傳感器已成為許多系統(tǒng)中的常規(guī)功能。它們與許多其他外圍設(shè)備一起存在，以增加可以納入系統(tǒng)正在完成的工作的環(huán)境輸入范圍。但是，在某些系統(tǒng)中，傳感器的數(shù)量可能會(huì)壓倒其他更傳統(tǒng)的外圍設(shè)備，并且可能比其他外圍設(shè)備更能影響性能。

與智能手機(jī)相比，這不是一個(gè)問(wèn)題。從一個(gè)或兩個(gè)具有專(zhuān)用功能的傳感器，移動(dòng)平臺(tái)大大增加了傳感器的數(shù)量，并向那些夢(mèng)想有新事物的有進(jìn)取心的開(kāi)發(fā)人員開(kāi)放了傳感器數(shù)據(jù)。建筑師在整合傳感器時(shí)可能從未設(shè)想過(guò)這些應(yīng)用。

因此，當(dāng)直接連接到應(yīng)用處理器（AP）時(shí)，傳感器（包括用于屏幕的觸摸傳感器）變得更加沉重。借助用于環(huán)境光，接近度，加速度，旋轉(zhuǎn)甚至磁場(chǎng)，壓力，濕度，輻射和化學(xué)傳感的傳感器，可以有效地從AP卸載傳感器的管理。

如果AP需要每一塊傳感器數(shù)據(jù)，那么除了用這些數(shù)據(jù)充斥AP之外別無(wú)選擇。然而，傳感器，如果他們正在工作，只需報(bào)告他們看到的內(nèi)容。從最基本的角度來(lái)看，它們并不意味著對(duì)數(shù)據(jù)的意義 - 這就是處理器的作用。傳感器在過(guò)去幾年變得更加智能化，但傳感器的決策范圍仍然有限。之后，某些處理器必須決定與數(shù)據(jù)有關(guān)的內(nèi)容（如果有的話）。

雖然AP最終可能會(huì)使用相關(guān)數(shù)據(jù)，但只是為了跟蹤數(shù)據(jù)并確定相關(guān)內(nèi)容，這可能是一項(xiàng)相當(dāng)大的工作。正如專(zhuān)用電路處理無(wú)線電，視頻，圖形和其他密集功能一樣，傳感器集線器可以通過(guò)屏蔽AP免受可能被忽略的傳感器事件來(lái)釋放處理器帶寬。通過(guò)允許AP進(jìn)入睡眠狀態(tài)，即使傳感器仍處于活動(dòng)狀態(tài)，傳感器集線器也可以延長(zhǎng)電池壽命。

傳感器接口

傳感器具有多種接口，用于與系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。大多數(shù)人使用SPI或I2C等外設(shè)總線方案來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，但這就是大部分共性的結(jié)束。我們將看幾個(gè)例子，這些例子可以說(shuō)明為什么可以保證傳感器集線器。

一個(gè)例子是來(lái)自Kionix的加速度計(jì)KXTIK-1004，它展示了基本和更復(fù)雜的相互作用。它碰巧有一個(gè)I2C接口，雖然有SPI變種。它是一個(gè)三軸加速度計(jì)，能夠檢測(cè)x，y和z方向的加速度。它是一款體積較小的器件，采用3 x3mm2LGA封裝。它具有可編程范圍，允許+/- 2，4或8 g范圍。其框圖如圖1所示。

圖1：KXTIK-1004框圖。 （由Kionix提供。）

與大多數(shù)傳感器一樣，KXTIK-1004采樣內(nèi)部狀態(tài) - 在這種情況下是相對(duì)電容 - 并提供一組運(yùn)行的數(shù)據(jù)。這曾經(jīng)是舊傳感器上傳輸數(shù)據(jù)的唯一方式，需要不斷監(jiān)聽(tīng)。問(wèn)題在于傳感器從根本上報(bào)告當(dāng)前的加速度，并且由聽(tīng)眾決定加速度是否已經(jīng)變得足夠有意義以及決定其意義是什么。

KXTIK-1004仍允許訪問(wèn)原始數(shù)據(jù)。傳感器將所有采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在8位寄存器中，可通過(guò)I2C端口訪問(wèn)。數(shù)據(jù)分辨率可以是12位，這需要使用兩個(gè)寄存器，或者只需要8位，將讀取時(shí)間減半;控制設(shè)置指定分辨率?？梢允褂脠D2將寄存器值或“計(jì)數(shù)”轉(zhuǎn)換為實(shí)際加速度值。

