第一代消費(fèi)電子MEMS傳感器驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)感知應(yīng)用最初只用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，如游戲控制臺(tái)和首批智能手機(jī)?，F(xiàn)在，智能感知應(yīng)用被廣泛用于所有的電子應(yīng)用領(lǐng)域：定位導(dǎo)航、工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化以及醫(yī)療保健。 智能傳感器是現(xiàn)實(shí)“模擬”世界與電子數(shù)字世界之間的交互界面。意法半導(dǎo)體提供用戶開發(fā)智能感知整體解決方案所需的各種器件。智能感知方案由下列模塊組成：運(yùn)動(dòng)識(shí)別、環(huán)境傳感器、低功耗微控制器、用戶界面和通信接口。

　　消費(fèi)電子、工業(yè)控制、能源計(jì)量及醫(yī)療儀器，所有電子產(chǎn)品都在提高本身的智能化程度，這歸功于電子系統(tǒng)大規(guī)模引入嵌入式智能感知、數(shù)字管理和聯(lián)網(wǎng)功能。因此，今后幾年，傳感器特別是MEMS產(chǎn)品將是半導(dǎo)體市場(chǎng)上最有前景的技術(shù)，據(jù)IHS iSuppli預(yù)測(cè)，2016年銷售收入預(yù)計(jì)達(dá)到125億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率CAGR達(dá)到9.7%，而整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)的CAGR預(yù)計(jì)僅為4.5%。

　　智能感知平臺(tái)

　　本文所述智能感知平臺(tái)由五個(gè)主要模塊組成，如圖1所示：該智能感知平臺(tái)是一個(gè)先進(jìn)智能感知應(yīng)用的完整解決方案。

　?。?）運(yùn)動(dòng)MEMS：加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、陀螺儀（或iNEMO慣性傳感器模塊和數(shù)字羅盤模塊）

　?。?）環(huán)境傳感器：溫度傳感器和濕度傳感器

　　（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理：低功耗8/32位微控制器

　?。?）數(shù)據(jù)接口：ZigBee、低功耗藍(lán)牙（ BLE）、低于1GHz的射頻、以太網(wǎng)

　　（5）用戶界面：觸摸屏、觸控鍵和近距離檢測(cè)傳感器

　　運(yùn)動(dòng)MEMS模塊是一個(gè)9自由度的運(yùn)動(dòng)感知級(jí)，由3軸數(shù)字陀螺儀（L3GD20）、系統(tǒng)級(jí)封裝數(shù)字羅盤（LSM303DLHC）模塊和3軸數(shù)字磁強(qiáng)傳感器組成。陀螺儀用于測(cè)量角速度，最大量程±2000°/s ；數(shù)字羅盤模塊集成3軸數(shù)字線性加速度傳感器，能夠測(cè)量線性加速度，最大量程±16g；3軸數(shù)字磁強(qiáng)傳感器的量程為8.1 Gauss。意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品組合還包括單封裝3軸數(shù)字或模擬加速度計(jì)（LIS3DH），最大量程±24g。

　　圖1：典型的智能感知平臺(tái)框圖

　　在環(huán)境傳感器模塊內(nèi)，MEMS壓力代表運(yùn)動(dòng)識(shí)別的第10個(gè)自由度。事實(shí)上，因?yàn)?60－1260mbar的絕對(duì)量程和0.020 mbar分辨率，壓力傳感器（LPS331AP）能夠識(shí)別海拔高度，例如，室內(nèi)導(dǎo)航的樓層位置。壓力濕度二合一傳感器（開發(fā)中）的絕對(duì)量程0-100%RH，分辨率 》 0.05% RH，以及模擬或數(shù)字溫度傳感器（STTS751， STLM20），是環(huán)境監(jiān)測(cè)智能感知解決方案的重要組件。

　　數(shù)據(jù)接口模塊有四個(gè)不同的解決方案：功耗藍(lán)牙（BLE）（控制器開發(fā)中），兼容Bluetooth 4.0標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率2.45 GHz，傳輸速率大約200kbit/s。

