利用MEMS加速計的低功耗應(yīng)用設(shè)計
發(fā)布時間:2018-04-26 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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。客戶可自行配置活動狀態(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。可使用低通(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)。
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