基于mcu的組合傳感器和集線器解決方案

　　今天的手機(jī)、平板電腦和其他無線數(shù)字設(shè)備現(xiàn)在包括各種傳感器，這些傳感器提供位置、方向、高度、接近度和觸摸感應(yīng)功能。這些傳感器每個(gè)都提供必須由主機(jī)系統(tǒng)的主處理器或芯片捕獲和處理的數(shù)據(jù)輸出流——經(jīng)過優(yōu)化以處理多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)流并將這些數(shù)據(jù)流預(yù)處理成主機(jī)處理器可以輕松吸收的形式。由于有限的引腳數(shù)和電路板空間可能已經(jīng)被系統(tǒng)中的所有其他功能非常擁擠，將所有傳感器數(shù)據(jù)流路由到主機(jī)處理器可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)。

　　因此，使用傳感器集線器收集所有傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行一些預(yù)處理，然后將單個(gè)壓縮數(shù)據(jù)流發(fā)送到主機(jī)處理器，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低系統(tǒng)功耗。較低的功耗是由兩個(gè)因素造成的——首先，主機(jī)處理器不必處理中斷或其他為傳感器數(shù)據(jù)提供服務(wù)的任務(wù)，其次，用作集線器的低功耗微控制器可以管理大部分傳感器數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備使用 I2C 串行總線實(shí)現(xiàn)中低數(shù)據(jù)傳輸速度（低于 500 kbits/s）或 SPI 總線實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率（高達(dá)幾 Mbits/s）的高效傳輸?shù)街鳈C(jī)。

　　今天，大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)的處理都是由運(yùn)行在應(yīng)用處理器上的軟件完成的。然而，如果傳感器必須在后臺(tái)連續(xù)運(yùn)行，使用應(yīng)用處理器會(huì)增加系統(tǒng)的功耗——這在手機(jī)和平??板電腦中是不可取的，因?yàn)樗鼈兊墓β暑A(yù)算有限。手機(jī)和平板電腦通常有十幾個(gè)傳感器——不僅僅是運(yùn)動(dòng)傳感器，還有麥克風(fēng)、光傳感器、觸摸屏、接近傳感器，甚至可能還有溫度和濕度傳感器，以提供活動(dòng)監(jiān)控、語音命令操作和上下文感知，僅舉幾個(gè)用途。因此，對低功耗解決方案的需求變得至關(guān)重要。

　　創(chuàng)建傳感器集線器——通常是來自 Atmel、NXP等供應(yīng)商的專用微控制器，STMicroelectronics和Texas Instruments – 允許設(shè)計(jì)人員最大限度地減少對主機(jī)處理器的硬件和固件更改，并在傳感器更改或升級時(shí)允許輕松更新。或者，傳感器集線器可以集成到無線系統(tǒng)中的主應(yīng)用處理器中，但這需要對應(yīng)用處理器進(jìn)行適度更改，從而可能增加處理器的復(fù)雜性。然而，這種解決方案消除了對單獨(dú)集線器芯片的需求，如果印刷電路板空間極其有限，這可能是一個(gè)關(guān)鍵的選擇。

　　另一種選擇是將傳感器和低功耗微控制器組合在一個(gè)芯片上或一個(gè)多芯片封裝中，從而將傳感器和集線器呈現(xiàn)為單封裝解決方案。當(dāng)上市時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素時(shí)，這種緊湊的解決方案將需要最小的電路板空間并提供快速的預(yù)封裝解決方案。此外，隨著將現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)集成到芯片中的成本降低，我們還可以開始看到可編程結(jié)構(gòu)傳感器集線器，只需下載新的 FPGA 配置比特流即可重新配置。

　　在手機(jī)或平板電腦等平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用程序需要同時(shí)分析和融合來自不斷收集數(shù)據(jù)的多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。傳感器通常包括運(yùn)動(dòng)（加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)）、環(huán)境（溫度、氣壓、濕度、光照水平、顏色）和其他參數(shù)，例如環(huán)境噪聲、接近度和觸摸。此類傳感器可從 Analog Devices、InvenSense、Kionix和STMicroelectronics等供應(yīng)商處獲得，僅舉幾例。為了將這些傳感器輸出的集合融合到主機(jī)應(yīng)用程序可以解釋的數(shù)據(jù)流中，低功耗傳感器集線器提供了多種輸入和處理能力，以便為應(yīng)用程序處理器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

