【導讀】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能耗。舉例來說，當用戶不使用該裝置時，動作感應喚醒功能讓整個系統保持休眠狀態。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，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境下就能運行，在關閉電源或待機模式下也只會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,才會提高分辨率和數據傳輸速率。有些傳感器甚至能夠自動轉換模式。客戶可自行配置活動狀態下所需要的分辨率和數據傳輸速率，并自定義啟動它的條件。這時傳感器會進入靜止狀態，但仍會繼續測量數據，并以極低的數據傳輸速率和分辨率進行，等出現設定條件(動作事件)才切換回到啟動狀態。
另一個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。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閉狀態。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現。如圖2所示。在應用這種技術時，需要正確的計算功耗預算，因為每個傳感器的啟動都需要對其進行配置和等待，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點。嵌入的中斷生成器MEMS加速計可以在滿足用戶設定的參數條件發生時，產生觸發信號，這就是用動作感應喚醒功能的方式。微控制器(MCU)配置傳感器來產生一個喚醒觸發器，并進入功耗極低的睡眠模式。當一個動作被檢測到是，傳感器會產生一個中斷信號，MCU接到信號后會切換到一個合適的操作模式，然后處理剛剛發生的情況。
數字傳感器也可以接管有微控制器執行的運動處理有關的任務。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、雙擊(用戶動作類似鼠標點擊)、人像/景觀方向檢測等，是通過傳感器內部邏輯實現的。MCU不需要進行任何計算，只需要等待一個中斷觸發，并且只在它發生時對動作作出反應。
數字傳感器經常集成可配置的過濾器，這些過濾器是用來測量加速度數據的。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先出(FIFO)的類型，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、延長休眠時間，同時也節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。對超低功耗的應用來說，每處理一個微安倍，串行通信都有可能產生重大影響。大多數MEMS加速計都是通過串行外設接口(SPI)和I2C接口進行通信的。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;二是支持更高的數據率;三是串行協議的開銷減少。
無論使用哪種接口，我們還是可以大幅減少串行通信，方法是讓應用程序利用數據準備中斷(data ready interrupt)，而不進行傳感器輪詢(polling)，也就是持續請求新數據的可用性狀態。當傳感器完成數據測量和轉換后，數據準備中斷自動生成，新的數據集將由MCU讀取。當這個中斷被激活時，MCU會馬上通過單一的讀取動作，讀取來自傳感器的輸出數據。
如前文所述，傳感器輸出的數據率較低，意味著當前的耗電量較低，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信號，要么是由使用串行指令從MCU發起的寄存器寫入。這樣獲得的數據就會存儲在傳感器中。傳感器還可以啟動一個數據準備中斷信號，通知MCU數據轉換已經完成，現在可以通過應用程序讀取數據。有了這個功能，無論是低于1Hz，還是任何預先定義范圍以外的數據速率都可以實現。
圖3：單一數據轉換機制
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靈活性，因為它電流消耗最低可達1Ua，加上多個運行模塊、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，例如數位過濾器和先進先出緩沖器。我們相信許多低功耗應用都能享受LIS2DW12的優點。這款傳感器將為用戶提供優勢，尤其是在一下領域：動作感應功能與用戶界面、手持式裝備智能節能功能、電器相關動作監測，還有無線傳感器節點的撞擊識別登錄(impact recognition logging)。
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