ADuCM3027/ADuCM3029中的SensorStrobe、超低功耗、时间同步传感器数据采样

　　简介

　　与一个精确时间同步的传感器精密采样，是建筑健康监控、可穿戴式设备、环境检测等各类无线传感器网络应用的要求。传感器数据采样由微控制器单元(MCU)支配。传统方法是利用MCU上的软件产生通用输入/输出(GPIO)脉冲，然后以特定间隔触发传感器收集数据。

　　传统方法有两个问题。一是涉及到相当大的软件开销，这会提高功耗。二是脉冲触发取决于MCU软件，因此可能随着时间推移而发生漂移。

　　本应用笔记介绍ADI公司的SensorStrobe™机制，利用它可实现低功耗、一致、同步的传感器数据采集。

　　ADuCM3027/ADuCM3029具备SensorStrobe机制。此机制支持与ADuCM3027/ADuCM3029 MCU相连的传感器实现时间同步的数据采样。

　　SensorStrobe解决了传统软件方法的问题，理由如下：

　　• 工作在休眠模式，功耗降低10倍以上。

　　• 设置之后无需软件干预。

　　• 脉冲触发机制独立于软件执行，即使在软件执行期间也能产生连续触发脉冲(且无漂移)。

　　本应用笔记使用一个示例设置，其中ADuCM3027/ADuCM3029 MCU连接到ADXL363加速度计，以证明利用SensorStrobe机制采集样本数据时功耗降低超过10倍。将SensorStrobe机制与非SensorStrobe的软件方法进行比较，这一降幅是很明显的。

　　图1.ADuCM3027/ADuCM3029和ADXL363连接图

　　目录

　　简介1

　　修订历史2

　　SensorStrobe概述3

　　ADXL363特性3

　　系统描述5

　　MCU和ADXL363之间的接口5

　　数据传输序列6

　　软件概述7

　　源代码片段8

　　ADXL363 FIFO读操作10

　　系统功耗分析11

　　功耗测量11

　　结语13

　　结构健康监控(SHM)13

　　医疗保健监护13

　　环境检测13

　　修订历史

　　2017年3月—修订版0：初始版

　　SENSORSTROBE概述

　　SensorStrobe是一种以高效率、低功耗、内在同步的方式进行传感器采样的机制。ADuCM3027/ADuCM3029支持这种机制。SensorStrobe可以在ADuCM3027/ADuCM3029的活动、灵活(Flexi™)和休眠三种功耗模式下使用。

　　SensorStrobe机制允许ADuCM3027/ADuCM3029处于休眠模式(750 nA)，同时传感器以固定间隔周期性收集数据。

　　SensorStrobe机制与ADXL363的外部触发特性相结合，以最低可能功耗收集传感器数据。

　　SensorStrobe是ADuCM3027/ADuCM3029中的实时时钟(RTC)的一种报警功能。通过此机制，ADuCM3027/ADuCM3029为ADXL363加速度计提供外部触发信号。触发信号位于RTC1_SS1 (RTC SensorStrobe)引脚上，是通过ADuCM3027/ADuCM3029上的单一GPIO驱动出来的低频时钟源(32 kHz)的单周期、高电平脉冲。此脉冲是周期性的，确保传感器采样时间无变化，而其周期具有高度可配置性。

　　ADXL363特性

　　ADXL363是一款超低功耗、三传感器器件，集三轴微机电系统(MEMS)加速度计、温度传感器和模数转换器(ADC)输入于一体，用于同步采样外部信号。

　　ADXL363有一个512样本先进先出(FIFO)缓冲器用以存储传感器数据。这种大FIFO可节省系统功耗。在ADXL363将数据自主记录到FIFO缓冲器的同时，MCU可以处于休眠模式。

　　ADXL363配置为外部触发模式。ADuCM3027/ADuCM3029在RTC_SS引脚上产生这些触发脉冲。每个触发脉冲到来时，ADXL363便收集并存储数据到FIFO(最多512个样本，每样本两个字节)缓冲器中。

　　对ADXL363进行编程，当FIFO缓冲器达到480样本(每样本两个字节)的水印时，它便中断并唤醒MCU。使用水印特性可以让FIFO留下余地以供接收更多样本，与此同时，MCU唤醒并开始清空FIFO缓冲器。

　　ADXL363支持通过串行外设接口(SPI)进行寄存器读写访问。访问可以是单字节或多字节访问。实现FIFO缓冲器的目的是通过不限长度的多字节读取来连续读取连贯的样本。因此，一个FIFO缓冲器读指令便可清空FIFO缓冲器的全部内容。

　　而在其他加速度计中，每个读指令只能检索到一个样本。此外，ADXL363 FIFO缓冲器还可以利用ADuCM3027/ADuCM3029直接存储器访问(DMA)控制器清空。

　　利用SPI接口的读命令模式，ADuCM3027/ADuCM3029与ADXL363高效通信，通过减少SPI协议开销来降低系统整体功耗。

　　图2.数据序列图

　　系统描述

　　我们构建了一个示例系统来说明使用SensorStrobe的优点。此系统包括一个EVAL-ADuCM3029 EZ-KIT万用表和电流源表。这些系统器件串联起来测量系统电流消耗。

　　图3.电流测量的系统连接

　　MCU和ADXL363之间的接口

　　一步说明。

　　使能ADuCM3027 /ADuCM3029的SensorStrobe机制，并将ADuCM3027 /ADuCM3029置于休眠模式。触发脉冲以128 Hz速率产生。

　　每收到一个脉冲，ADXL363便获取样本并将其存储在FIFO缓冲器中。当达到FIFO上水印时，ADXL363便通过SYS_WAKE3 (P2_01)引脚中断ADuCM3027 /ADuCM3029。

　　ADuCM3027 /ADuCM3029利用读模式特性通过单个命令清空整个FIFO，使SPI协议开销最小。DMA控制器可以清空FIFO缓冲器，进一步降低MCU的工作时间和系统电流消耗。

　　通过SensorStrobe，ADuCM3027/ADuCM3029即便在休眠模式下也能在GPIO43引脚上产生触发脉冲。脉冲产生配置取决于RTC1寄存器和GPIO引脚复用。

　　在灵活模式下，DMA可以传输SPI数据，进一步降低系统功耗。

　　数据传输序列

　　MCU收集传感器数据分两个阶段进行。图4和图5显示了这些阶段中的信号活动情况。

　　首先，RTC1_SS1引脚充当外部触发信号，ADXL363收集样本并存储到FIFO缓冲器中。然后，ADXL363 FIFO缓冲器通过SPI读取内容。

　　图4.第一阶段——数据采集阶段：RTC_SS触发ADXL363

　　图5.第二阶段——数据传输至MCU：通过SPI读取ADXL363 FIFO