传感器融合为 IoT 带来了智能传感器,所有行业都将获益

从简单的正/负温度系数器件到更为成熟的基于光学的子系统、旋转编码器和温度传感器,感测一都直是电子系统的一个重要部分。

在工业、汽车和医疗应用中使用传感器的其中一个最重要领域就是模拟前端 (AFE),这一转换过程负责采集真实属性并在数字域中精确地予以重现。通过传感器本身,AFE 可定义整个系统性能。

在消费者领域和更为广范的 IoT 中,大型应用专用传感器已被小型、高度集成的 MEMS 器件所取代,AFE 也因此被串行总线替代。如此一来,微控制器的大部分设计负担就转移到了系统核心中,尤其是在使用多个传感器的应用中。这就是如今帮助驱动 IoT 的模式,但是在单个器件引入多个传感器将会出现独特的挑战。

驱动力

基于 MEMS 传感器(微电子机械系统)的出现意味着电子系统设计的一个重大改变,但这种改变并非在一夜之间发生的。该技术需要经过多年完善和成本优化,不过最近几年从智能手机领域大获裨益。

一些行业分析人员认为,由于利润收缩,需求趋平,与过去相比,MEMS 的未来将更加难以预测。但是,可穿戴技术的不断兴起和 IoT 不可阻挡的增长势头很可能使 MEMS 技术在未来一段时间内仍然是核心和使能技术。另外,包括工业、医疗和汽车在内的成熟市场也是该技术的积极拥趸,据估计,现在每辆车平均含有 20 个 MEMS 传感器。

在医疗应用中,微流体传感器开始出现在可植入医疗设备中。这类应用将为制造商提供继续投资该技术的机会,最终惠及其他市场。

如今,IoT 可能是最大的机会。通过增加传感器,我们可以测量每个可想到的参数,从而使日常使用的物品、设备和服务变得“更加智能”。这些参数包括压力、温度和惯性(如加速度、方向、位置和广义运动)。

捕捉一种参数可极大增加设备的功能,但将多种参数融合所得功能会比单纯将各部分加总而得的功能更为强大。“传感器融合”将帮助驱动新应用,是 IoT 的一部分,并因此帮助填充人们所熟悉的“大数据”现象。传感器融合是应用到为传感器输入带来更广阔语境的术语,如将俯仰和滚转与地理位置、加速度与经过时间、温度与海拔相结合。它实际上是推断测量以外其他数据的过程,其方式几乎可以认为是智能。

增加智能

传感器融合解决方案所需的表象智能必然要通过软件实现。其通常由一个库提供,该库可在能够提供应用所需的处理性能的内核上运行。在许多应用中,测量变化相对缓慢的物理参数通常可通过 32 位甚至 16 位微控制器实现。

一些制造商已经开发了完全集成的传感器集线器,如 Bosch Sensortec 的 BHA250。这种创新器件集成一个三轴加速计和运动检测的软件算法,可在集成式可编程“融合器内核”微控制器上运行。BHA250 本身可用于可穿戴设备,以检测各种形式的活动。不过,如图 1 所示,它还可以通过 I2C 连接的其他传感器进一步扩展,从而解决其他应用需求。

Bosch Sensortec 的 BHA250 传感器集线器图

图 1: Bosch Sensortec 的 BHA250 传感器集线器提供了一个完全集成的加速计,并且能够与其他外部传感器连接。

“融合器内核”可处理 I2C 接口接收到的“原始”传感器数据,通过寄存器映射传输到主机处理器。这种情况下,主机处理器可能运行其他软件,如 Bosch Sensortec 的 FusionLib 软件,一种可结合加速计、陀螺仪和地磁传感器所得测量结果的 9 轴解决方案。

该示例很好地演示了传感器融合如何用于创建数字域中一个更详尽的真实世界表示。随着越来越多传感器的引入,其将超出惯性传感器的范围,包括环境和光学技术。

虽然使用应用特定器件(如 BHA250)可能解决这一问题,但至少在短期内,OEM 也有可能将转向更通用的微控制器 (MCU) 来开发传感器融合解决方案。现在的高性能低功耗 MCU 的额外优势包括可提供其他外设、启用传感器集线器以成为整个系统的心脏。

