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使用加速度计的低功率模式和自动唤醒/休眠模式 |
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作者：飞思卡尔半导体 Kimberly Tuck |
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加速度计是常用于手持电子和/或电池供电的电子器件。整个系统的耗电量是产品设计的重要特性。用户希望不必不断地为电池充电或放电。设计加速度计时，电池用电量通常是许多客户用户关心的重要特性。因此，传感器以及整个系统的耗电量应该是最重要的设计考虑事项。
如果系统处理器通常只用于处理来自加速度计的数据，那么最好是将智能嵌入传感器，避免系统处理器连续运行而负载过重。飞思卡尔半导体推出最新动作传感技术——MMA8450Q加速度传感器，MMA8450Q中的智能特性包括：内置中断驱动的功能和数据速率的可选择性所带来的灵活性，以及分辨率、响应时间和电流之间的折衷平衡。
本文旨在阐释下列各项：
● 如果对低功耗的需求高于高分辨率， 则MMA8450Q能够降低所有ODR的部件的功耗，从而大幅节省整体系统耗电量。
● 提供各种情况下正常模式和省电模式的有效位数量以及耗电量。
● 内置功能允许系统MCU或处理器进入休眠模式，等待来自加速度计的中断。处理器不需要连续不断地接入和检测数据。这与连续轮询XYZ数据相比有很多优势，能够节省96%的总能耗，无线产品的电池能够持续更长的时间。
● 对于要求数据记录的应用，或等待一个事件，查看触发该事件的准确数据时，FIFO具有极大的节能潜力。处理器/MCU可以进入休眠模式，只有当FIFO数据满或发生中断时才唤醒并刷新数据，而不必每个采样时都接入数据。节电范围从78%到96%或更高，取决于所选MCU和ODR的情况。
● MMA8450Q可以用于在不同的ODR之间循环，降低设备的耗电量。可以利用5个可编程功能实现上述目标。
省电模式与正常模式的对比
不同的可选输出数据速率下，耗电程度不一样。省电模式在Register 0×39系统控制寄存器2，位 0中设置。如果清除该位，设备则进入正常模式。如果设置了该位，则设备进入省电模式。注意在省电模式下，耗电量会降低，但是这种优势的代价是高噪声。省电模式下内部休眠时间更长、平均数据更少，因此降低了耗电量。位有效数量的变化大约是0.6至0.7位。对于需要高分辨率且耗电量最低的应用，需要进行折衷平衡。表1、不同数据速率下使用FIFO节省的电能
 还要注意比较不同采样频率下的耗电量时，耗电量保持在1.56 Hz到50 Hz之间不变。这是耗电量和噪声之间的权衡。在低采样频率下，器件平均数据，改进噪声性能。在1.56 Hz频率下，器件比在50 Hz下多平均32个采样。在50 Hz的正常模式下，器件通常有7.8个有效（无噪声）位，而在1.56 Hz下，器件有10.2个有效（无噪声）位。
在终端系统应用中的节能功能
加速度计大多数情况下应用在使用电池供电的便携式器件中。电池寿命最重要，而降低能耗的能力取决于应用中需要执行的操作。在大多数场景中，应优先关闭一切，只有在需要时才尽可能快而高效地唤醒，执行需要的操作。这通常取决于用户显示器、显示器需要开启多久以及唤醒该单元的方式。
有时，如果处理器需要开启并不断运行，可以“变速”总线时钟速率来实现节能目的，也就是说，在快慢时钟模式间进行切换，而不是在运行和停止之间跳变。内置FIFO是经过验证的一个优势，因为它限制处理器需要读取数据的频率。FIFO在非电池供电的应用中也是一种优势，因为它能够再次提高计算吞吐量，不需要在每次进行新采样时都中断处理器。
大多数MCU/处理器都能够通过外部中断离开休眠状态，这正是为什么MMA8450Q能够用于“震动唤醒”或“倾斜唤醒”等。这也证明了MMA8450Q的先进功能的优势所在。多个MCU/处理器还可以通过内部中断唤醒，通常基于定时器间隔——也就是说，每100 ms唤醒一次等。这可以用来执行某些定期整理功能（如一天中定时进行），可以包括利用软件扫描加速度计和处理其数据。关掉MCU的电源与从休眠模式唤醒相比，几乎没有任何意义，因为唤醒总是比冷启动更快。唤醒时间差别会很大，取决于MCU或处理器。例如，某些飞思卡尔的8位MCU能够在6 μs内从休眠/停止模式唤醒，而其它处理器可能要用大约3 ms。MCU/处理器的快速唤醒时间能够高效地在休眠和唤醒状态之间进行切换。
