妙用MEMS加速度計(jì) + 高通濾波器組合“砍”系統(tǒng)功耗

MEMS加速度計(jì)已成為行動裝置省電設(shè)計(jì)的重要元件。內(nèi)建高通濾波器并具備自由落體偵測功能的加速度計(jì)，能藉由一支中斷接腳為處理器提供可靠的喚醒和無動作偵測訊號，讓手機(jī)系統(tǒng)毋須完全啟動處理器，即可達(dá)成省電模式的切換，進(jìn)一步節(jié)省功耗。

　　智慧型手機(jī)和平板裝置為延長使用時(shí)間，通常會采用屏幕省電設(shè)計(jì)，因此，不管用戶在使用后是否有動作發(fā)生，屏幕都會自動關(guān)閉節(jié)省能源；若要重新使用功能，就必須再次打開屏幕。

　　近來隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）感測元件技術(shù)的成熟，裝置開發(fā)人員在自動打開和關(guān)閉螢?zāi)坏脑O(shè)計(jì)方面，已可透過加速度計(jì)的中斷接腳執(zhí)行喚醒和非動作偵測，讓系統(tǒng)內(nèi)部的微處理器只須監(jiān)測加速度計(jì)中斷輸出接腳的脈衝沿轉(zhuǎn)變，毋須再讀取中斷訊號源的暫存器，更進(jìn)一步達(dá)成省電效果。

　　節(jié)省系統(tǒng)功耗　加速度計(jì)/MPU巧妙配合

　　數(shù)位MEMS加速度計(jì)通常有一支或兩支中斷輸出接腳，用于連接外部微處理器（MPU）的輸入/輸出（I/O）接腳。加速度計(jì)可在后臺偵測加速度或動作，同時(shí)微處理器可執(zhí)行其他任務(wù)，或保持在省電的睡眠模式，當(dāng)加速度計(jì)偵測到一個(gè)中斷事件時(shí)，微處理器被從睡眠模式喚醒，查看該中斷是否須處理。

　　同時(shí)，MEMS加速度計(jì)亦可輸出不同類型的中斷訊號，例如資料就緒、自由落體、豎屏/橫屏旋轉(zhuǎn)、按一下/按兩下或衝擊力偵測等。不僅如此，某些加速度計(jì)還內(nèi)建喚醒和無動作偵測功能，能根據(jù)動作強(qiáng)度，在低功耗的低輸出速率（ODR）模式和正常模式的高資料速率之間自動轉(zhuǎn)換；但是，這項(xiàng)功能只節(jié)省加速度計(jì)本身的功耗。

　　為進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)整體耗電量，某些微處理器有兩個(gè)或更多個(gè)通用輸入輸出（GPIO）接腳，用戶可使用加速度計(jì)的兩個(gè)中斷輸出接腳實(shí)現(xiàn)喚醒和動作偵測兩項(xiàng)功能。不過，在某些情況下，微處理器只有一個(gè)GPIO用作中斷處理，而用戶想還用一個(gè)中斷接腳實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能，其中，如何在一個(gè)中斷輸出接腳上使用高通濾波器 （HPF）和自動落體AND邏輯，偵測喚醒動作和無動作條件，且微處理器毋須參與偵測過程的省電設(shè)計(jì)，已成為開發(fā)人員關(guān)注重點(diǎn)。

　　一般來說，當(dāng)微處理器收到加速度計(jì)中斷訊號的上升沿（Rising Edge），表示手持裝置處于非動作狀態(tài)，收到下降沿時(shí)，則代表設(shè)備處于動作狀態(tài)。圖1是加速度計(jì)與主處理器或微控制器（MCU）的典型硬體連接圖，在初始化過程中，系統(tǒng)在I2C或串列周邊介面（SPI）通電時(shí)，主處理器只須與加速度計(jì)溝通一次，然后加速度計(jì)就會在后臺連續(xù)監(jiān)測動作事件，功耗非常低。

　　圖1 主處理器與加速度計(jì)的硬體連接架構(gòu)圖

　　改變INT1接腳位準(zhǔn)　加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)省電模式

　　事實(shí)上，加速度計(jì)的INT1接腳是推挽式輸出（Push-pull Output），所以預(yù)設(shè)為高位準(zhǔn)觸發(fā)，使用者可根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用將其改為開漏輸出或低位準(zhǔn)觸發(fā)。當(dāng)高位準(zhǔn)觸發(fā)時(shí)，INT1接腳的最低電壓是 0.9×Vdd_IO，而低位準(zhǔn)觸發(fā)時(shí)，最高電壓是0.1×Vdd_IO，而加速度計(jì)Vdd_IO能與主處理器數(shù)位電壓、Vcc_IO靈活匹配。如果主處理器只有一個(gè)電源，可將加速度計(jì)的Vdd和Vdd_IO連在一起，直接連到電源。

　　一旦行動裝置在靜止?fàn)顟B(tài)超過規(guī)定時(shí)間，加速度計(jì)將會通過INT1接腳發(fā)出從低位準(zhǔn)向高位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的上升沿中斷訊號，此時(shí)，主處理器將關(guān)閉其他元件，進(jìn)入睡眠省電模式。除非主處理器偵測到動作事件，加速度計(jì)才會發(fā)送一個(gè)從高位準(zhǔn)向低位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的下降沿的中斷訊號，隨后，主處理器將被喚醒并打開其他元件，使設(shè)備正常工作。