　　ZigBee產(chǎn)品（STM32W）兼容IEEE 802.15.4無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（WPAN），美國(guó)和澳大利亞的工作頻率為915 MHz，歐洲為868 MHz，世界其它地區(qū)為2.4 GHz。數(shù)據(jù)傳輸速率為20－900 Kbs/s。

　　另一個(gè)射頻產(chǎn)品是功耗極低的無線收發(fā)器，工作頻率低于1 GHz，（SPIRIT1）能夠工作在不同的頻帶，支持不同的調(diào)制方法：2-FSK、GFSK、OOK、ASK和MSK。

　　線纜接口采用快速以太網(wǎng)，這是業(yè)界最廣泛使用的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。意法半導(dǎo)體產(chǎn)品（STE100P）是一個(gè)10/100 Mbps收發(fā)器，兼容IEEE802.3u 100Base-TX 和 IEEE802.3 10Base-T標(biāo)準(zhǔn)。該平臺(tái)的數(shù)字管理方案可選用8位或32位低功耗微控制器。

　　微控制器的功耗特性以及整個(gè)系統(tǒng)器件的功耗，是便攜消費(fèi)電子以及停電時(shí)備用電池供電的24小時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本要求 。

　　觸感產(chǎn)品（觸摸屏， 觸控鍵和近距離檢測(cè)傳感器）用戶界面代表直觀的輸入輸出工具，可簡(jiǎn)化很多應(yīng)用的設(shè)置修改，例如，家庭耗源顯示器。

　　意法半導(dǎo)體為智能感知平臺(tái)帶來差異化產(chǎn)品組合

　?。?）運(yùn)動(dòng)MEMS

　　憑借先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，意法半導(dǎo)體一舉成為全球最大的便攜和消費(fèi)電子MEMS廠商。加速度計(jì)和陀螺儀產(chǎn)量逾20億件，意法半導(dǎo)體顛覆了用戶界面設(shè)計(jì)方式，運(yùn)用技術(shù)簡(jiǎn)化了使用體驗(yàn)方式。意法半導(dǎo)體提供各種3軸線性加速度計(jì)以及單軸或3軸陀螺儀、6軸數(shù)字羅盤和6軸或9軸iNEMO慣性傳感模塊。運(yùn)動(dòng)MEMS的目標(biāo)應(yīng)用為：移動(dòng)設(shè)備的智能界面，自由落體檢測(cè)和硬盤保護(hù)，工業(yè)運(yùn)動(dòng)跟蹤和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)航，運(yùn)動(dòng)健身器材和3D標(biāo)簽等。

　　a.加速度計(jì)

　　意法半導(dǎo)體提供先進(jìn)的3軸模擬和數(shù)字加速度計(jì)，產(chǎn)品主要特性包括±24g滿量程、高分辨率、嵌入式智能功能和先進(jìn)的省電功能。

　　b.陀螺儀

　　意法半導(dǎo)體陀螺儀產(chǎn)品線也十分廣泛，包括1軸、2軸和3軸陀螺儀。滿量程寬廣（30－2000 °/s），航向、橫滾和俯仰三軸共用一個(gè)質(zhì)量塊，測(cè)量精度十分出色。意法半導(dǎo)體的陀螺儀具有出色的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，適用于消費(fèi)電子和工業(yè)市場(chǎng)。

　　c.數(shù)字羅盤

　　意法半導(dǎo)體的數(shù)字羅盤在一個(gè)封裝內(nèi)集成一個(gè)3軸數(shù)字磁強(qiáng)傳感器和一個(gè)3軸數(shù)字加速度計(jì)。 LSM303DLx系列數(shù)字羅盤的加速度量程為±2至±16g，磁強(qiáng)量程為±1.3到±8.1gauss。數(shù)字羅盤包括智能功率功能，可實(shí)現(xiàn)低電流消耗和嵌入式自檢。這些特性使數(shù)字羅盤成為先進(jìn)導(dǎo)航和智能位置服務(wù)的理想選擇。

　　d.iNEMO慣性傳感器模塊

　　iNEMO是意法半導(dǎo)體為先進(jìn)應(yīng)用開發(fā)的6軸或9軸慣性傳感器模塊，可滿足3D運(yùn)動(dòng)識(shí)別的多個(gè)自由度需求。iNEMO系列包括：LSM320/330/333系統(tǒng)封裝（SiP）。意法半導(dǎo)體的系統(tǒng)封裝和板載系統(tǒng)iNEMO慣性傳感器模塊可與意法半導(dǎo)體新開發(fā)的傳感器融合軟件（iNEMO Engine Lite&Pro）配合使用，設(shè)計(jì)可靠且可自定義的多軸MEMS軟硬件解決方案。

