妙用MEMS加速度计 + 高通滤波器组合“砍”系统功耗

MEMS加速度计已成为行动装置省电设计的重要元件。内建高通滤波器并具备自由落体侦测功能的加速度计，能藉由一支中断接脚为处理器提供可靠的唤醒和无动作侦测讯号，让手机系统毋须完全启动处理器，即可达成省电模式的切换，进一步节省功耗。

　　智慧型手机和平板装置为延长使用时间，通常会采用屏幕省电设计，因此，不管用户在使用后是否有动作发生，屏幕都会自动关闭节省能源；若要重新使用功能，就必须再次打开屏幕。

　　近来随着微机电系统（MEMS）感测元件技术的成熟，装置开发人员在自动打开和关闭萤幕的设计方面，已可透过加速度计的中断接脚执行唤醒和非动作侦测，让系统内部的微处理器只须监测加速度计中断输出接脚的脉衝沿转变，毋须再读取中断讯号源的暂存器，更进一步达成省电效果。

　　节省系统功耗　加速度计/MPU巧妙配合

　　数位MEMS加速度计通常有一支或两支中断输出接脚，用于连接外部微处理器（MPU）的输入/输出（I/O）接脚。加速度计可在后台侦测加速度或动作，同时微处理器可执行其他任务，或保持在省电的睡眠模式，当加速度计侦测到一个中断事件时，微处理器被从睡眠模式唤醒，查看该中断是否须处理。

　　同时，MEMS加速度计亦可输出不同类型的中断讯号，例如资料就绪、自由落体、竖屏/横屏旋转、按一下/按两下或衝击力侦测等。不仅如此，某些加速度计还内建唤醒和无动作侦测功能，能根据动作强度，在低功耗的低输出速率（ODR）模式和正常模式的高资料速率之间自动转换；但是，这项功能只节省加速度计本身的功耗。

　　为进一步节省系统整体耗电量，某些微处理器有两个或更多个通用输入输出（GPIO）接脚，用户可使用加速度计的两个中断输出接脚实现唤醒和动作侦测两项功能。不过，在某些情况下，微处理器只有一个GPIO用作中断处理，而用户想还用一个中断接脚实现两项功能，其中，如何在一个中断输出接脚上使用高通滤波器 （HPF）和自动落体AND逻辑，侦测唤醒动作和无动作条件，且微处理器毋须参与侦测过程的省电设计，已成为开发人员关注重点。

　　一般来说，当微处理器收到加速度计中断讯号的上升沿（Rising Edge），表示手持装置处于非动作状态，收到下降沿时，则代表设备处于动作状态。图1是加速度计与主处理器或微控制器（MCU）的典型硬体连接图，在初始化过程中，系统在I2C或串列周边介面（SPI）通电时，主处理器只须与加速度计沟通一次，然后加速度计就会在后台连续监测动作事件，功耗非常低。

　　图1 主处理器与加速度计的硬体连接架构图

　　改变INT1接脚位準　加速度计实现省电模式

　　事实上，加速度计的INT1接脚是推挽式输出（Push-pull Output），所以预设为高位准触发，使用者可根据自己的实际应用将其改为开漏输出或低位准触发。当高位准触发时，INT1接脚的最低电压是 0.9×Vdd_IO，而低位准触发时，最高电压是0.1×Vdd_IO，而加速度计Vdd_IO能与主处理器数位电压、Vcc_IO灵活匹配。如果主处理器只有一个电源，可将加速度计的Vdd和Vdd_IO连在一起，直接连到电源。

　　一旦行动装置在静止状态超过规定时间，加速度计将会通过INT1接脚发出从低位准向高位准转变的上升沿中断讯号，此时，主处理器将关闭其他元件，进入睡眠省电模式。除非主处理器侦测到动作事件，加速度计才会发送一个从高位准向低位准转变的下降沿的中断讯号，随后，主处理器将被唤醒并打开其他元件，使设备正常工作。

　　相反的，行动装置在正常工作模式下保持动作状态，加速度计INT1接脚上的中断讯号将保持低位准，如果装置在任何倾斜位置始终保持静止状态，则加速度计中断讯号始终保持高位准。因此，主处理器能够定期读取加速度计INT1接脚的位准，再次检查手持装置处于静止状态还是动作状态。

　　在意法半导体（ST）开发的LIS3DH数位加速度计代码示例中（图2），INT1_CFG配置与自由落体事件侦测相同，不同之处则是自由落体中断无须使用高通滤波器，且自由落体时长在毫秒範围内，运算逻辑如图3所示。

　　图2 数位加速度计代码示例

　　图3 加速度计INT1运算逻辑

　　当手持装置在任何倾斜位置保持静止状态超过5秒后，加速度计INT1接脚将从低位准转变为高位准，因为在使用高通滤波器后，X/Y/Z轴加速度均在±125mg THS内。此外，手持装置的自由落体事件不会触发INT1接脚从低位准转变高位准，因为X/Y/Z轴加速度同时在±125mg THS内的时间少于5秒。

　　如果因为动作的原因，X、Y和Z中任何一轴的加速度超过±125mg，且设备继续保持动作状态，INT1接脚就会从高位准转变低位准。

　　当设备进入静止状态还不到5秒再次进入动作状态，则INT1接脚继续保持低位准，若设备再次静止，5秒时长将开始从50最低有效位（LSB）倒数计时，到0LSB终止，输出资料速率为10Hz。

　　加速度计中断接脚省电妙用多

　　显而易见，内建高通滤波器和自由落体侦测功能的加速度计设计解决方案，能够藉由一个中断接脚为微处理器提供可靠的唤醒和无动作侦测中断讯号，让手机节能模式的侦测行为无需微处理器全程参与，进而达成系统省电效果。

　　此外，使用者还可按照自己的应用设计灵活配置加速度计的临界值和时长参数。在功耗方面，此一解决方案的效能高于使用触控萤幕、按键和微处理器计时器开闭萤幕的方法。