Mit MEMS-Beschleunigungssensoren den System-Stromverbrauch senken

Der wohl bekannteste Mechanismus von MEMS-Beschleunigungssensoren den Stromverbrauch zu senken ist die bewegungsinduzierte Aktivierung, mit der das Gesamtsystem im Sleep-Zustand verbleibt, solange es vom Anwender nicht benutzt wird. Besitzt der Sensor jedoch zusätzliche, flexible Betriebsarten, gibt es zahlreiche weitere Möglichkeiten, den Stromverbrauch im System zu senken.

Bild 1: Zwischen Auflösung / Datenrate und Stromverbrauch ist bei MEMS-Beschleunigungssensoren ein Kompromiss notwendig. ST Microelectronics

Bild 1 veranschaulicht den bekannten Kompromiss, den es zwischen der Auflösung und Ausgangs-Datenrate eines Sensors und seinem Stromverbrauch zu schließen gilt. Je höher die Auflösung oder die Datenrate ist, umso größer ist der Stromverbrauch und umgekehrt. Auf dem Markt gibt es jedoch auch Sensoren, die sich im aktiven Betrieb mit wenigen Mikroampere begnügen und im Power-Down- oder Standby-Modus nur noch einige Nanoampere aufnehmen.

In anspruchsvollen Anwendungen lässt sich die Betriebsart des Sensors rasch wechseln, sodass die höhere Auflösung und die größere Datenrate nur dann aktiv sind, wenn sie tatsächlich benötigt werden. Einige Sensoren können diesen Betriebsartwechsel sogar selbsttätig vornehmen. Der Anwender muss hier nur die im aktiven Status gewünschte Auflösung und Datenrate festlegen und eine Bedingung für deren Aktivierung definieren. Anschließend wird der Sensor in den inaktiven Zustand versetzt, in dem er allerdings weiter Daten aufnimmt – wenn auch mit sehr geringer Datenrate und Auflösung – und auf ein Bewegungsereignis als Bedingung für die Rückkehr in den aktiven Status wartet.

Power-Cycling

Bild 2: Die Stromversorgung des Sensors lässt sich über einen Pin des Mikrocontrollers steuern. ST Microelectronics

Eine weitere sinnvolle Designpraxis ist es, eine niedrige Versorgungsspannung zu wählen, da eine geringere Spannung auch die Stromaufnahme reduziert. Aus diesem Grund bevorzugen Low-Power-Applikationen eine Versorgungsspannung von 1,8 V. In bestimmten Anwendungen bietet sich außerdem das Power-Cycling des Sensors an. Hierbei wird die Stromversorgung des Sensors nur dann eingeschaltet, wenn tatsächlich Bewegungsdaten gemessen werden sollen. Zu allen übrigen Zeiten bleibt der Beschleunigungssensor dagegen abgeschaltet. Dabei kann die Speisung des Sensors beispielsweise aus einem Pin des Mikrocontrollers (MCU) erfolgen (Bild 2). Bei der Anwendung dieser Technik ist jedoch eine sorgfältige Berechnung des Stromverbrauchs-Budgets notwendig, da der Sensor nach jedem Einschalten zunächst eine Konfiguration durchläuft und es einige Zeit dauert, bis sich seine Ausgänge stabilisiert haben und korrekte Daten liefern.

Die meisten MEMS-Beschleunigungssensoren sind digital, wandeln also die gemessenen analogen Signale in digitale Daten um. Neben dem geringeren Bauteileaufwand dank des integrierten A/D-Wandlers und der reduzierten Anfälligkeit für Signalverzerrungen hat dies noch weitere Vorteile. Dank eingebauter Interruptgeneratoren kann der MEMS-Beschleunigungssensor beispielsweise ein Signal setzen, wenn bestimmte, vom Anwender vorgegebene Bedingungen erfüllt sind. Hier hat das bewegungsaktivierte Einschalten seinen Ursprung. Der Mikrocontroller konfiguriert den Beschleunigungssensor so, dass er ein Aufwecksignal generiert, und versetzt sich dann selbst in einen stromsparenden Schlafmodus. Beim Erkennen einer Bewegung erzeugt der Sensor ein Interruptsignal, nach dessen Empfang der Mikrocontroller in die entsprechende Betriebsart wechselt, um mit der aufgetretenen Situation umzugehen.

Die MCU entlasten

Digitale Sensoren können auch weitere, mit der Bewegungsverarbeitung zusammenhängende und sonst vom Mikrocontroller ausgeführte Aufgaben übernehmen. Natürlich könnten solche Aufgaben auch von Mikrocontroller ausgeführt werden, was jedoch wesentlich ineffizienter ist, da die Stromaufnahme der MCU im Milliampere-Bereich liegt, während sich der Beschleunigungssensor mit Mikroampere begnügt. Das Detektieren von Bewegungen wie eines freien Falls oder von Einzel- und Doppel-Tipps (ähnlich wie Mausklicks), das Umschalten zwischen Hoch- und Querformat und mehr lassen sich mit der internen Logik des Sensors realisieren. Die MCU muss hier keine Berechnungen mehr durchführen, sondern kann auf ein Interruptsignal warten und muss somit erst nach einer tatsächlichen Bewegung aktiv werden.

