ADuCM3027/ADuCM3029中的SensorStrobe、超低功耗、時(shí)間同步傳感器數(shù)據(jù)采樣

　　簡介

　　與一個(gè)精確時(shí)間同步的傳感器精密采樣，是建筑健康監(jiān)控、可穿戴式設(shè)備、環(huán)境檢測(cè)等各類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。傳感器數(shù)據(jù)采樣由微控制器單元(MCU)支配。傳統(tǒng)方法是利用MCU上的軟件產(chǎn)生通用輸入/輸出(GPIO)脈沖，然后以特定間隔觸發(fā)傳感器收集數(shù)據(jù)。

　　傳統(tǒng)方法有兩個(gè)問題。一是涉及到相當(dāng)大的軟件開銷，這會(huì)提高功耗。二是脈沖觸發(fā)取決于MCU軟件，因此可能隨著時(shí)間推移而發(fā)生漂移。

　　本應(yīng)用筆記介紹ADI公司的SensorStrobe?機(jī)制，利用它可實(shí)現(xiàn)低功耗、一致、同步的傳感器數(shù)據(jù)采集。

　　ADuCM3027/ADuCM3029具備SensorStrobe機(jī)制。此機(jī)制支持與ADuCM3027/ADuCM3029 MCU相連的傳感器實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采樣。

　　SensorStrobe解決了傳統(tǒng)軟件方法的問題，理由如下：

　　? 工作在休眠模式，功耗降低10倍以上。

　　? 設(shè)置之后無需軟件干預(yù)。

　　? 脈沖觸發(fā)機(jī)制獨(dú)立于軟件執(zhí)行，即使在軟件執(zhí)行期間也能產(chǎn)生連續(xù)觸發(fā)脈沖(且無漂移)。

　　本應(yīng)用筆記使用一個(gè)示例設(shè)置，其中ADuCM3027/ADuCM3029 MCU連接到ADXL363加速度計(jì)，以證明利用SensorStrobe機(jī)制采集樣本數(shù)據(jù)時(shí)功耗降低超過10倍。將SensorStrobe機(jī)制與非SensorStrobe的軟件方法進(jìn)行比較，這一降幅是很明顯的。

　　圖1.ADuCM3027/ADuCM3029和ADXL363連接圖

　　目錄

　　簡介1

　　修訂歷史2

　　SensorStrobe概述3

　　ADXL363特性3

　　系統(tǒng)描述5

　　MCU和ADXL363之間的接口5

　　數(shù)據(jù)傳輸序列6

　　軟件概述7

　　源代碼片段8

　　ADXL363 FIFO讀操作10

　　系統(tǒng)功耗分析11

　　功耗測(cè)量11

　　結(jié)語13

　　結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控(SHM)13

　　醫(yī)療保健監(jiān)護(hù)13

　　環(huán)境檢測(cè)13

　　修訂歷史

　　2017年3月—修訂版0：初始版

　　SENSORSTROBE概述

　　SensorStrobe是一種以高效率、低功耗、內(nèi)在同步的方式進(jìn)行傳感器采樣的機(jī)制。ADuCM3027/ADuCM3029支持這種機(jī)制。SensorStrobe可以在ADuCM3027/ADuCM3029的活動(dòng)、靈活(Flexi?)和休眠三種功耗模式下使用。

　　SensorStrobe機(jī)制允許ADuCM3027/ADuCM3029處于休眠模式(750 nA)，同時(shí)傳感器以固定間隔周期性收集數(shù)據(jù)。

　　SensorStrobe機(jī)制與ADXL363的外部觸發(fā)特性相結(jié)合，以最低可能功耗收集傳感器數(shù)據(jù)。

　　SensorStrobe是ADuCM3027/ADuCM3029中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的一種報(bào)警功能。通過此機(jī)制，ADuCM3027/ADuCM3029為ADXL363加速度計(jì)提供外部觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)位于RTC1_SS1 (RTC SensorStrobe)引腳上，是通過ADuCM3027/ADuCM3029上的單一GPIO驅(qū)動(dòng)出來的低頻時(shí)鐘源(32 kHz)的單周期、高電平脈沖。此脈沖是周期性的，確保傳感器采樣時(shí)間無變化，而其周期具有高度可配置性。

