具有MEMS加速度计的低功率应用设计

文章：Petr Stukjunger

低功耗应用利用MEMS加速度计传感器来提高电池寿命。传感器变得越来越少，电力饥饿和嵌入功能有助于降低整体系统功耗。例如，运动激活唤醒允许在用户不利用该设备时保持整个系统睡眠。然而，还有其他可能性如何利用MEMS加速度计降低整体功耗。

从MEMS加速度计传感器本身开始，它应该在其操作模式下灵活。As depicted in Figure 1. there is a well-known trade-off between sensor’s resolution and its output data rate on one side and the current consumption on the other side – higher the resolution or the data rate, higher the current consumption and vice versa. Fortunately there are sensors on the market that are able to operate at few micro amps and consume couple of nano amps in power down or standby mode.

对于高苛刻的应用，可以在真正需要时，仅使用更高的分辨率和数据速率来改变传感器的操作模式。一些传感器甚至能够自动执行此模式切换。用户配置活动状态下所需的分辨率和数据速率，并定义启用它的条件。然后，传感器被切换到仍然测量数据的非活动状态，但是在非常低的数据速率和分辨率上等待条件（运动事件）切换回到活动状态。

另一个良好的设计实践是利用低电源水平，因为较低的电源电平意味着也降低电流消耗。这就是为什么低功耗应用1.8V电源是优选的。

在一些设计中，可万博投注网址以使用传感器的功率循环。仅当应该测量运动数据时，才能激活传感器的电源，否则传感器断电。This can be even achieved by supplying the sensor from microcontroller’s pin as shown in Figure 2. When applying this technique power consumption budget needs to be calculated properly, because with every start of the sensor it is required to configure it and wait until its outputs are settled to provide correct data.

大多数MEMS加速度计是数字传感器，这意味着它们内部将测量的模拟信号转换为数字数据。由于集成的广告转换器和对信号扭曲的易感性较低，因此较短的材料较短的材料不是唯一的优势。由于嵌入式中断发生器，MEMS加速度计可以在满足某些用户参数化条件时生成触发信号。这是动作激活唤醒的地方。微控制器（MCU）配置传感器以生成唤醒触发器，并将其自身变为非常低的功率睡眠模式。当检测到动作传感器时，将产生中断信号，MCU接收信号，切换到适当的操作模式，最后处理发生的情况。

数字传感器还可以接管与MCU通常在MCU完成的运动处理相关的任务。MCU当然可以做同样的工作，但功率效率低得多 - MILI放大器范围内的MCU，传感器在微放大器范围内。检测像自由落体，单个和双击（类似于鼠标点击的用户动作），纵向/横向检测和其他传感器的纵向检测和其他移动。MCU不需要进行任何计算，只需等待中断触发并仅在发生时对移动反应。

数字传感器通常集成可配置过滤器，该滤波器正在刚刚测量调节加速数据。这些可以是低通，高通甚至抗锯齿过滤器，即MCU的预加载数据并将其卸载更多。

在大多数情况下，数据缓冲区在传感器中嵌入的FIFO类型也将降低电流消耗，因为它将允许MCU频繁地读取数据。这样，MCU将能够做出其他任务，睡眠时间更长，并且还节省与传感器串行通信所需的时间。

传感器和MCU之间的串行通信也有助于整体功耗。对于处理每个Micro放大器的非常低的电源应用，串行通信可能产生重大影响。大多数MEMS加速度计通过SPI或I2C接口进行通信。SPI接口在功耗方面更高效三个原因：首先在通信线路上没有提升，导致额外的电流消耗，第二个它支持更高的数据速率和第三个，它在串行协议中具有更少的开销。

无论界面如何，如果不是轮询传感器，则可以实现串行通信的显着降低，i。e。不断要求新数据可用性的状态，应用程序相同使用数据就绪中断。数据就绪中断由传感器自动生成，当它已经完成数据测量和转换，并通过MCU读取新的数据集。激活此中断时，MCU可以在一个读取操作中立即从传感器读取输出数据。

随着所述已经更低的传感器输出数据速率意味着降低电流消耗。So called single data conversion mechanism allows to match perfectly data rate of the sensor with application needs as shown in Figure 3. Using this mechanism measurements are started either by external trigger signal routed on a sensor’s pin or by register write initiated from MCU using serial command. Data acquired this way are then stored inside the sensor. Sensor can also initiate a data ready interrupt signal informing MCU that data conversion has been completed and data is now available to be read by the application. Thanks to this feature data rates even smaller than 1Hz or basically any other rates beside the pre-defined ones are achievable.

我们已经讨论了MEMS加速度计传感器的功能对低功耗应用很重要，以及如何在系统设计中使用它们。STMicroelectronics’ latest ultra-low-power 3-axis MEMS accelerometer LIS2DW12 brings flexibility in designing new applications with accelerometer sensor thanks to its very low current consumption down to 1uA, number of operating modes, wide range of output data rates, rich set of embedded digital features, high temperature stability and enhanced features like digital filters and FIFO buffer. By seeing this we are convinced many low power applications will take benefits of LIS2DW12. The sensor will bring advantage for its users, in particular in the following listed areas: motion-activated functions and user interfaces, smart power saving for handheld devices, motion detection for appliances and impact recognition logging for wireless sensor nodes.