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(lái)越依賴對(duì)場(chǎng)景和位置的即時(shí)感測(cè)，相應(yīng)地，針對(duì)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(cè)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(guò)監(jiān)視相對(duì)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(guò)把多個(gè)傳感器輸出合并在一個(gè)系統(tǒng)中來(lái)監(jiān)視復(fù)雜或快速的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)游戲中的手勢(shì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)事件做出響應(yīng)，如接收傳感器信號(hào)，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?cè)陂_發(fā)運(yùn)動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)時(shí)，解決功耗問(wèn)題變得愈加重要。 當(dāng)今無(wú)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(cè)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(duì)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(chǎng)景實(shí)時(shí)感知功能時(shí)不會(huì)過(guò)多地消耗電池。 象步伐檢測(cè)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(guò)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(duì)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(duì)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(lái)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(hào)處理功能，可支持諸如自由落體檢測(cè)、脈沖/節(jié)拍檢測(cè)、方向檢測(cè)和磁檢測(cè)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(kù)使 Freescale 的 MEMS 傳感器產(chǎn)品組合更加完善，能針對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(shì)識(shí)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(lái)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(lái)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(jiǎn)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(chǎng)對(duì)場(chǎng)景敏感型功能不斷增長(zhǎng)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(cè)功能“始終開啟”。