圖2：加速度可以從寄存器值確定。 （由Kionix提供。）

由于未直接讀取加速度，如果使用此方法需要絕對(duì)值，則讀者必須執(zhí)行轉(zhuǎn)換。如果這是訪問(wèn)數(shù)據(jù)的唯一方法，那么連接到它的處理器將需要不斷輪詢，觀察值的有用變化。

輪詢頻率也很重要。寄存器值定期更新。如果輪詢速度太慢，那么您只會(huì)對(duì)偶爾的讀數(shù)進(jìn)行采樣，而忽略臨時(shí)讀數(shù)。使用此特定傳感器，您可以將輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）設(shè)置為更接近輪詢速率。理論上，當(dāng)使用12位分辨率時(shí)，時(shí)序可能是一個(gè)問(wèn)題，這需要讀取兩個(gè)寄存器：在讀取一個(gè)寄存器之后但在讀取第二個(gè)寄存器之前，不希望數(shù)據(jù)更新。幸運(yùn)的是，在這種情況下，讀取受到保護(hù)，以確保讀取的兩個(gè)寄存器都反映相同的數(shù)據(jù)樣本。

中斷電路減少了輪詢的需要，中斷電路不僅可以通知處理器新數(shù)據(jù)何時(shí)可用，還可以識(shí)別幾種常見(jiàn)類(lèi)型的加速事件。減少了處理器的負(fù)擔(dān)，不僅因?yàn)樗槐赜?jì)算事件，還因?yàn)楫?dāng)事件發(fā)生時(shí)，發(fā)送中斷。這意味著，如果這些事件都很重要，則不需要輪詢。

KXTIK-1004可以識(shí)別四個(gè)一般事件：運(yùn)動(dòng)，輕擊，傾斜變化和“水印”事件（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。有一個(gè)中斷引腳，引腳11（INT）?？梢詫⒁_編程為由于任何這些事件而觸發(fā)。當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)，可以讀取狀態(tài)寄存器以確定發(fā)生了什么事件并收集任何相關(guān)數(shù)據(jù)。

讓我們以“傾斜”為例。此功能會(huì)創(chuàng)建一個(gè)中斷，可以指示系統(tǒng)在手機(jī)上旋轉(zhuǎn)屏幕?？梢栽诳刂萍拇嫫髦性O(shè)置許多參數(shù)。這些包括傾斜O(jiān)DR（可以與其他功能的ODR不同），在確定手機(jī)處于新?tīng)顟B(tài)之前傾斜的時(shí)間長(zhǎng)度，滯后以及它決定手機(jī)的時(shí)間點(diǎn)“平坦”（即無(wú)法分辨旋轉(zhuǎn)屏幕的方式）。給定這些參數(shù)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到電話已進(jìn)入新的傾斜狀態(tài)時(shí)，它可以發(fā)出中斷。

當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，處理器可以讀取兩個(gè)寄存器，其中一個(gè)提供先前的傾斜位置，另一個(gè)提供新的傾斜位置。傾斜位置表示為一個(gè)狀態(tài)，每個(gè)寄存器有六位標(biāo)識(shí)適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，如圖3所示。

圖3：Tilt狀態(tài)由TILT_POS_CUR和TILT_POS_PRE寄存器中的位指示。 （由Kionix提供。）

同樣，可以識(shí)別單擊和雙擊，以及喚醒單位的運(yùn)動(dòng)事件，所有這些都具有可以設(shè)置的各種參數(shù)。數(shù)據(jù)緩沖也可以由FIFO處理，該FIFO可以在FIFO模式下使用（一旦完整，沒(méi)有寫(xiě)入新數(shù)據(jù) - FILO也可用）或流模式（當(dāng)滿時(shí)，最舊的數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)覆蓋）?？梢远x“水印”級(jí)別，指示何時(shí)達(dá)到特定填充水平;當(dāng)水印被擊中時(shí)，可以觸發(fā)中斷。

在這個(gè)傳感器中，有許多選項(xiàng)可以減少處理器必須做的工作量 - 然而仍然需要管理中斷事件并對(duì)其來(lái)源進(jìn)行排序這樣就可以采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

