傳感器與IoT融合的應(yīng)用解決方案

從簡(jiǎn)單的正/負(fù)溫度系數(shù)器件到更為成熟的基于光學(xué)的子系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)編碼器和溫度傳感器，感測(cè)一都直是電子系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。

在工業(yè)、汽車和醫(yī)療應(yīng)用中使用傳感器的其中一個(gè)最重要領(lǐng)域就是模擬前端 (AFE)，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程負(fù)責(zé)采集真實(shí)屬性并在數(shù)字域中精確地予以重現(xiàn)。通過(guò)傳感器本身，AFE 可定義整個(gè)系統(tǒng)性能。

在消費(fèi)者領(lǐng)域和更為廣范的 IoT 中，大型應(yīng)用專用傳感器已被小型、高度集成的 MEMS 器件所取代，AFE 也因此被串行總線替代。如此一來(lái)，微控制器的大部分設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)就轉(zhuǎn)移到了系統(tǒng)核心中，尤其是在使用多個(gè)傳感器的應(yīng)用中。這就是如今幫助驅(qū)動(dòng) IoT 的模式，但是在單個(gè)器件引入多個(gè)傳感器將會(huì)出現(xiàn)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

驅(qū)動(dòng)力

基于 MEMS 傳感器(微電子機(jī)械系統(tǒng))的出現(xiàn)意味著電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重大改變，但這種改變并非在一夜之間發(fā)生的。該技術(shù)需要經(jīng)過(guò)多年完善和成本優(yōu)化，不過(guò)最近幾年從智能手機(jī)領(lǐng)域大獲裨益。

一些行業(yè)分析人員認(rèn)為，由于利潤(rùn)收縮，需求趨平，與過(guò)去相比，MEMS 的未來(lái)將更加難以預(yù)測(cè)。但是，可穿戴技術(shù)的不斷興起和 IoT 不可阻擋的增長(zhǎng)勢(shì)頭很可能使 MEMS 技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍然是核心和使能技術(shù)。另外，包括工業(yè)、醫(yī)療和汽車在內(nèi)的成熟市場(chǎng)也是該技術(shù)的積極擁躉，據(jù)估計(jì)，現(xiàn)在每輛車平均含有 20 個(gè) MEMS 傳感器。

在醫(yī)療應(yīng)用中，微流體傳感器開(kāi)始出現(xiàn)在可植入醫(yī)療設(shè)備中。這類應(yīng)用將為制造商提供繼續(xù)投資該技術(shù)的機(jī)會(huì)，最終惠及其他市場(chǎng)。

如今，IoT 可能是最大的機(jī)會(huì)。通過(guò)增加傳感器，我們可以測(cè)量每個(gè)可想到的參數(shù)，從而使日常使用的物品、設(shè)備和服務(wù)變得“更加智能”。這些參數(shù)包括壓力、溫度和慣性(如加速度、方向、位置和廣義運(yùn)動(dòng))。

捕捉一種參數(shù)可極大增加設(shè)備的功能，但將多種參數(shù)融合所得功能會(huì)比單純將各部分加總而得的功能更為強(qiáng)大。“傳感器融合”將幫助驅(qū)動(dòng)新應(yīng)用，是 IoT 的一部分，并因此幫助填充人們所熟悉的“大數(shù)據(jù)”現(xiàn)象。傳感器融合是應(yīng)用到為傳感器輸入帶來(lái)更廣闊語(yǔ)境的術(shù)語(yǔ)，如將俯仰和滾轉(zhuǎn)與地理位置、加速度與經(jīng)過(guò)時(shí)間、溫度與海拔相結(jié)合。它實(shí)際上是推斷測(cè)量以外其他數(shù)據(jù)的過(guò)程，其方式幾乎可以認(rèn)為是智能。