MMA8450Q在器件中有许多内置功能，让主机处理器不必连续采样XYZ数据，并运行各种算法用于动作检测、方向检测、自由跌落或快速晃动。器件有识别这些内置事件的内部智能，一旦检测到事件便可以改变采样频率。例如，在远程控制器应用中，没人使用时，遥控器大部分时间都静止地放在桌上。MMA8450Q可以配置为在休眠模式下使用较低的采样频率（50 Hz），然后当用户拿起遥控，加速度计会切换到唤醒模式下的更快采样频率(400Hz)，能够识别更快的移动动作姿势。必须启用和配置保持器件处于唤醒模式的内置模块。例如，方向检测能够配置为与动作检测一起唤醒器件。方向或动作的所有变化都会使器件处于较高的采样频率。器件停止移动时，会返回休眠状态，节省电能。
使用FIFO数据记录省电
FIFO有助于节省系统总能耗，将处理器放入休眠模式，直到需要处理来自加速度计的数据时才唤醒。思路是，配置MMA8450Q监控想要的中断，将处理器放入省电模式，直到需要响应加速度计时才唤醒。这样最大程度地增加了处理器的休眠或省电模式下的时间，最终会实现系统总能耗的最小化，增加电池寿命。FIFO允许处理器在传感器内部收集采样时休眠更长时间。这还最大程度地减少了I2C总线上的流量。
应谨慎选择数据速率的定时和总线速率。例如，将加速度计进入省电模式，以50 Hz (20 ms) 进行采样，FIFO在数据满溢模式下运行，并启用FIFO中断。中断将用于触发处理器唤醒，进行中断，并刷新这32个采样。新数据在刷新过程中不能保存到FIFO里。因此处理器必须唤醒，进行中断，并在下一个采样前的20 ms内刷新数据。
使用FIFO一次抽出所有32个采样能够节省开销。这允许应用处理器能够进行其它操作或在省电模式下保持更长时间。在400 Hz下进行采样时，每2.5 ms就会有一个新采样，不允许在不丢失采样的情况下花费很多时间用于唤醒和刷新。在400 Hz下，配置FIFO避免丢失数据的最佳方式是设置30个采样的水印。这是触发中断处理器唤醒的条件。然后，当确认了溢出标记时，每16个采样（12位数据）刷新一次，这需要2.475ms。处理器会立即进入休眠模式，并继续通过该模式循环，在水印时唤醒，确认了溢出标记时刷新最后16个采样。刷新8位采样时，FIFO应有足够的时间来刷新整个缓存器。
根据表1，这些值可以与典型锂电池支持一部手机的时长相关。这表示与电池使用寿命相关的节能。节能比例仅适用于应用处理器。一块示例手机电池存储1200 mA小时。根据该信息进行的比较。这显示了与唤醒和休眠状态之间采用FIFO和循环方式相比，处理器连续轮询数据时所有采样频率的总耗电量（处理器+加速度计）。
当处理器连续运行时，加速度计的耗电量对电池使用寿命的影响很小，因为处理器耗电量大大多于加速度计，因此在大多数情况下，加速度计的电流几乎可以忽略。典型锂电池会持续大约4天，连续轮询数据。使用加速度计将处理器放在休眠模式下的功能，对电池使用寿命的影响很大。
正常模式下使用最高采样频率时，与在处理器连续运行的情况下轮询数据相比，电池的使用寿命增加了4.2倍。在省电模式下使用最低采样频率时，节省的电能可实现22.6倍更长的电池使用寿命。
FIFO的另一个用途是能够分析截止中断触发事件那一刻发生的数据。设置了事件的中断标记后，能够刷新FIFO（配置在循环模式下），提取事件之前的32个数据采样。如果希望中断后，FIFO将数据保存在FIFO里，那么只能在从唤醒切换到休眠模式时才能进行。否则，必须在事件后刷新FIFO，以便将数据保存在处理器，进行深入分析。配置Single Tap（单击），并为循环缓冲模式配置FIFO，以400 Hz的频率运行。设置了敲打中断标记时，在中断的15 ms内读取FIFO，收集敲打（Tap）的完整签名，分析事件之前的数据以及事件过程中的数据。在很长的时间内跟踪事件时，该技术特别重要。MCU或处理器能够保持休眠模式，直到触发事件，它能够大幅节省电能。
配置MMA8450Q进入自动唤醒/休眠模式
MMA8450Q能够配置为根据所选的不同事件，在不同的采样频率之间（不同的耗电量）进行切换。通过支持休眠模式并设置超时时间，可实现该功能。然后必须设置中断功能，将器件唤醒。使用自动唤醒/休眠功能的优势在于：系统能够根据需要自动切换到更高的采样频率（更大的耗电量），但是大部分时间都处于休眠模式（低能耗），在休眠模式下，器件不需要高采样频率。可以在所选的事件上全部触发。也可以与低功率模式位（Reg 0×39 位 0）配合使用该功能，最大程度地降低耗电量。必须启用所选的内置功能，如果要使用这些功能唤醒器件，那么同样的相应功能必须设为“Wake From Sleep”（从休眠模式唤醒）。所有已启用的功能在休眠ODR下在休眠模式都仍然能够工作。只有那些选择用于“WakeFrom Sleep”（从休眠模式唤醒）的功能才能唤醒器件。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/7/2010) |
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