利用MEMS加速計的低功耗應(yīng)用設(shè)計

 低功耗可利用MEMS加速計(Accelerometer)傳感器來增加電池壽命。傳感器變得越來越省電，所嵌入的各種功能也有助于減少整體系統(tǒng)能耗。舉例來說，當(dāng)用戶不使用該裝置時，動作感應(yīng)喚醒功能讓整個系統(tǒng)保持休眠狀態(tài)。不過還有很多其他的可能性，利用MEMS加速計來減少整體功耗。

從MEMS加速計傳感器本身出發(fā)，其操作模式就應(yīng)該具有靈活性。如圖1所示，我們知道傳感器的分辨率以及輸出數(shù)據(jù)速率，相對于另一方面的電流消耗，兩者之間必須有所折中——分辨率或數(shù)據(jù)速率越高，電流消耗就越大，反之亦然。所幸市面上的一些傳感器只需在很少的微安環(huán)境下就能運(yùn)行，在關(guān)閉電源或待機(jī)模式下也只會消耗幾納米安的電力。

圖1：傳感器參數(shù)影響了電池壽命

針對一些高要求的應(yīng)用程序，傳感器的運(yùn)行模式可以迅速更換，只在真正有需要時,才會提高分辨率和數(shù)據(jù)傳輸速率。有些傳感器甚至能夠自動轉(zhuǎn)換模式?？蛻艨勺孕信渲没顒訝顟B(tài)下所需要的分辨率和數(shù)據(jù)傳輸速率，并自定義啟動它的條件。這時傳感器會進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，但仍會繼續(xù)測量數(shù)據(jù)，并以極低的數(shù)據(jù)傳輸速率和分辨率進(jìn)行，等出現(xiàn)設(shè)定條件(動作事件)才切換回到啟動狀態(tài)。

另一個不錯的設(shè)計原則是利用低供電水平，因?yàn)檩^低的供電水平也意味著更低的電流消耗。這就是為什么對于低功率的應(yīng)用，1.8V電源是首選。

在某些設(shè)計中，可以使用傳感器的功率循環(huán)。傳感器的電源只有在需要測量時才會被激活，否則傳感器就會處于關(guān)閉狀態(tài)。我們可以通過從微控制器的引腳上提供傳感器的電源來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。在應(yīng)用這種技術(shù)時，需要正確的計算功耗預(yù)算，因?yàn)槊總€傳感器的啟動都需要對其進(jìn)行配置和等待，直到輸出被確定，并提供正確的數(shù)據(jù)。

圖2：透過為控制微控制器針腳控制傳感器電源供應(yīng)

大多數(shù)MEMS加速計都是數(shù)字傳感器，這代表它們可以將測量的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因?yàn)橛屑傻哪M信號轉(zhuǎn)換器，加上對信號失真的敏感度較低，物料清單項(xiàng)目得以減少，但這并不是唯一的優(yōu)點(diǎn)。嵌入的中斷生成器MEMS加速計可以在滿足用戶設(shè)定的參數(shù)條件發(fā)生時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，這就是用動作感應(yīng)喚醒功能的方式。微控制器(MCU)配置傳感器來產(chǎn)生一個喚醒觸發(fā)器，并進(jìn)入功耗極低的睡眠模式。當(dāng)一個動作被檢測到是，傳感器會產(chǎn)生一個中斷信號，MCU接到信號后會切換到一個合適的操作模式，然后處理剛剛發(fā)生的情況。

數(shù)字傳感器也可以接管有微控制器執(zhí)行的運(yùn)動處理有關(guān)的任務(wù)。MCU當(dāng)然可以執(zhí)行相同的工作，但是功率效率要低得多——MCU的耗電是一毫安計算，傳感器則是微安。檢測自由落體、單點(diǎn)、雙擊(用戶動作類似鼠標(biāo)點(diǎn)擊)、人像/景觀方向檢測等，是通過傳感器內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)的。MCU不需要進(jìn)行任何計算，只需要等待一個中斷觸發(fā)，并且只在它發(fā)生時對動作作出反應(yīng)。