Häufig enthalten digitale Sensoren konfigurierbare Filter zur Aufbereitung der erfassten Bewegungsdaten. Hochpass-, Tiefpass- oder sogar Anti-Aliasing-Filter lassen sich zur Datenaufbereitung einsetzen, was die MCU noch weiter entlastet. Ein in den Sensor eingebauter Datenpuffer (meist ein FIFO-Puffer) trägt ebenfalls zur Verringerung des Stromverbrauchs bei, da die Daten dann seltener von der MCU eingelesen werden müssen. Die MCU kann somit anderen Aufgaben nachgehen oder länger im Schlafmodus bleiben – und nicht zuletzt spart diese Vorgehensweise die Zeit zum seriellen Auslesen der Daten aus dem Sensor ein.

Serielle Kommunikation verringern

Die serielle Kommunikation zwischen Sensor und MCU trägt ebenfalls zum Gesamt-Stromverbrauch bei. In sehr wenig Strom verbrauchenden Anwendungen, in denen es auf jedes Mikroampere ankommt, kann die serielle Kommunikation entscheidend ins Gewicht fallen. Die meisten MEMS-Beschleunigungssensoren kommunizieren per SPI oder I²C, wobei aus Sicht des Stromverbrauchs die SPI-Schnittstelle aus drei Gründen effizienter ist: An den Kommunikationsleitungen fallen die Pull-up-Widerstände weg, die sonst für zusätzlichen Stromverbrauch sorgen, sie unterstützt höhere Datenraten und das serielle Protokoll kommt mit weniger Overhead aus.

Unabhängig von der verwendeten Schnittstelle lässt sich der Umfang der seriellen Kommunikation gravierend verringern, wenn die Applikation anstelle des Pollings, bei dem der Sensor fortlaufend auf das Vorliegen neuer Daten abgefragt wird, auf ein Data-Ready-Interruptsignal setzt. Dieses Interruptsignal wird vom Sensor immer dann gesetzt, wenn das Messen und Umwandeln der Daten beendet ist und ein neuer Datensatz für das Einlesen durch die MCU bereit ist. Nach dem Setzen des Interruptsignals kann die MCU die Ausgangsdaten in einem Durchgang aus dem Sensor auslesen.

Single-Data-Umwandlungsmechanismus

Bild 3: Der Single-Umwandlungsmechanismus erlaubt es, die Datenrate des Sensors genau auf die Applikation abzustimmen. ST Microelectronics

Auch eine geringere Ausgangs-Datenrate des Sensors führt zu weniger Stromverbrauch. Der so genannte Singe-Data-Umwandlungsmechanismus erlaubt es, die Datenrate des Sensors genau auf die Anforderungen der Applikation abzustimmen (Bild 3). Der Mechanismus startet die Messungen entweder durch ein externes Triggersignal, das an einen Pin des Sensors geführt wird, oder durch einen Register-Schreibzugriff, der seitens der MCU mit einem seriellen Befehl initiiert wird. Die daraufhin erfassten Daten werden im Sensor abgelegt. Dieser kann außerdem ein Data-Ready-Interruptsignal setzen um die MCU darüber zu informieren, dass die Umwandlung der Daten abgeschlossen ist und die Daten von der Applikation ausgelesen werden können. Mithilfe dieses Features lassen sich Datenraten unter 1 Hz oder beliebige andere Raten neben den vorgegebenen Werten realisieren.

Flexibilität beim Design

Der LIS2DW12 als der aktuellste Drei-Achsen-MEMS-Beschleunigungssensor mit extrem geringem Stromverbrauch von ST Microelectronics sorgt für Flexibilität beim Design neuer Applikationen. Zu verdanken ist dies seiner sehr geringen Stromaufnahme von teils nur 1 µA, den verschiedenen Betriebsarten, dem weiten Bereich von Ausgangsdatenraten, seiner Vielzahl an eingebauten, digitalen Features, der hohen Temperaturstabilität und den weiteren Features, wie beispielsweise  digitale Filter und FIFO-Puffer. Im Power-Down-Modus verbraucht der Sensor nur noch 50 nA. Von diesen Eigenschaften des Sensors können viele Low-Power-Anwendungen profitieren. Der Sensor bietet zahlreiche Vorteile für Anwender, insbesondere bei bewegungsaktivierten Funktionen und Benutzeroberflächen, bei intelligenten Stromsparfunktionen für Handheld-Geräte, bei der Bewegungserkennung für Geräte und beim Aufzeichnen von Stoßeinwirkungen für drahtlose Sensorknoten.

(na)