內(nèi)建高通濾波器　加速度計(jì)強(qiáng)化系統(tǒng)省電機(jī)制

MEMS加速度計(jì)已成為行動(dòng)裝置省電設(shè)計(jì)的重要元件。內(nèi)建高通濾波器并具備自由落體偵測功能的加速度計(jì)，能藉由一支中斷接腳為處理器提供可靠的喚醒和無動(dòng)作偵測訊號，讓手機(jī)系統(tǒng)毋須完全啟動(dòng)處理器，即可達(dá)成省電模式的切換，進(jìn)一步節(jié)省功耗。

智慧型手機(jī)和平板裝置為延長使用時(shí)間，通常會(huì)采用螢?zāi)皇‰娫O(shè)計(jì)，因此，不管用戶在使用后是否有動(dòng)作發(fā)生，螢?zāi)欢紩?huì)自動(dòng)關(guān)閉節(jié)省能源；若要重新使用功能，就必須再次打開螢?zāi)弧?br>
近來隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測元件技術(shù)的成熟，裝置開發(fā)人員在自動(dòng)打開和關(guān)閉螢?zāi)坏脑O(shè)計(jì)方面，已可透過加速度計(jì)的中斷接腳執(zhí)行喚醒和非動(dòng)作偵測，讓系統(tǒng)內(nèi)部的微處理器只須監(jiān)測加速度計(jì)中斷輸出接腳的脈沖沿轉(zhuǎn)變，毋須再讀取中斷訊號源的暫存器，更進(jìn)一步達(dá)成省電效果。  

節(jié)省系統(tǒng)功耗　加速度計(jì)/MPU巧妙配合

數(shù)位MEMS加速度計(jì)通常有一支或兩支中斷輸出接腳，用于連接外部微處理器(MPU)的輸入/輸出(I/O)接腳。加速度計(jì)可在后臺(tái)偵測加速度或動(dòng)作，同時(shí)微處理器可執(zhí)行其他任務(wù)，或保持在省電的睡眠模式，當(dāng)加速度計(jì)偵測到一個(gè)中斷事件時(shí)，微處理器被從睡眠模式喚醒，查看該中斷是否須處理。  

同時(shí)，MEMS加速度計(jì)亦可輸出不同類型的中斷訊號，例如資料就緒、自由落體、豎屏/橫屏旋轉(zhuǎn)、按一下/按兩下或沖擊力偵測等。不僅如此，某些加速度計(jì)還內(nèi)建喚醒和無動(dòng)作偵測功能，能根據(jù)動(dòng)作強(qiáng)度，在低功耗的低輸出速率(ODR)模式和正常模式的高資料速率之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換；但是，這項(xiàng)功能只節(jié)省加速度計(jì)本身的功耗。  

為進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)整體耗電量，某些微處理器有兩個(gè)或更多個(gè)通用輸入輸出(GPIO)接腳，用戶可使用加速度計(jì)的兩個(gè)中斷輸出接腳實(shí)現(xiàn)喚醒和動(dòng)作偵測兩項(xiàng)功能。不過，在某些情況下，微處理器只有一個(gè)GPIO用作中斷處理，而用戶想還用一個(gè)中斷接腳實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能，其中，如何在一個(gè)中斷輸出接腳上使用高通濾波器(HPF)和自動(dòng)落體AND邏輯，偵測喚醒動(dòng)作和無動(dòng)作條件，且微處理器毋須參與偵測過程的省電設(shè)計(jì)，已成為開發(fā)人員關(guān)注重點(diǎn)。  

一般來說，當(dāng)微處理器收到加速度計(jì)中斷訊號的上升沿(Rising Edge)，表示手持裝置處于非動(dòng)作狀態(tài)，收到下降沿時(shí)，則代表設(shè)備處于動(dòng)作狀態(tài)。圖1是加速度計(jì)與主處理器或微控制器(MCU)的典型硬體連接圖，在初始化過程中，系統(tǒng)在I2C或串列周邊介面(SPI)通電時(shí)，主處理器只須與加速度計(jì)溝通一次，然后加速度計(jì)就會(huì)在后臺(tái)連續(xù)監(jiān)測動(dòng)作事件，功耗非常低。  


