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2018年04月24日 | 利用MEMS加速计的低功耗应用设计
2018-04-24
作者：意法半导体Petr Stukjunger
低功耗可利用MEMS加速计（Accelerometer）传感器来增加电池寿命。传感器变得越来越省电，所嵌入的各种功能也有助于减少整体系统能耗。举例来说，当用户不使用该装置时，动作感应唤醒功能让整个系统保持休眠状态。不过还有很多其他的可能性，利用MEMS加速计来减少整体功耗。
从MEMS加速计传感器本身出发，其操作模式就应该具有灵活性。如图1所示，我们知道传感器的分辨率以及输出数据速率，相对于另一方面的电流消耗，两者之间必须有所折中——分辨率或数据速率越高，电流消耗就越大，反之亦然。所幸市面上的一些传感器只需在很少的微安环境下就能运行，在关闭电源或待机模式下也只会消耗几纳米安的电力。
图1：传感器参数影响了电池寿命
针对一些高要求的应用程序，传感器的运行模式可以迅速更换，只在真正有需要时,才会提高分辨率和数据传输速率。有些传感器甚至能够自动转换模式。客户可自行配置活动状态下所需要的分辨率和数据传输速率，并自定义启动它的条件。这时传感器会进入静止状态，但仍会继续测量数据，并以极低的数据传输速率和分辨率进行，等出现设定条件（动作事件）才切换回到启动状态。
另一个不错的设计原则是利用低供电水平，因为较低的供电水平也意味着更低的电流消耗。这就是为什么对于低功率的应用，1.8V电源是首选。
在某些设计中，可以使用传感器的功率循环。传感器的电源只有在需要测量时才会被激活，否则传感器就会处于关闭状态。我们可以通过从微控制器的引脚上提供传感器的电源来实现。如图2所示。在应用这种技术时，需要正确的计算功耗预算，因为每个传感器的启动都需要对其进行配置和等待，直到输出被确定，并提供正确的数据。
图2：透过为控制微控制器针脚控制传感器电源供应
大多数MEMS加速计都是数字传感器，这代表它们可以将测量的模拟信号转换成数字数据。因为有集成的模拟信号转换器，加上对信号失真的敏感度较低，物料清单项目得以减少，但这并不是唯一的优点。嵌入的中断生成器MEMS加速计可以在满足用户设定的参数条件发生时，产生触发信号，这就是用动作感应唤醒功能的方式。微控制器（MCU）配置传感器来产生一个唤醒触发器，并进入功耗极低的睡眠模式。当一个动作被检测到是，传感器会产生一个中断信号，MCU接到信号后会切换到一个合适的操作模式，然后处理刚刚发生的情况。
数字传感器也可以接管有微控制器执行的运动处理有关的任务。MCU当然可以执行相同的工作，但是功率效率要低得多——MCU的耗电是一毫安计算，传感器则是微安。检测自由落体、单点、双击（用户动作类似鼠标点击）、人像/景观方向检测等，是通过传感器内部逻辑实现的。MCU不需要进行任何计算，只需要等待一个中断触发，并且只在它发生时对动作作出反应。
数字传感器经常集成可配置的过滤器，这些过滤器是用来测量加速度数据的。可使用低通（low-pass）、高通（high-pass）甚至是犯混叠过滤器，用于MCU预处理数据，并增加卸载分流。。
嵌入传感器的数据缓冲器大多属于先进先出（FIFO）的类型，因为它可以让MCU减少读取数据的频率，因此降低当前电流消耗。这样微控制器就可以执行其他任务、延长休眠时间，同时也节省了与传感器串口通讯所需的时间。
传感器与微控制器之间的串行通信也会增加整体功耗。对超低功耗的应用来说，每处理一个微安倍，串行通信都有可能产生重大影响。大多数MEMS加速计都是通过串行外设接口（SPI）和I2C接口进行通信的。SPI接口在功耗方面效率更高，原因有三：一是通信线路上没有会造成额外电流消耗的引线；二是支持更高的数据率；三是串行协议的开销减少。
无论使用哪种接口，我们还是可以大幅减少串行通信，方法是让应用程序利用数据准备中断（data ready interrupt），而不进行传感器轮询（polling），也就是持续请求新数据的可用性状态。当传感器完成数据测量和转换后，数据准备中断自动生成，新的数据集将由MCU读取。当这个中断被激活时，MCU会马上通过单一的读取动作，读取来自传感器的输出数据。
如前文所述，传感器输出的数据率较低，意味着当前的耗电量较低，因此，所谓的单数据转换机制可以是传感器与应用程序所需的数据完美匹配，如图三所示。使用这种机制，要么是由传感器引脚上的外部触发信号，要么是由使用串行指令从MCU发起的寄存器写入。这样获得的数据就会存储在传感器中。传感器还可以启动一个数据准备中断信号，通知MCU数据转换已经完成，现在可以通过应用程序读取数据。有了这个功能，无论是低于1Hz，还是任何预先定义范围以外的数据速率都可以实现。
图3：单一数据转换机制
本文讨论了对低功耗应用相当重要的MEMS加速仪传感器功能，以及如何将之利用在系统设计上。意法半导体最新推出的LIS2DW12超低功耗3軸MEMS加速仪，能利用加速仪传感器为新型应用程序的设计带来灵活性，因为它电流消耗最低可达1Ua，加上多个运行模块、输出数据速率范围极广、丰富的嵌入式、高温稳定度和各种强化功能，例如数位过滤器和先进先出缓冲器。我们相信许多低功耗应用都能享受LIS2DW12的优点。这款传感器将为用户提供优势，尤其是在一下领域：动作感应功能与用户界面、手持式装备智能节能功能、电器相关动作监测，还有无线传感器节点的撞击识别登录（impact recognition logging）。
史海拾趣
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