從MEMS加速計傳感器本身出發(fā)，其操作模式就應該具有靈活性。如圖1所示，我們知道傳感器的分辨率以及輸出數據速率，相對于另一方面的電流消耗，兩者之間必須有所折中——分辨率或數據速率越高，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)境下就能運行，在關(guān)閉電源或待機模式下也只會(huì )消耗幾納米安的電力。

 

圖1：傳感器參數影響了電池壽命

 

針對一些高要求的應用程序，傳感器的運行模式可以迅速更換，只在真正有需要時(shí),才會(huì )提高分辨率和數據傳輸速率。有些傳感器甚至能夠自動(dòng)轉換模式?？蛻?hù)可自行配置活動(dòng)狀態(tài)下所需要的分辨率和數據傳輸速率，并自定義啟動(dòng)它的條件。這時(shí)傳感器會(huì )進(jìn)入靜止狀態(tài)，但仍會(huì )繼續測量數據，并以極低的數據傳輸速率和分辨率進(jìn)行，等出現設定條件(動(dòng)作事件)才切換回到啟動(dòng)狀態(tài)。

 

另一個(gè)不錯的設計原則是利用低供電水平，因為較低的供電水平也意味著(zhù)更低的電流消耗。這就是為什么對于低功率的應用，1.8V電源是首選。

 

在某些設計中，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(shí)才會(huì )被激活，否則傳感器就會(huì )處于關(guān)閉狀態(tài)。我們可以通過(guò)從微控制器的引腳上提供傳感器的電源來(lái)實(shí)現。如圖2所示。在應用這種技術(shù)時(shí)，需要正確的計算功耗預算，因為每個(gè)傳感器的啟動(dòng)都需要對其進(jìn)行配置和等待，直到輸出被確定，并提供正確的數據。

 

圖2：透過(guò)為控制微控制器針腳控制傳感器電源供應

 

大多數MEMS加速計都是數字傳感器，這代表它們可以將測量的模擬信號轉換成數字數據。因為有集成的模擬信號轉換器，加上對信號失真的敏感度較低，物料清單項目得以減少，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(mǎn)足用戶(hù)設定的參數條件發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號，這就是用動(dòng)作感應喚醒功能的方式。微控制器(MCU)配置傳感器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)喚醒觸發(fā)器，并進(jìn)入功耗極低的睡眠模式。當一個(gè)動(dòng)作被檢測到是，傳感器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，MCU接到信號后會(huì )切換到一個(gè)合適的操作模式，然后處理剛剛發(fā)生的情況。

 

數字傳感器也可以接管有微控制器執行的運動(dòng)處理有關(guān)的任務(wù)。MCU當然可以執行相同的工作，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(hù)動(dòng)作類(lèi)似鼠標點(diǎn)擊)、人像/景觀(guān)方向檢測等，是通過(guò)傳感器內部邏輯實(shí)現的。MCU不需要進(jìn)行任何計算，只需要等待一個(gè)中斷觸發(fā)，并且只在它發(fā)生時(shí)對動(dòng)作作出反應。

 

數字傳感器經(jīng)常集成可配置的過(guò)濾器，這些過(guò)濾器是用來(lái)測量加速度數據的?？墒褂玫屯?low-pass)、高通(high-pass)甚至是犯混疊過(guò)濾器，用于MCU預處理數據，并增加卸載分流。

 

嵌入傳感器的數據緩沖器大多屬于先進(jìn)先出(FIFO)的類(lèi)型，因為它可以讓MCU減少讀取數據的頻率，因此降低當前電流消耗。這樣微控制器就可以執行其他任務(wù)、延長(cháng)休眠時(shí)間，同時(shí)也節省了與傳感器串口通訊所需的時(shí)間。

 

傳感器與微控制器之間的串行通信也會(huì )增加整體功耗。對超低功耗的應用來(lái)說(shuō)，每處理一個(gè)微安倍，串行通信都有可能產(chǎn)生重大影響。大多數MEMS加速計都是通過(guò)串行外設接口(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(xiàn)路上沒(méi)有會(huì )造成額外電流消耗的引線(xiàn);二是支持更高的數據率;三是串行協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)減少。

 

無(wú)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?xiě)贸绦蚶脭祿蕚渲袛?data ready interrupt)，而不進(jìn)行傳感器輪詢(xún)(polling)，也就是持續請求新數據的可用性狀態(tài)。當傳感器完成數據測量和轉換后，數據準備中斷自動(dòng)生成，新的數據集將由MCU讀取。當這個(gè)中斷被激活時(shí)，MCU會(huì )馬上通過(guò)單一的讀取動(dòng)作，讀取來(lái)自傳感器的輸出數據。

 

如前文所述，傳感器輸出的數據率較低，意味著(zhù)當前的耗電量較低，因此，所謂的單數據轉換機制可以是傳感器與應用程序所需的數據完美匹配，如圖三所示。使用這種機制，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(xiě)入。這樣獲得的數據就會(huì )存儲在傳感器中。傳感器還可以啟動(dòng)一個(gè)數據準備中斷信號，通知MCU數據轉換已經(jīng)完成，現在可以通過(guò)應用程序讀取數據。有了這個(gè)功能，無(wú)論是低于1Hz，還是任何預先定義范圍以外的數據速率都可以實(shí)現。

 

圖3：?jiǎn)我粩祿D換機制

 

本文討論了對低功耗應用相當重要的MEMS加速儀傳感器功能，以及如何將之利用在系統設計上。意法半導體最新推出的LIS2DW12超低功耗3軸MEMS加速儀，能利用加速儀傳感器為新型應用程序的設計帶來(lái)靈活性，因為它電流消耗最低可達1Ua，加上多個(gè)運行模塊、輸出數據速率范圍極廣、豐富的嵌入式、高溫穩定度和各種強化功能，例如數位過(guò)濾器和先進(jìn)先出緩沖器。我們相信許多低功耗應用都能享受LIS2DW12的優(yōu)點(diǎn)。這款傳感器將為用戶(hù)提供優(yōu)勢，尤其是在一下領(lǐng)域：動(dòng)作感應功能與用戶(hù)界面、手持式裝備智能節能功能、電器相關(guān)動(dòng)作監測，還有無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的撞擊識別登錄(impact recognition logging)。

 

 

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