　　（2）SPIRIT1 - 低數(shù)據(jù)速率、低功耗且低于1GHz的收發(fā)器

　　SPIRIT1芯片是意法半導(dǎo)體獨(dú)有的靈活且低功耗的的收發(fā)器，工作頻率低于1GHz，集成包處理器。 這款器件的工作頻段為150-174 MHz、300-348MHz、387-470 MHz、779-956 MHz，支持多個(gè)調(diào)制方法：2-FSK， GMSK， GFSK， MSK， OOK和ASK。數(shù)據(jù)速率從1－500 kbps，本身集成一個(gè)開關(guān)電源，可實(shí)現(xiàn)極低的功耗，優(yōu)于所有競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。

　　圖2：SPIRIT1描述_評(píng)估板的結(jié)構(gòu)

　?。?）低功耗藍(lán)牙

　　意法半導(dǎo)體正在開發(fā)一個(gè)功耗極低的Bluetooth Low Energy （BLE）藍(lán)牙控制器，新產(chǎn)品兼容藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)4.0，集成低功耗的物理層、內(nèi)嵌安全引擎的鏈路層、主控制器接口（HCI）和電源管理。該器件的評(píng)估工具是由該芯片模塊和充當(dāng)該系統(tǒng)的微控制器STM32L組成。評(píng)估工具還配備一個(gè)GUI應(yīng)用軟件，用于配置控制器，執(zhí)行部分低功耗藍(lán)牙通信。

　　圖3：BLE控制器評(píng)估板

　?。?）低功耗微控制器

　　通過不同的省電模式，意法半導(dǎo)體找到了高性能與低功耗之間的最佳平衡點(diǎn)，以優(yōu)化用戶應(yīng)用的電能消耗。為更好地服務(wù)這個(gè)市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體正在研發(fā)超低功耗微控制器平臺(tái)。8位STM8L和32位STM32L微控制器采用意法半導(dǎo)體獨(dú)有的130納米超低泄漏電流制程，該超低功耗微控制器平臺(tái)叫作EnergyLite。憑借EnergyLite平臺(tái)，STM8L和STM32L微控制器取得業(yè)界最低功耗，在SRAM數(shù)據(jù)保存且RTC正常運(yùn)行時(shí)，功耗僅1.3μA，待機(jī)功耗300nA。

　　圖4：STM8和STM32的市場(chǎng)定位

　　智能感知平臺(tái)帶來的系統(tǒng)解決方案

　　（1）環(huán)境監(jiān)測(cè)

　　意法半導(dǎo)體提供多個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)解決方案，下面列出的是一個(gè)具有代表性的參考方案。意法半導(dǎo)體正在開發(fā)一個(gè)專門的評(píng)估板（STEVAL-IFS018V1），因?yàn)榘遢d多種傳感器（溫度、濕度、環(huán)境光和MEMS）和通信接口，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有多個(gè)潛在應(yīng)用。該評(píng)估板還可以將環(huán)境數(shù)據(jù)或特定的系統(tǒng)設(shè)置保存在板載雙接口（I2C e RF） EEPROM （M24LR64-R）內(nèi)。該存儲(chǔ)器連接環(huán)境監(jiān)測(cè)板上印刷的小PCB天線，可以從任何支持RF 15693標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備（NFC）讀取雙接口存儲(chǔ)器。

　?。?）內(nèi)置HTTPS網(wǎng)關(guān)的家用能耗顯示器

　　在今天這個(gè)能源優(yōu)化和計(jì)量的時(shí)代，人們?cè)敢飧逦亓私饽芎那闆r，足不出戶就可管理家庭能耗。意法半導(dǎo)體從事多個(gè)能源控制相關(guān)的半導(dǎo)體應(yīng)用的研發(fā)。下面介紹的解決方案適用于能源計(jì)量和Zigbee技術(shù)。意法半導(dǎo)體開發(fā)出一個(gè)Zigbee通信專用微控制器。