传感器融合优化

由于其自身的特性,通用 MCU 集成外设应用广泛,不过,我们通常还需要权衡价格、性能、功率和外设,因此,其最终使用范围将限制在十分特定的领域。 有鉴于此,为特定终端应用优化的 MCU 仍十分普遍。尤其是对于超低功耗应用以及最近的传感器融合更是如此。这类器件的新增产品之一就是 NXP Semiconductors 的 Kinetis KL28Z。

NXP Kinetis KL28Z 的框图

图 2: Kinetis KL28Z 的框图,为传感器融合应用优化的 MCU。

该器件基于 ARM® Cortex®-M0+ 内核,旨在为特定性能尽可能提供最低功耗,并将传感器集线器列为其目标应用之一。如图 2 所示,它集成了许多模拟特性和各种数字接口,包括一个可仿真各种标准接口的 FlexIO 模块。该器件还集成了许多安全特性,包括支持 AES/DES/3DES/MD5/SHA 和真数生成的加密加速,这对 IoT 应用来说非常重要。它还提供三个低功耗 SPI 模块、三个低功耗 UART 模块以及三个低功耗 I2C 模块,可支持最高 5 MB/s 的速度。

软件已日益成为传感器融合整体解决方案中的一个重要部分,这也是为什么智能感测框架 (ISF) 可以支持 Kinetis 系列的原因。其核心功能如图 3 所示。除了支持 Kinetis 系列,该框架还可支持各种 Freescale 传感器,包括加速计(含 FXLC95000CL 系列)、陀螺仪、磁力仪(如 FXOS8700)和压力传感器、模拟输出传感器,以及 MMA955xL NXP 智能计步器传感器。

ISF 核心服务图片

图 3: ISF 核心服务可提供传感器抽象和协议适配器。

提供连接

在感测应用于 IoT 时,其本质上是“无线”的,因为使用的大部分传感器都是悄无声息地感测周围状况。因此,其整体系统解决方案自然也是无线的。当然,许多开发的 IoT 传感器节点也会使用一些本地、个人或广域无线网络的形式,这其实并不足为奇。

同样,可提供传感器融合和无线连接的 MCU 也将在 IoT 中占有一席之地。这所说的正是 Texas Instruments CC2650 系列无线 MCU。除了 ARM Cortex-M3 内核,CC2650 无线 MCU 集成了一个 2.4 GHz RF 模块,允许通过使用蓝牙、ZigBee、6LowPAN 和 ZigBee RF4CE 进行通信。为此,可将 IEEE 802.15.4 MAC 嵌入在 ROM,然后在一个单独但集成的 ARM Cortex-M0 内核上局部运行。TI 可免费提供蓝牙和 ZigBee 堆栈。

CC2650 包含在 CC2650MODA 模块中,并且使用了 MCU 的集成式超低功耗传感器控制器,可自主运行,因此能在正常运行和非活动期时保留系统功耗(见图 4)。

其可能包括使用集成式 ADC 监视模拟传感器、通过 GPIO、I2C 和 SPI 监视数字传感器、电容感测(如靠近时唤醒)、键盘扫描或脉冲计数。低功耗时钟比较器也包含在内,其能够从任何状态唤醒器件。传感器控制器中的每种功能均可自主选择启用或禁用。

Texas Instruments CC2650 无线 MCU 图片

图 4: TI 的 CC2650 无线 MCU 可提供 2.4 GHz 无线连接和专用的自主传感器控制器。

Texas Instruments CC2650MODA 模块图片

图 5: CC2650MODA 模块。

总结

传感器的涌现将会提供有关我们的环境和周围事物的更多细节信息。这些传感器与功能 MCU 结合后变得“更加智能”,当多个智能传感器置于一个应用中时,要比单纯将各部分加总而得的功能更为强大。

传感器融合将为 IoT 带来智能传感器,反过来也为基础设施提供“大数据”。这将从根本上改变我们生产、发展、运输和消费等的一切方式。

半导体制造商将开始接受这一挑战,开发最优平衡的 MCU,使性能和低功耗操作达到一个合适的均衡水平。传感器制造商会继续将物理性能推向极致,确保传感器融合继续发展,实现尚未考虑的应用。我们将从根本上改变我们与世界的连接方式,而每个领域也将得益于此。

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