　　Atmel 的此類傳感器集線器處理器的示例包括該公司的SAM D20、D21和SAM G基于 ARM Cortex-M0+ 處理器內(nèi)核的微控制器。例如，D21 系列的成員包含四個(gè)或六個(gè)串行通信模塊 （SERCOM）。這些模塊是完全軟件可配置的，可以處理 I2C、USART/UART 和 SPI 通信（圖 1，右欄的中間）。借助芯片上的多個(gè) SERCOM 模塊，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)他們的應(yīng)用精確地定制串行接口組合，滿足每個(gè)傳感器的要求。SAM D 21 上的 I2C 可以以高達(dá) 3.4 MHz 的頻率運(yùn)行（也支持 I2S、PMBus 和 SMBus）。此外，對于只有模擬輸出的傳感器，D21 的 20 通道 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器可以將信號(hào)數(shù)字化，然后將它們發(fā)送到應(yīng)用處理器。

　　圖 1：由 Atmel 開發(fā)的 SAM D21 微控制器集成了多個(gè)軟件可配置的串行端口，允許設(shè)計(jì)人員連接多個(gè)傳感器。多通道 A/D 轉(zhuǎn)換器還為沒有數(shù)字輸出的傳感器提供輸入。（見圖表右側(cè)的深藍(lán)色方框。）

　　在撰寫本文時(shí)，Atmel 剛剛發(fā)布了 SMART，這是其基于 ARM 的新品牌微控制器，集成了新的 SmartConnect SAM W23 模塊，可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的 Wi-Fi 連接。具有預(yù)集成網(wǎng)絡(luò)軟件堆棧的 D21 微控制器是 Atmel SAM W23 無線模塊的核心。這個(gè)經(jīng)過預(yù)配置和測試的 Wi-Fi 子系統(tǒng)可以輕松集成到應(yīng)用程序中（圖 2）。該模塊可以作為一個(gè)獨(dú)立的端點(diǎn)工作，收集然后通過其無線接口傳輸傳感器數(shù)據(jù)，或者它可以連接到運(yùn)行主應(yīng)用程序的主機(jī)處理器，模塊卸載一些數(shù)據(jù)收集和傳輸功能。這樣的模塊可以在工業(yè)、醫(yī)療、智能家居、安全和許多其他類似應(yīng)用中得到廣泛使用。

　　圖 2：Atmel SAM W23 模塊的核心是一個(gè) D21 MCU。該 MCU 包含一個(gè) ARM Cortex-M0+ 處理器、一個(gè)完全集成的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)軟件堆棧和多個(gè)串行 I/O 通道。

　　還有許多其他供應(yīng)商也提供針對傳感器集線器應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的微控制器 — Microchip、恩智浦、意法半導(dǎo)體和德州儀器等。德州儀器剛剛推出了兩個(gè)低功耗微控制器系列，即 MSP430FR59x 和 MSP430FR69x（現(xiàn)已提供樣片，將于 2014 年第三季度全面量產(chǎn)），此外還有多種 I/O 選項(xiàng)和硬件 AES加密，還包括替代閃存或 EEPROM 存儲(chǔ)的鐵電非易失性 RAM — 59x 系列高達(dá) 64 KB，69x 系列高達(dá) 128 KB。FRAM 存儲(chǔ)估計(jì)有 100 萬億個(gè)周期的磨損，而基于閃存的存儲(chǔ)只有 10，000 個(gè)周期。這些芯片的待機(jī)功耗僅為 450 nA，運(yùn)行時(shí)功耗為 100 μA/MHz。針對可穿戴、健康和健身、智能手表應(yīng)用，以及家庭自動(dòng)化和安全，

