消費(fèi)者們很快就會(huì)適應(yīng)當(dāng)今智能手機(jī)和平板電腦中最先進(jìn)的功能。 現(xiàn)代生活越來越依賴對場景和位置的即時(shí)感測，相應(yīng)地，針對在工業(yè)處理、醫(yī)療保健等眾多領(lǐng)域中使用的智能化設(shè)備，用戶的要求也日益增多。 具有創(chuàng)造意義的軟件和硬件設(shè)計(jì)，是在滿足嚴(yán)苛的系統(tǒng)尺寸和功耗要求的同時(shí)，確保獲得所需速度和精確度的基本條件。

連接傳感器

如運(yùn)動(dòng)跟蹤、位置感知等復(fù)雜功能已成為消費(fèi)類設(shè)備中新功能、新應(yīng)用的關(guān)鍵，也是創(chuàng)造全新市場機(jī)遇的助推劑，如正在迅速興起的可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。 用戶也在不斷地期待在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的感測功能，如在工業(yè)自動(dòng)化、病人監(jiān)護(hù)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用領(lǐng)域，就像他們要求智能化功能和自主、場景敏感型特性一樣。

諸如加速計(jì)、陀螺儀和磁力儀等微型 MEMS 傳感器，代表了在處于消費(fèi)價(jià)位的便攜式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤、位置感知功能的關(guān)鍵技術(shù)。

既然每種類型的傳感器都存在自身局限性，那么將這些傳感器組合在一起使用時(shí)，就能滿足最終用戶對更高精確度、更優(yōu)性能的要求。 例如，加速計(jì)可提供基本的方向和傾斜檢測功能，且在設(shè)備沒有移動(dòng)時(shí)也可跟蹤俯仰和翻滾動(dòng)作。 添加陀螺儀后，可以精確測量如設(shè)備移動(dòng)時(shí)的俯仰和翻滾，或高速旋轉(zhuǎn)等更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 另一方面，磁力儀通過監(jiān)視相對于地磁北極的運(yùn)動(dòng)，可用于修正加速計(jì)旋轉(zhuǎn)誤差，但其本身存在帶寬限制且易受外部電磁干擾。

傳感器融合技術(shù)通過把多個(gè)傳感器輸出合并在一個(gè)系統(tǒng)中來監(jiān)視復(fù)雜或快速的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)游戲中的手勢控制或身體動(dòng)作捕捉，或其它研究目的。 根據(jù)具體應(yīng)用，傳感器融合可以很好地在主處理器或外部傳感器中樞中，或者傳感器內(nèi)完成。 決定融合器件時(shí)，功耗、尺寸限制、電池壽命和處理資源等都是最重要的影響因素。

微控制器作為傳感器中樞

傳感器融合算法可在用作傳感器中樞的微控制器中運(yùn)行。Atmel 與 Kionix、MEMSIC 等傳感器合作伙伴聯(lián)手，針對其微控制器產(chǎn)品開發(fā)出傳感器融合解決方案，如 SAM D20 ARM? Cortex?-M0+ 微控制器或者采用 ARM Cortex-M4 內(nèi)核的 SAM G53。 這樣能簡化如 Kionix KXCJ9 或者 Memsic MXC62320 MEMS 加速計(jì)的傳感器集成。 這些微控制器支持 SleepWalking 和 Atmel 事件系統(tǒng)，且在作為傳感器中樞時(shí)能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 SleepWalking 允許外設(shè)仍能以異步方式喚醒系統(tǒng)部件的同時(shí)，所有功能和時(shí)鐘停止工作。 事件系統(tǒng)允許外設(shè)在處理器不介入的情況下對事件做出響應(yīng)，如接收傳感器信號，這有助于充分利用微控制器的休眠模式。

減小功耗

工程師們在開發(fā)運(yùn)動(dòng)感測系統(tǒng)時(shí)，解決功耗問題變得愈加重要。 當(dāng)今無處不在的運(yùn)動(dòng)型應(yīng)用，尤其如智能手表或智能眼鏡等可穿戴設(shè)備均要求感測功能“始終開啟”，而絲毫不顧及這樣會(huì)增加電池負(fù)擔(dān)。 移動(dòng)操作系統(tǒng)的最新開發(fā)成果為我們提供一個(gè)例子。 Google 對安卓 4.4 中的傳感器功能進(jìn)行了重大修改，能讓用戶在更多地使用位置和場景實(shí)時(shí)感知功能時(shí)不會(huì)過多地消耗電池。 象步伐檢測和計(jì)數(shù)等計(jì)步器功能需要在背景下運(yùn)行，且 API 經(jīng)過修改，提升了傳感器管理并能防止誤觸發(fā)喚醒主應(yīng)用處理器。

