ADuCM3027/ADuCM3029中的SensorStrobe、超低功耗、時間同步傳感器數據采樣

　　簡介

　　與一個精確時間同步的傳感器精密采樣，是建筑健康監控、可穿戴式設備、環境檢測等各類無線傳感器網絡應用的要求。傳感器數據采樣由微控制器單元(MCU)支配。傳統方法是利用MCU上的軟件產生通用輸入/輸出(GPIO)脈沖，然后以特定間隔觸發傳感器收集數據。

　　傳統方法有兩個問題。一是涉及到相當大的軟件開銷，這會提高功耗。二是脈沖觸發取決于MCU軟件，因此可能隨著時間推移而發生漂移。

　　本應用筆記介紹ADI公司的SensorStrobe?機制，利用它可實現低功耗、一致、同步的傳感器數據采集。

　　ADuCM3027/ADuCM3029具備SensorStrobe機制。此機制支持與ADuCM3027/ADuCM3029 MCU相連的傳感器實現時間同步的數據采樣。

　　SensorStrobe解決了傳統軟件方法的問題，理由如下：

　　? 工作在休眠模式，功耗降低10倍以上。

　　? 設置之后無需軟件干預。

　　? 脈沖觸發機制獨立于軟件執行，即使在軟件執行期間也能產生連續觸發脈沖(且無漂移)。

　　本應用筆記使用一個示例設置，其中ADuCM3027/ADuCM3029 MCU連接到ADXL363加速度計，以證明利用SensorStrobe機制采集樣本數據時功耗降低超過10倍。將SensorStrobe機制與非SensorStrobe的軟件方法進行比較，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

　　系統描述5

　　MCU和ADXL363之間的接口5

　　數據傳輸序列6

　　軟件概述7

　　源代碼片段8

　　ADXL363 FIFO讀操作10

　　系統功耗分析11

　　功耗測量11

　　結語13

　　結構健康監控(SHM)13

　　醫療保健監護13

　　環境檢測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、內在同步的方式進行傳感器采樣的機制。ADuCM3027/ADuCM3029支持這種機制。SensorStrobe可以在ADuCM3027/ADuCM3029的活動、靈活(Flexi?)和休眠三種功耗模式下使用。

　　SensorStrobe機制允許ADuCM3027/ADuCM3029處于休眠模式(750 nA)，同時傳感器以固定間隔周期性收集數據。

　　SensorStrobe機制與ADXL363的外部觸發特性相結合，以最低可能功耗收集傳感器數據。

　　SensorStrobe是ADuCM3027/ADuCM3029中的實時時鐘(RTC)的一種報警功能。通過此機制，ADuCM3027/ADuCM3029為ADXL363加速度計提供外部觸發信號。觸發信號位于RTC1_SS1 (RTC SensorStrobe)引腳上，是通過ADuCM3027/ADuCM3029上的單一GPIO驅動出來的低頻時鐘源(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，集三軸微機電系統(MEMS)加速度計、溫度傳感器和模數轉換器(ADC)輸入于一體，用于同步采樣外部信號。

　　ADXL363有一個512樣本先進先出(FIFO)緩沖器用以存儲傳感器數據。這種大FIFO可節省系統功耗。在ADXL363將數據自主記錄到FIFO緩沖器的同時，MCU可以處于休眠模式。

　　ADXL363配置為外部觸發模式。ADuCM3027/ADuCM3029在RTC_SS引腳上產生這些觸發脈沖。每個觸發脈沖到來時，ADXL363便收集并存儲數據到FIFO(最多512個樣本，每樣本兩個字節)緩沖器中。

　　對ADXL363進行編程，當FIFO緩沖器達到480樣本(每樣本兩個字節)的水印時，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，MCU喚醒并開始清空FIFO緩沖器。

　　ADXL363支持通過串行外設接口(SPI)進行寄存器讀寫訪問。訪問可以是單字節或多字節訪問。實現FIFO緩沖器的目的是通過不限長度的多字節讀取來連續讀取連貫的樣本。因此，一個FIFO緩沖器讀指令便可清空FIFO緩沖器的全部內容。

　　而在其他加速度計中，每個讀指令只能檢索到一個樣本。此外，ADXL363 FIFO緩沖器還可以利用ADuCM3027/ADuCM3029直接存儲器訪問(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協議開銷來降低系統整體功耗。

　　圖2.數據序列圖

　　系統描述

　　我們構建了一個示例系統來說明使用SensorStrobe的優點。此系統包括一個EVAL-ADuCM3029 EZ-KIT萬用表和電流源表。這些系統器件串聯起來測量系統電流消耗。

　　圖3.電流測量的系統連接

　　MCU和ADXL363之間的接口

　　一步說明。

　　使能ADuCM3027 /ADuCM3029的SensorStrobe機制，并將ADuCM3027 /ADuCM3029置于休眠模式。觸發脈沖以128 Hz速率產生。

　　每收到一個脈沖，ADXL363便獲取樣本并將其存儲在FIFO緩沖器中。當達到FIFO上水印時，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命令清空整個FIFO，使SPI協議開銷最小。DMA控制器可以清空FIFO緩沖器，進一步降低MCU的工作時間和系統電流消耗。

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

　　在靈活模式下，DMA可以傳輸SPI數據，進一步降低系統功耗。

　　數據傳輸序列

　　MCU收集傳感器數據分兩個階段進行。圖4和圖5顯示了這些階段中的信號活動情況。

　　首先，RTC1_SS1引腳充當外部觸發信號，ADXL363收集樣本并存儲到FIFO緩沖器中。然后，ADXL363 FIFO緩沖器通過SPI讀取內容。

　　圖4.第一階段——數據采集階段：RTC_SS觸發ADXL363

　　圖5.第二階段——數據傳輸至MCU：通過SPI讀取ADXL363 FIFO