另一個(gè)傳感器示例是意法半導(dǎo)體的L3G4200D陀螺儀（見(jiàn)圖4）。它允許通過(guò)I2C或SPI接口進(jìn)行通信。它還有一個(gè)基本的DRY（數(shù)據(jù)就緒）中斷，用于指示準(zhǔn)備讀取的新樣本，并且它有一個(gè)可以在FIFO或流模式下工作的FIFO。

圖圖4：L3G4200D陀螺儀的框圖。 （STMicroelectronics提供。）

無(wú)論是簡(jiǎn)單地讀取數(shù)據(jù)還是使用FIFO，讀取速率都很重要。如果你閱讀速度太慢，你可能會(huì)錯(cuò)過(guò)樣本，或者你可能會(huì)從一個(gè)樣本中讀取X數(shù)據(jù)，然后從下一個(gè)樣本中讀取Y數(shù)據(jù)，然后從第三個(gè)樣本中讀取Z數(shù)據(jù)，這意味著您將永遠(yuǎn)不會(huì)獲得單個(gè)樣本的所有信息樣品。 （BDU功能允許您在覆蓋之前讀取兩半樣本數(shù)據(jù)。）在FIFO模式下使用FIFO時(shí)，讀取太慢將導(dǎo)致阻塞;在流模式下，它會(huì)導(dǎo)致溢出。

這使得處理器的負(fù)擔(dān)在使用這些模式時(shí)繼續(xù)關(guān)注陀螺儀。但是，該器件確實(shí)為水印，F(xiàn)IFO溢出，移動(dòng)（用于喚醒），不移動(dòng)和選擇軸活動(dòng)提供中斷。這些中斷減少了一些閱讀工作。

使用“組合”傳感器可以緩解一些監(jiān)測(cè)多個(gè)傳感器的工作。例如，ADI公司的ADIS16367（見(jiàn)圖5）結(jié)合了加速度計(jì)和陀螺儀。它有一個(gè)可用作數(shù)據(jù)就緒中斷的信號(hào)，因此通過(guò)SPI接口讀取的數(shù)據(jù)可以提供來(lái)自兩個(gè)傳感器的樣本。

圖5：框圖ADIS16367組合加速度計(jì)和陀螺儀。 （由Analog Devices，Inc。提供）

最后一個(gè)例子是Atmel的AT42QT1110觸摸控制器。該設(shè)備與觸摸板一起工作，以在特定鍵的電容發(fā)生變化時(shí)發(fā)出信號(hào)，表示觸摸。它可以使用7鍵或11鍵鍵盤(pán)，并且可以通過(guò)SPI進(jìn)行通信。

在7鍵模式下，每個(gè)鍵都有一個(gè)引腳用于指示觸摸。在11鍵模式下，使用內(nèi)部時(shí)鐘或通過(guò)提供外部SYNC信號(hào)（將可檢測(cè)到的焊盤(pán)數(shù)量減少到10）定期進(jìn)行讀取。該器件還有一個(gè)CHANGE引腳，可在鍵發(fā)生變化（觸摸或釋放）時(shí)發(fā)出信號(hào)。這可以充當(dāng)中斷，減少與實(shí)際觸摸或釋放事件一致的讀取次數(shù)。

管理傳感器數(shù)據(jù)采集和中斷

在所有這些情況下，可以選擇直接讀取原始數(shù)據(jù)或響應(yīng)任何中斷。如果中斷準(zhǔn)確地提供了感興趣的事件，并且如果這些事件需要由AP處理，則可能需要直接的傳感器到AP連接。但是，有幾個(gè)原因可能導(dǎo)致不建議直接連接。

如果需要原始數(shù)據(jù)，讀取所需的時(shí)間可能需要AP過(guò)多關(guān)注。/li》

即使有中斷，一些傳感器 - 尤其是允許滑動(dòng)和多點(diǎn)觸摸的觸摸屏 - 也會(huì)產(chǎn)生大量中斷。

如果需要進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)資格或融合，然后這成為AP的負(fù)擔(dān)。

對(duì)事件的一些較低級(jí)別的響應(yīng) - 比如屏幕的旋轉(zhuǎn) - 可能不需要AP完成，這意味著某些較低級(jí)別實(shí)體可以在不涉及AP的情況下捕獲和執(zhí)行該事件。