安卓 4.4 展示了管理傳感器的任務(wù)是如何轉(zhuǎn)移到傳感器中樞，或者甚至是傳感器本身的。 對于加速計(jì)和陀螺儀輸出的傳感器融合計(jì)算，要求在主應(yīng)用處理器處于休眠狀態(tài)時(shí)在兩個(gè)中斷之間進(jìn)行。 另外，批處理模式可使傳感器中樞對融合結(jié)果進(jìn)行緩沖，并且僅在應(yīng)用處理器被重要的傳感器事件喚醒時(shí)才發(fā)送這些結(jié)果。

STMicroelectronics 在其基于 ARM Cortex-M0 內(nèi)核的 STM32F411 微控制器中進(jìn)一步發(fā)展了這種批處理概念。 這種微控制器執(zhí)行自己的批采集模式 (BAM)，當(dāng)用于傳感器中樞時(shí)，能在自身 CPU 內(nèi)核休眠的同時(shí)將傳感器數(shù)據(jù)直接保存在片上 SRAM 中，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 內(nèi)核會(huì)短暫醒來處理這些已保存的數(shù)據(jù)，然后再次進(jìn)入省電模式。 諸如閃存 STOP 模式、零等待執(zhí)行和電壓調(diào)節(jié)等其它節(jié)電功能，使該器件不僅在用于智能手機(jī)和平板電腦時(shí)，而且在其它應(yīng)用中也極具吸引力，具體如工業(yè)控制、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、樓宇自動(dòng)化和可穿戴設(shè)備等。

節(jié)省板空間

諸如象 Freescale 的 FXOS8700CQR1 等 6 軸模塊等傳感器模塊，都將 3 軸加速計(jì)和 3 軸磁力計(jì)組合在一起，提供一個(gè)集成了兩種運(yùn)動(dòng)傳感器功能且方便實(shí)用的空間節(jié)省型解決方案。 FXOS8700CQR1 內(nèi)置數(shù)字信號處理功能，可支持諸如自由落體檢測、脈沖/節(jié)拍檢測、方向檢測和磁檢測等嵌入式可編程事件功能，以輔助如室內(nèi)導(dǎo)航、用戶接口控制應(yīng)用或者工業(yè)設(shè)備中的沖擊和振動(dòng)監(jiān)視等應(yīng)用。 圖 1 所示為該設(shè)備的主模塊和 DSP 功能。 Kinetis 微控制器的傳感器融合庫使 Freescale 的 MEMS 傳感器產(chǎn)品組合更加完善，能針對設(shè)備的方向、線性加速度以及連接傳感器模塊的微處理器受到的磁場干擾提供先進(jìn)的計(jì)算功能。


圖 1：FXOS8700CQR1 中的嵌入式 DSP 能執(zhí)行基本磁場和加速計(jì)傳感器數(shù)據(jù)處理功能。

InvenSense 在其 MPU-6500? 運(yùn)動(dòng)跟蹤器件中采用了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 (DMP) 以及一個(gè) 3 軸陀螺儀、一個(gè) 3 軸加速計(jì)，如圖 2 所示。 DMP 能以低延遲方式執(zhí)行運(yùn)動(dòng)處理算法，并具有多種功能，如使用可編程中斷的手勢識別、能在主處理器不介入的情況下計(jì)算屏幕旋轉(zhuǎn)方向的低功耗屏幕旋轉(zhuǎn)算法，以及一個(gè)能在主處理器休眠時(shí)仍保持步伐計(jì)數(shù)功能的計(jì)步器。


圖 2：MPU-6500 集成了第一代能夠從傳感器中樞分擔(dān)傳感器融合處理任務(wù)的 InvenSense DMP。

未來發(fā)展方向

在 InvenSense MPU-6500 中集成的 DMP 預(yù)示著新一代傳感器的來臨，這些傳感器能夠在不連接傳感器中樞的情況下進(jìn)行更廣泛的傳感器融合。 在傳感器模塊中執(zhí)行傳感器融合處理功能，有助于減少系統(tǒng)功耗、縮短反應(yīng)時(shí)間以及簡化應(yīng)用設(shè)計(jì)。 此外，還能節(jié)省物料清單成本和板空間。 InvenSense 和 ST 均發(fā)布了滿足安卓 4.4 要求的 6 軸慣性模塊，這些模塊具有內(nèi)置式運(yùn)動(dòng)處理功能，并能分擔(dān)應(yīng)用處理器和傳感器中樞的任務(wù)。

結(jié)論

隨著廣泛的應(yīng)用和市場對場景敏感型功能不斷增長的需求，傳感器的連接方法正受到密切關(guān)注，且有助于節(jié)省功耗和降低元件數(shù)的新方法在不斷涌現(xiàn)。 最新的移動(dòng)操作系統(tǒng)展示了如何在功耗增加最少的情況下保持檢測功能“始終開啟”。