增加智能

傳感器融合解決方案所需的表象智能必然要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。其通常由一個(gè)庫(kù)提供，該庫(kù)可在能夠提供應(yīng)用所需的處理性能的內(nèi)核上運(yùn)行。在許多應(yīng)用中，測(cè)量變化相對(duì)緩慢的物理參數(shù)通?？赏ㄟ^(guò) 32 位甚至 16 位微控制器實(shí)現(xiàn)。

一些制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了完全集成的傳感器集線器，如 Bosch Sensortec 的 BHA250。這種創(chuàng)新器件集成一個(gè)三軸加速計(jì)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的軟件算法，可在集成式可編程“融合器內(nèi)核”微控制器上運(yùn)行。BHA250 本身可用于可穿戴設(shè)備，以檢測(cè)各種形式的活動(dòng)。不過(guò)，如圖 1 所示，它還可以通過(guò) I2C 連接的其他傳感器進(jìn)一步擴(kuò)展，從而解決其他應(yīng)用需求。

圖 1： Bosch Sensortec 的 BHA250 傳感器集線器提供了一個(gè)完全集成的加速計(jì)，并且能夠與其他外部傳感器連接。

“融合器內(nèi)核”可處理 I2C 接口接收到的“原始”傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)寄存器映射傳輸?shù)街鳈C(jī)處理器。這種情況下，主機(jī)處理器可能運(yùn)行其他軟件，如 Bosch Sensortec 的 FusionLib 軟件，一種可結(jié)合加速計(jì)、陀螺儀和地磁傳感器所得測(cè)量結(jié)果的 9 軸解決方案。

該示例很好地演示了傳感器融合如何用于創(chuàng)建數(shù)字域中一個(gè)更詳盡的真實(shí)世界表示。隨著越來(lái)越多傳感器的引入，其將超出慣性傳感器的范圍，包括環(huán)境和光學(xué)技術(shù)。

雖然使用應(yīng)用特定器件(如 BHA250)可能解決這一問(wèn)題，但至少在短期內(nèi)，OEM 也有可能將轉(zhuǎn)向更通用的微控制器 (MCU) 來(lái)開(kāi)發(fā)傳感器融合解決方案?，F(xiàn)在的高性能低功耗 MCU 的額外優(yōu)勢(shì)包括可提供其他外設(shè)、啟用傳感器集線器以成為整個(gè)系統(tǒng)的心臟。

傳感器融合優(yōu)化

由于其自身的特性，通用 MCU 集成外設(shè)應(yīng)用廣泛，不過(guò)，我們通常還需要權(quán)衡價(jià)格、性能、功率和外設(shè)，因此，其最終使用范圍將限制在十分特定的領(lǐng)域。 有鑒于此，為特定終端應(yīng)用優(yōu)化的 MCU 仍十分普遍。尤其是對(duì)于超低功耗應(yīng)用以及最近的傳感器融合更是如此。這類器件的新增產(chǎn)品之一就是 NXP Semiconductors 的 Kinetis KL28Z。

圖 2： Kinetis KL28Z 的框圖，為傳感器融合應(yīng)用優(yōu)化的 MCU。

該器件基于 ARM® Cortex®-M0+ 內(nèi)核，旨在為特定性能盡可能提供最低功耗，并將傳感器集線器列為其目標(biāo)應(yīng)用之一。如圖 2 所示，它集成了許多模擬特性和各種數(shù)字接口，包括一個(gè)可仿真各種標(biāo)準(zhǔn)接口的 FlexIO 模塊。該器件還集成了許多安全特性，包括支持 AES/DES/3DES/MD5/SHA 和真數(shù)生成的加密加速，這對(duì) IoT 應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要。它還提供三個(gè)低功耗 SPI 模塊、三個(gè)低功耗 UART 模塊以及三個(gè)低功耗 I2C 模塊，可支持最高 5 MB/s 的速度。