　　ADXL363特性

　　ADXL363是一款超低功耗、三傳感器器件，集三軸微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)、溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入于一體，用于同步采樣外部信號(hào)。

　　ADXL363有一個(gè)512樣本先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器用以存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)。這種大FIFO可節(jié)省系統(tǒng)功耗。在ADXL363將數(shù)據(jù)自主記錄到FIFO緩沖器的同時(shí)，MCU可以處于休眠模式。

　　ADXL363配置為外部觸發(fā)模式。ADuCM3027/ADuCM3029在RTC_SS引腳上產(chǎn)生這些觸發(fā)脈沖。每個(gè)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，ADXL363便收集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到FIFO(最多512個(gè)樣本，每樣本兩個(gè)字節(jié))緩沖器中。

　　對(duì)ADXL363進(jìn)行編程，當(dāng)FIFO緩沖器達(dá)到480樣本(每樣本兩個(gè)字節(jié))的水印時(shí)，它便中斷并喚醒MCU。使用水印特性可以讓FIFO留下余地以供接收更多樣本，與此同時(shí)，MCU喚醒并開始清空FIFO緩沖器。

　　ADXL363支持通過串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行寄存器讀寫訪問。訪問可以是單字節(jié)或多字節(jié)訪問。實(shí)現(xiàn)FIFO緩沖器的目的是通過不限長度的多字節(jié)讀取來連續(xù)讀取連貫的樣本。因此，一個(gè)FIFO緩沖器讀指令便可清空FIFO緩沖器的全部內(nèi)容。

　　而在其他加速度計(jì)中，每個(gè)讀指令只能檢索到一個(gè)樣本。此外，ADXL363 FIFO緩沖器還可以利用ADuCM3027/ADuCM3029直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)控制器清空。

　　利用SPI接口的讀命令模式，ADuCM3027/ADuCM3029與ADXL363高效通信，通過減少SPI協(xié)議開銷來降低系統(tǒng)整體功耗。

　　圖2.數(shù)據(jù)序列圖

　　系統(tǒng)描述

　　我們構(gòu)建了一個(gè)示例系統(tǒng)來說明使用SensorStrobe的優(yōu)點(diǎn)。此系統(tǒng)包括一個(gè)EVAL-ADuCM3029 EZ-KIT萬用表和電流源表。這些系統(tǒng)器件串聯(lián)起來測(cè)量系統(tǒng)電流消耗。

　　圖3.電流測(cè)量的系統(tǒng)連接

　　MCU和ADXL363之間的接口

　　一步說明。

　　使能ADuCM3027 /ADuCM3029的SensorStrobe機(jī)制，并將ADuCM3027 /ADuCM3029置于休眠模式。觸發(fā)脈沖以128 Hz速率產(chǎn)生。

　　每收到一個(gè)脈沖，ADXL363便獲取樣本并將其存儲(chǔ)在FIFO緩沖器中。當(dāng)達(dá)到FIFO上水印時(shí)，ADXL363便通過SYS_WAKE3 (P2_01)引腳中斷ADuCM3027 /ADuCM3029。

　　ADuCM3027 /ADuCM3029利用讀模式特性通過單個(gè)命令清空整個(gè)FIFO，使SPI協(xié)議開銷最小。DMA控制器可以清空FIFO緩沖器，進(jìn)一步降低MCU的工作時(shí)間和系統(tǒng)電流消耗。

　　通過SensorStrobe，ADuCM3027/ADuCM3029即便在休眠模式下也能在GPIO43引腳上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。脈沖產(chǎn)生配置取決于RTC1寄存器和GPIO引腳復(fù)用。

　　在靈活模式下，DMA可以傳輸SPI數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

　　數(shù)據(jù)傳輸序列

　　MCU收集傳感器數(shù)據(jù)分兩個(gè)階段進(jìn)行。圖4和圖5顯示了這些階段中的信號(hào)活動(dòng)情況。

　　首先，RTC1_SS1引腳充當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)，ADXL363收集樣本并存儲(chǔ)到FIFO緩沖器中。然后，ADXL363 FIFO緩沖器通過SPI讀取內(nèi)容。

　　圖4.第一階段——數(shù)據(jù)采集階段：RTC_SS觸發(fā)ADXL363

　　圖5.第二階段——數(shù)據(jù)傳輸至MCU：通過SPI讀取ADXL363 FIFO