　　組合傳感器和集線器解決方案也是可能的。其中一種設(shè)備是 Kionix 的 KX23H（剛剛從該公司提供樣品），它包含一個(gè)基于 ARM 的傳感器集線器，帶有嵌入式 3 軸加速度計(jì)和固件，其中包括一個(gè)高級運(yùn)動(dòng)處理和上下文感知算法庫。這些算法為設(shè)計(jì)人員提供計(jì)步器和卡路里計(jì)數(shù)程序，以及活動(dòng)監(jiān)控和檢測停止/步行/跑步/汽車/火車等狀態(tài)之間差異的能力。其他算法包括智能手機(jī)或平板電腦應(yīng)用程序通常需要的功能——點(diǎn)擊/雙擊、屏幕旋轉(zhuǎn)、傾斜和其他常見功能。這些算法將在時(shí)鐘頻率為 32 MHz 的嵌入式 32 位 ARM Cortex-M0 處理器上運(yùn)行。KX23H 還可以接受來自傳感器的額外輸入，例如陀螺儀、磁力計(jì)、和壓力傳感器，并具有運(yùn)行傳感器融合軟件的能力，從而減輕了主機(jī) CPU 或應(yīng)用處理器的負(fù)擔(dān)，降低了功耗，并簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。Kionix 設(shè)備基于母公司開發(fā)的技術(shù)ROHM Semiconductor 的 LAPIS子公司（原 OKI Semiconductor）。

　　與 Kionix 方法類似，InvenSense 的MPU-9250 9 軸運(yùn)動(dòng)傳感器結(jié)合了一個(gè) 3 軸加速度計(jì)、一個(gè) 3 軸陀螺儀和一個(gè) 3 軸磁力計(jì)（羅盤）以及一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)處理器，該處理器可以預(yù)處理使用公司專有的 MotionFusion 算法的復(fù)雜 9 軸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（圖 3a）。封裝的 FSYNC 引腳上的數(shù)字輸入功能允許傳感器支持電子圖像穩(wěn)定和 GPS 輸入，而可編程中斷支持手勢識(shí)別、平移、縮放、滾動(dòng)以及輕敲和抖動(dòng)檢測等應(yīng)用。

　　該傳感器采用微型 3 x 3 x 1 mm QFN 封裝，幾乎可以安裝在任何空間受限的設(shè)備中，從智能手表、健身設(shè)備和智能手機(jī)，到平板電腦、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)。此外，傳感器僅消耗 9.3 μA，從而最大限度地減少其對系統(tǒng)功率預(yù)算的影響。MPU-9250 實(shí)際上由兩個(gè)采用微型 QFN 封裝的芯片組成——MPU-6500，其中包含 3 軸陀螺儀、3 軸加速度計(jì)和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器。第二個(gè)芯片是 AK8963，一個(gè) 3 軸數(shù)字羅盤（圖 3b）。

　　與該公司的第一代設(shè)備相比，MPU-9250 體積縮小了 44%，陀螺噪聲改善了三倍，羅盤滿量程范圍是競爭設(shè)備的四倍。

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　　圖 3：這款由 InvenSense 開發(fā)的 9 軸運(yùn)動(dòng)傳感器 MPU-9250 結(jié)合了 3 軸加速度計(jì)、3 軸陀螺儀和 3 軸磁力計(jì)，以及可以預(yù)處理的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)處理器來自傳感器的復(fù)雜多軸數(shù)據(jù) （a）。容納 9 軸傳感器的微型 3 x 3 x 1 毫米封裝的剖視圖顯示，該封裝實(shí)際上包含兩個(gè)芯片，一個(gè)集成了陀螺儀、加速度計(jì)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)處理器，另一個(gè)堆疊在頂部第一個(gè)，包含多軸指南針 （b）。

　　總之，隨著智能手機(jī)和平板電腦功能的不斷擴(kuò)展，以及物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 現(xiàn)象的興起，隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員推動(dòng)增加功能和連接性，傳感器的使用將繼續(xù)增加。然而，隨著系統(tǒng)的功能越來越多，將一些計(jì)算/分析功能卸載到基于微控制器的傳感器集線器的需求變得越來越重要，以確保電池壽命不會(huì)受到傳感器或系統(tǒng)必須運(yùn)行的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的顯著影響從傳感器數(shù)據(jù)流中提取信息。正如本文所指出的，設(shè)計(jì)人員可以使用來自多家供應(yīng)商的大量 MCU，這些 MCU 非常適合在這些系統(tǒng)中充當(dāng)傳感器集線器的角色。