圖1    主處理器與加速度計(jì)的硬體連接架構(gòu)圖
改變INT1接腳位準(zhǔn)　加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)省電模式
事實(shí)上，加速度計(jì)的INT1接腳是推挽式輸出(Push-pull Output)，所以預(yù)設(shè)為高位準(zhǔn)觸發(fā)，使用者可根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用將其改為開漏輸出或低位準(zhǔn)觸發(fā)。當(dāng)高位準(zhǔn)觸發(fā)時(shí)，INT1接腳的最低電壓是 0.9×Vdd_IO，而低位準(zhǔn)觸發(fā)時(shí)，最高電壓是0.1×Vdd_IO，而加速度計(jì)Vdd_IO能與主處理器數(shù)位電壓、Vcc_IO靈活匹配。如果主處理器只有一個(gè)電源，可將加速度計(jì)的Vdd和Vdd_IO連在一起，直接連到電源。 

一旦行動(dòng)裝置在靜止?fàn)顟B(tài)超過規(guī)定時(shí)間，加速度計(jì)將會(huì)通過INT1接腳發(fā)出從低位準(zhǔn)向高位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的上升沿中斷訊號，此時(shí)，主處理器將關(guān)閉其他元件，進(jìn)入睡眠省電模式。除非主處理器偵測到動(dòng)作事件，加速度計(jì)才會(huì)發(fā)送一個(gè)從高位準(zhǔn)向低位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的下降沿的中斷訊號，隨后，主處理器將被喚醒并打開其他元件，使設(shè)備正常工作。 

相反的，行動(dòng)裝置在正常工作模式下保持動(dòng)作狀態(tài)，加速度計(jì)INT1接腳上的中斷訊號將保持低位準(zhǔn)，如果裝置在任何傾斜位置始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，則加速度計(jì)中斷訊號始終保持高位準(zhǔn)。因此，主處理器能夠定期讀取加速度計(jì)INT1接腳的位準(zhǔn)，再次檢查手持裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)還是動(dòng)作狀態(tài)。 

在意法半導(dǎo)體(ST)開發(fā)的LIS3DH數(shù)位加速度計(jì)代碼示例中(圖2)，INT1_CFG配置與自由落體事件偵測相同，不同之處則是自由落體中斷無須使用高通濾波器，且自由落體時(shí)長在毫秒范圍內(nèi)，運(yùn)算邏輯如圖3所示。 


圖2    數(shù)位加速度計(jì)代碼示例

圖3    加速度計(jì)INT1運(yùn)算邏輯
當(dāng)手持裝置在任何傾斜位置保持靜止?fàn)顟B(tài)超過5秒后，加速度計(jì)INT1接腳將從低位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粶?zhǔn)，因?yàn)樵谑褂酶咄V波器后，X/Y/Z軸加速度均在±125mg THS內(nèi)。此外，手持裝置的自由落體事件不會(huì)觸發(fā)INT1接腳從低位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變高位準(zhǔn)，因?yàn)閄/Y/Z軸加速度同時(shí)在±125mg THS內(nèi)的時(shí)間少于5秒。 

如果因?yàn)閯?dòng)作的原因，X、Y和Z中任何一軸的加速度超過±125mg，且設(shè)備繼續(xù)保持動(dòng)作狀態(tài)，INT1接腳就會(huì)從高位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變低位準(zhǔn)。 

當(dāng)設(shè)備進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)還不到5秒再次進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)，則INT1接腳繼續(xù)保持低位準(zhǔn)，若設(shè)備再次靜止，5秒時(shí)長將開始從50最低有效位(LSB)倒數(shù)計(jì)時(shí)，到0LSB終止，輸出資料速率為10Hz。 

加速度計(jì)中斷接腳省電妙用多

顯而易見，內(nèi)建高通濾波器和自由落體偵測功能的加速度計(jì)設(shè)計(jì)解決方案，能夠藉由一個(gè)中斷接腳為微處理器提供可靠的喚醒和無動(dòng)作偵測中斷訊號，讓手機(jī)節(jié)能模式的偵測行為無需微處理器全程參與，進(jìn)而達(dá)成系統(tǒng)省電效果。 

此外，使用者還可按照自己的應(yīng)用設(shè)計(jì)靈活配置加速度計(jì)的臨界值和時(shí)長參數(shù)。在功耗方面，此一解決方案的效能高于使用觸控螢?zāi)?、按鍵和微處理器計(jì)時(shí)器開閉螢?zāi)坏姆椒ā?nbsp;

(本文作者任職于意法半導(dǎo)體)