數(shù)字傳感器經(jīng)常集成可配置的過濾器，這些過濾器是用來測量加速度數(shù)據(jù)的?？墒褂玫屯?low-pass)、高通(high-pass)甚至是犯混疊過濾器，用于MCU預(yù)處理數(shù)據(jù)，并增加卸載分流。。

嵌入傳感器的數(shù)據(jù)緩沖器大多屬于先進(jìn)先出(FIFO)的類型，因?yàn)樗梢宰孧CU減少讀取數(shù)據(jù)的頻率，因此降低當(dāng)前電流消耗。這樣微控制器就可以執(zhí)行其他任務(wù)、延長休眠時間，同時也節(jié)省了與傳感器串口通訊所需的時間。

傳感器與微控制器之間的串行通信也會增加整體功耗。對超低功耗的應(yīng)用來說，每處理一個微安倍，串行通信都有可能產(chǎn)生重大影響。大多數(shù)MEMS加速計都是通過串行外設(shè)接口(SPI)和I2C接口進(jìn)行通信的。SPI接口在功耗方面效率更高，原因有三：一是通信線路上沒有會造成額外電流消耗的引線;二是支持更高的數(shù)據(jù)率;三是串行協(xié)議的開銷減少。

無論使用哪種接口，我們還是可以大幅減少串行通信，方法是讓應(yīng)用程序利用數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中斷(data ready interrupt)，而不進(jìn)行傳感器輪詢(polling)，也就是持續(xù)請求新數(shù)據(jù)的可用性狀態(tài)。當(dāng)傳感器完成數(shù)據(jù)測量和轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中斷自動生成，新的數(shù)據(jù)集將由MCU讀取。當(dāng)這個中斷被激活時，MCU會馬上通過單一的讀取動作，讀取來自傳感器的輸出數(shù)據(jù)。

如前文所述，傳感器輸出的數(shù)據(jù)率較低，意味著當(dāng)前的耗電量較低，因此，所謂的單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制可以是傳感器與應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù)完美匹配，如圖三所示。使用這種機(jī)制，要么是由傳感器引腳上的外部觸發(fā)信號，要么是由使用串行指令從MCU發(fā)起的寄存器寫入。這樣獲得的數(shù)據(jù)就會存儲在傳感器中。傳感器還可以啟動一個數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中斷信號，通知MCU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，現(xiàn)在可以通過應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)。有了這個功能，無論是低于1Hz，還是任何預(yù)先定義范圍以外的數(shù)據(jù)速率都可以實(shí)現(xiàn)。

圖3：單一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制

本文討論了對低功耗應(yīng)用相當(dāng)重要的MEMS加速儀傳感器功能，以及如何將之利用在系統(tǒng)設(shè)計上。意法半導(dǎo)體最新推出的LIS2DW12超低功耗3軸MEMS加速儀，能利用加速儀傳感器為新型應(yīng)用程序的設(shè)計帶來靈活性，因?yàn)樗娏飨淖畹涂蛇_(dá)1Ua，加上多個運(yùn)行模塊、輸出數(shù)據(jù)速率范圍極廣、豐富的嵌入式、高溫穩(wěn)定度和各種強(qiáng)化功能，例如數(shù)位過濾器和先進(jìn)先出緩沖器。我們相信許多低功耗應(yīng)用都能享受LIS2DW12的優(yōu)點(diǎn)。這款傳感器將為用戶提供優(yōu)勢，尤其是在一下領(lǐng)域：動作感應(yīng)功能與用戶界面、手持式裝備智能節(jié)能功能、電器相關(guān)動作監(jiān)測，還有無線傳感器節(jié)點(diǎn)的撞擊識別登錄(impact recognition logging)。