最后，也許最重要的是，AP消耗大量功率，重要的是AP在不需要時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果AP承擔(dān)管理傳感器的全部責(zé)任，則無(wú)法進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 （事實(shí)上，傳感器中斷可用于喚醒AP。）

由于這些原因，越來(lái)越傾向于在傳感器和AP之間放置一個(gè)設(shè)備;這樣的設(shè)備通常被稱(chēng)為“傳感器集線器”。它的職責(zé)是維持與所有傳感器的低級(jí)對(duì)話，監(jiān)視事件，在其低級(jí)權(quán)限內(nèi)執(zhí)行這些事件，處理低級(jí)融合，并傳遞只有那些既是AP關(guān)注的相關(guān)和必要用途的事件，也只對(duì)AP有用。

兩種設(shè)備中的一種可以承擔(dān)傳感器集線器的角色。 FPGA具有邏輯意義，但只有非常小的FPGA具有必須考慮用于移動(dòng)設(shè)備等應(yīng)用的成本結(jié)構(gòu)。另一種選擇，更典型的是微控制器。監(jiān)控傳感器的關(guān)鍵資源歸結(jié)為I2C或SPI的可用性，以及微控制器如何處理外部中斷。

例如，Atmel的ATmega48A是一個(gè)8位RISC微控制器，具有4 K字節(jié)的FLASH，256 K字節(jié)的EEPROM和512 K字節(jié)的RAM;它可以通過(guò)I2C和SPI進(jìn)行通信。該器件有兩種類(lèi)型的中斷：“引腳更改”中斷和“外部”中斷。前者允許24個(gè)引腳中的任何一個(gè)通過(guò)三個(gè)中斷標(biāo)志觸發(fā)中斷（每個(gè)標(biāo)志對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的中斷向量）。每個(gè)標(biāo)志與24個(gè)引腳中的8個(gè)相關(guān)聯(lián)。

還有兩個(gè)電平或邊沿觸發(fā)的外部中斷引腳，稱(chēng)為INT0和INT1。每個(gè)都有自己的中斷向量。這產(chǎn)生了總共26個(gè)引腳和五個(gè)不同的矢量目標(biāo)，為許多傳感器和其他可能的外部中斷源留出了空間。

Microchip的PIC18F2520是一款16位微控制器，具有32 K的FLASH，1536字節(jié)的SRAM和256字節(jié)的EEPROM，也可以通過(guò)兩種接口類(lèi)型進(jìn)行通信。它有三個(gè)邊沿敏感的外部中斷引腳，具有可編程優(yōu)先級(jí)，INT1和INT2可以為高電平或低電平（INT0的優(yōu)先級(jí)固定為高電平）。此外，PORTB的引腳7：4可用作引腳更改中斷;它們的優(yōu)先級(jí)也可以編程為高或低。最后，飛思卡爾半導(dǎo)體的MCF51QE32是一款32位ColdFire微控制器，具有32 K字節(jié)的FLASH和8 K字節(jié)的RAM，具有兩個(gè)SPI和兩個(gè)I2C端口。它有一個(gè)IRQ外部中斷引腳和精心設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)方案。中斷有七個(gè)“級(jí)別”，每個(gè)級(jí)別有七個(gè)優(yōu)先級(jí)。各種中斷（主要是內(nèi)部生成的）在結(jié)果矩陣中占據(jù)不同的位置（見(jiàn)圖6）。外部中斷引腳以最高級(jí)別，中點(diǎn)優(yōu)先級(jí)運(yùn)行。這種單引腳方案可以很好地用于多傳感器組合，對(duì)所有傳感器數(shù)據(jù)更新都有一個(gè)中斷。

圖6：MCF51QE32的中斷優(yōu)先級(jí)矩陣。 IRQ引腳在7級(jí)具有中級(jí)優(yōu)先級(jí)。（由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供。）

總結(jié)

隨著傳感器的數(shù)量被集成到各種嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用處理器因?yàn)樾枰闹芷诙蔀楣芾硭鼈兊牟涣歼x擇，這樣做意味著AP無(wú)法入睡，消除了關(guān)鍵機(jī)會(huì)節(jié)省電力。使用小型低功耗微控制器來(lái)聚合傳感器信號(hào)允許主處理器專(zhuān)注于更重要的事情或睡眠，只有在有重要事項(xiàng)應(yīng)該解決時(shí)才會(huì)被中斷。