　　SmartPlugW是一個(gè)工作在802.15.4家庭區(qū)域網(wǎng)的能源評(píng)估系統(tǒng)解決方案，用于能源管理和節(jié)能降耗。該系統(tǒng)的一端連接電網(wǎng)，另一端連接家電。能實(shí)現(xiàn)以下功能：耗電量和電力參數(shù)監(jiān)視；預(yù)防電力網(wǎng)超載和通過無線HAN方式管理遠(yuǎn)程負(fù)載；繼電器通斷開關(guān)，具有TRIAC實(shí)現(xiàn)的“軟啟動(dòng)/停止”功能；路由器模式配置，可輕松增加傳感器，擴(kuò)大網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋；802.15.4 HA v2.0/E@H規(guī)范。

　　圖5：STEVAL-IHP004V1–SmartPlugW 電路板

　　圖6：內(nèi)置HTTPS網(wǎng)關(guān)的家庭能耗顯示器

　　STM3221G-EVAL運(yùn)行的網(wǎng)關(guān)固件通過人機(jī)互動(dòng)采集遠(yuǎn)程設(shè)備信息，使用“GET”命令向遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)HTTPS服務(wù)器上傳相關(guān)的能耗/用電數(shù)據(jù)。從連接網(wǎng)絡(luò)的電腦，用戶可查詢自己住宅內(nèi)的SmartPlugW設(shè)備的信息。

　?。?）室內(nèi)導(dǎo)航

　　室內(nèi)導(dǎo)航可用于現(xiàn)代都市的很多地方：機(jī)場(chǎng)、博物館、商業(yè)中心、停車場(chǎng)和醫(yī)院以及緊急救援場(chǎng)所、大型商業(yè)中心，非常精確的興趣點(diǎn)（POI）定位讓人們?cè)趲追昼妰?nèi)找到心儀的商品，通過近距離通信（NFC）技術(shù)直接在智能手機(jī)上購(gòu)物。

　　圖7：室內(nèi)導(dǎo)航解決方案的應(yīng)用

　　室內(nèi)定位運(yùn)用來自四個(gè)不同信息源的全部信息：來自慣性傳感器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；射頻定位：來自現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施（Wi-Fi、3G/4G LTE）和其它連接源（ZigBee、藍(lán)牙、Sub 1 GHz等）；近距離射頻定位：置于POI地點(diǎn)或固定在人們熟知地點(diǎn)的RFID或RF EEPROM系統(tǒng)發(fā)送的近距離（<2米）信號(hào)數(shù)據(jù)；建筑物地圖：所有天線、房間、樓梯、電梯、樓門等設(shè)施的地圖。融合所有這些數(shù)據(jù)，并將路線疊加于大樓地圖上，我們就可最終重構(gòu)行人的準(zhǔn)確位置。

　　圖8：室內(nèi)導(dǎo)航解決方案的核心產(chǎn)品

　　圖9：簡(jiǎn)化的提供不同連接方案的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)框圖，本圖描述了簡(jiǎn)化的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心配置。

　　結(jié)論

　　通過分析本文介紹的產(chǎn)品和解決方案，我們發(fā)現(xiàn)，若想設(shè)計(jì)高集成度的高能效的智能解決方案，系統(tǒng)架構(gòu)需要內(nèi)置三個(gè)重要功能：智能感知、具有實(shí)時(shí)控制功能的數(shù)字管理和先進(jìn)連接解決方案。

　　憑借專用的產(chǎn)品組合和深厚的系統(tǒng)知識(shí)，意法半導(dǎo)體成為各種高智能電子應(yīng)用的主要芯片廠商。

??????? 作者：意法半導(dǎo)體公司工業(yè)與多元市場(chǎng)產(chǎn)品部Salvatore?Bonina,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室與技術(shù)市場(chǎng)部Fabio?Beffumo

本文轉(zhuǎn)摘自電子發(fā)燒友網(wǎng)《智能系統(tǒng)特刊》6月刊

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