速度。

圖4 在套用了自適應參考方法之後的精確加速度

一般而言，前述的自適應參考方法應該要利用軟體來執行，但是事實上期望MCU或是處理器要以單純的軟體來完成，這可能是不切實際的，因為視訊應用裝置是即時的，而MCU或是處理器可能會缺乏資源。做為解決方案的ADXL313W加速度計具有ac模式與內建的32組深度FIFO，可以大幅的促進自適應參考方法的執行，達成精確的加速度量測—即使是利用資源有限的後端MCU或是處理器。ac模式作業讓ADXL313W能夠保持量測資料做為參考值，使用在下一次的週期計算當中，而內建的32組FIFO則讓ADXL313W可以保留高達32個量測資料的字組，這兩項特點都可以大幅的減少後端MCU或是處理器的需求。

圖5是ADXL313W ac模式作業的流程圖。一旦ac模式作業被啟動的話，ADXL313W就會自動的保持先前所測得的資料，以做為下一次週期中與預先定義的臨界值做比較的參考值；假如它超過了臨界值，就會發出中斷訊號以通知MCU或是處理器來進行處理。在流程圖當中，設定了X ms的延遲以做為兩次量測週期之間的間隔時間，而且可以隨著應用裝置加以精密的調整。

圖5 利用ADXL313W的ac模式進行精確的加速度計算的流程圖

圖6為ADXL313W的32組FIFO作業的流程圖。一旦32組FIFO模式作業啟動，ADXL313W就會自動的在FIFO中保持高達32個字組的資料，而假如FIFO存滿了的話，中斷訊號就會主動發出以據此通知MCU或是處理器。

圖6 利用ADXL313W的FIFO進行精確的加速度計算的流程圖

車載DVR系統性能大幅改善

現代的汽車DVR或是OBD需要精確的加速度偵測與量測，以便透過有限的記憶體容量記錄所需要的視訊。量測誤差主要是由地球的重力偏移與汽車振動所造成，但它們都是無法預測的，而此所代表的則是對於系統設計者的挑戰。

自適應參考方法在執行上可以透過軟體來消除誤差，但實際上這樣做可能會不切實際，因為DVR或是OBD系統可能很容易發生資源受限的情況。具有ac模式作業以及32組深度FIFO的加速度計，能夠大幅的促進自適應參考方法的執行，同時又可以顯著的減少後端MCU或是處理器的需求，再結合像是汽車認證合格、高解析度、低雜訊及低功率等特點後，將有助於大幅改善DVR系統的性能。

(本文作者任職於亞德諾半導體)