軟件已日益成為傳感器融合整體解決方案中的一個(gè)重要部分，這也是為什么智能感測(cè)框架 (ISF) 可以支持 Kinetis 系列的原因。其核心功能如圖 3 所示。除了支持 Kinetis 系列，該框架還可支持各種 Freescale 傳感器，包括加速計(jì)(含 FXLC95000CL 系列)、陀螺儀、磁力儀(如 FXOS8700)和壓力傳感器、模擬輸出傳感器，以及 MMA955xL NXP 智能計(jì)步器傳感器。

圖 3： ISF 核心服務(wù)可提供傳感器抽象和協(xié)議適配器。

提供連接

在感測(cè)應(yīng)用于 IoT 時(shí)，其本質(zhì)上是“無(wú)線”的，因?yàn)槭褂玫拇蟛糠謧鞲衅鞫际乔臒o(wú)聲息地感測(cè)周圍狀況。因此，其整體系統(tǒng)解決方案自然也是無(wú)線的。當(dāng)然，許多開(kāi)發(fā)的 IoT 傳感器節(jié)點(diǎn)也會(huì)使用一些本地、個(gè)人或廣域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形式，這其實(shí)并不足為奇。

同樣，可提供傳感器融合和無(wú)線連接的 MCU 也將在 IoT 中占有一席之地。這所說(shuō)的正是 Texas Instruments CC2650 系列無(wú)線 MCU。除了 ARM Cortex-M3 內(nèi)核，CC2650 無(wú)線 MCU 集成了一個(gè) 2.4 GHz RF 模塊，允許通過(guò)使用藍(lán)牙、ZigBee、6LowPAN 和 ZigBee RF4CE 進(jìn)行通信。為此，可將 IEEE 802.15.4 MAC 嵌入在 ROM，然后在一個(gè)單獨(dú)但集成的 ARM Cortex-M0 內(nèi)核上局部運(yùn)行。TI 可免費(fèi)提供藍(lán)牙和 ZigBee 堆棧。

CC2650 包含在 CC2650MODA 模塊中，并且使用了 MCU 的集成式超低功耗傳感器控制器，可自主運(yùn)行，因此能在正常運(yùn)行和非活動(dòng)期時(shí)保留系統(tǒng)功耗(見(jiàn)圖 4)。

其可能包括使用集成式 ADC 監(jiān)視模擬傳感器、通過(guò) GPIO、I2C 和 SPI 監(jiān)視數(shù)字傳感器、電容感測(cè)(如靠近時(shí)喚醒)、鍵盤掃描或脈沖計(jì)數(shù)。低功耗時(shí)鐘比較器也包含在內(nèi)，其能夠從任何狀態(tài)喚醒器件。傳感器控制器中的每種功能均可自主選擇啟用或禁用。

圖 4： TI 的 CC2650 無(wú)線 MCU 可提供 2.4 GHz 無(wú)線連接和專用的自主傳感器控制器。

圖 5： CC2650MODA 模塊。

總結(jié)

傳感器的涌現(xiàn)將會(huì)提供有關(guān)我們的環(huán)境和周圍事物的更多細(xì)節(jié)信息。這些傳感器與功能 MCU 結(jié)合后變得“更加智能”，當(dāng)多個(gè)智能傳感器置于一個(gè)應(yīng)用中時(shí)，要比單純將各部分加總而得的功能更為強(qiáng)大。

傳感器融合將為 IoT 帶來(lái)智能傳感器，反過(guò)來(lái)也為基礎(chǔ)設(shè)施提供“大數(shù)據(jù)”。這將從根本上改變我們生產(chǎn)、發(fā)展、運(yùn)輸和消費(fèi)等的一切方式。

半導(dǎo)體制造商將開(kāi)始接受這一挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)最優(yōu)平衡的 MCU，使性能和低功耗操作達(dá)到一個(gè)合適的均衡水平。傳感器制造商會(huì)繼續(xù)將物理性能推向極致，確保傳感器融合繼續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)尚未考慮的應(yīng)用。我們將從根本上改變我們與世界的連接方式，而每個(gè)領(lǐng)域也將得益于此。