發布日期：2022-05-11 點擊率：120
從簡單的正/負溫度系數器件到更為成熟的基于光學的子系統、旋轉編碼器和溫度傳感器，感測一都直是電子系統的一個重要部分。
在工業、汽車和醫療應用中使用傳感器的其中一個最重要領域就是模擬前端 (AFE)，這一轉換過程負責采集真實屬性并在數字域中精確地予以重現。通過傳感器本身，AFE 可定義整個系統性能。
在消費者領域和更為廣范的 IoT 中，大型應用專用傳感器已被小型、高度集成的 MEMS 器件所取代，AFE 也因此被串行總線替代。如此一來，微控制器的大部分設計負擔就轉移到了系統核心中，尤其是在使用多個傳感器的應用中。這就是如今幫助驅動 IoT 的模式，但是在單個器件引入多個傳感器將會出現獨特的挑戰。
基于 MEMS 傳感器（微電子機械系統）的出現意味著電子系統設計的一個重大改變，但這種改變并非在一夜之間發生的。該技術需要經過多年完善和成本優化，不過最近幾年從智能手機領域大獲裨益。
一些行業分析人員認為，由于利潤收縮，需求趨平，與過去相比，MEMS 的未來將更加難以預測。但是，可穿戴技術的不斷興起和 IoT 不可阻擋的增長勢頭很可能使 MEMS 技術在未來一段時間內仍然是核心和使能技術。另外，包括工業、醫療和汽車在內的成熟市場也是該技術的積極擁躉，據估計，現在每輛車平均含有 20 個 MEMS 傳感器。
在醫療應用中，微流體傳感器開始出現在可植入醫療設備中。這類應用將為制造商提供繼續投資該技術的機會，最終惠及其他市場。
如今，IoT 可能是最大的機會。通過增加傳感器，我們可以測量每個可想到的參數，從而使日常使用的物品、設備和服務變得“更加智能”。這些參數包括壓力、溫度和慣性（如加速度、方向、位置和廣義運動）。
捕捉一種參數可極大增加設備的功能，但將多種參數融合所得功能會比單純將各部分加總而得的功能更為強大。“傳感器融合”將幫助驅動新應用，是 IoT 的一部分，并因此幫助填充人們所熟悉的“大數據”現象。傳感器融合是應用到為傳感器輸入帶來更廣闊語境的術語，如將俯仰和滾轉與地理位置、加速度與經過時間、溫度與海拔相結合。它實際上是推斷測量以外其他數據的過程，其方式幾乎可以認為是智能。
傳感器融合解決方案所需的表象智能必然要通過軟件實現。其通常由一個庫提供，該庫可在能夠提供應用所需的處理性能的內核上運行。在許多應用中，測量變化相對緩慢的物理參數通常可通過 32 位甚至 16 位微控制器實現。
一些制造商已經開發了完全集成的傳感器集線器，如 Bosch Sensortec 的 BHA250。這種創新器件集成一個三軸加速計和運動檢測的軟件算法，可在集成式可編程“融合器內核”微控制器上運行。BHA250 本身可用于可穿戴設備，以檢測各種形式的活動。不過，如圖 1 所示，它還可以通過 I2C 連接的其他傳感器進一步擴展，從而解決其他應用需求。
圖 1： Bosch Sensortec 的 BHA250 傳感器集線器提供了一個完全集成的加速計，并且能夠與其他外部傳感器連接。
“融合器內核”可處理 I2C 接口接收到的“原始”傳感器數據，通過寄存器映射傳輸到主機處理器。這種情況下，主機處理器可能運行其他軟件，如 Bosch Sensortec 的 FusionLib 軟件，一種可結合加速計、陀螺儀和地磁傳感器所得測量結果的 9 軸解決方案。
該示例很好地演示了傳感器融合如何用于創建數字域中一個更詳盡的真實世界表示。隨著越來越多傳感器的引入，其將超出慣性傳感器的范圍，包括環境和光學技術。
雖然使用應用特定器件（如 BHA250）可能解決這一問題，但至少在短期內，OEM 也有可能將轉向更通用的微控制器 (MCU) 來開發傳感器融合解決方案。現在的高性能低功耗 MCU 的額外優勢包括可提供其他外設、啟用傳感器集線器以成為整個系統的心臟。
由于其自身的特性，通用 MCU 集成外設應用廣泛，不過，我們通常還需要權衡價格、性能、功率和外設，因此，其最終使用范圍將限制在十分特定的領域。 有鑒于此，為特定終端應用優化的 MCU 仍十分普遍。尤其是對于超低功耗應用以及最近的傳感器融合更是如此。這類器件的新增產品之一就是 NXP Semiconductors 的 Kinetis KL28Z。
圖 2： Kinetis KL28Z 的框圖，為傳感器融合應用優化的 MCU。
該器件基于 ARM? Cortex?-M0+ 內核，旨在為特定性能盡可能提供最低功耗，并將傳感器集線器列為其目標應用之一。如圖 2 所示，它集成了許多模擬特性和各種數字接口，包括一個可仿真各種標準接口的 FlexIO 模塊。該器件還集成了許多安全特性，包括支持 AES/DES/3DES/MD5/SHA 和真數生成的加密加速，這對 IoT 應用來說非常重要。它還提供三個低功耗 SPI 模塊、三個低功耗 UART 模塊以及三個低功耗 I2C 模塊，可支持最高 5 MB/s 的速度。
軟件已日益成為傳感器融合整體解決方案中的一個重要部分，這也是為什么智能感測框架 (ISF) 可以支持 Kinetis 系列的原因。其核心功能如圖 3 所示。除了支持 Kinetis 系列，該框架還可支持各種 Freescale 傳感器，包括加速計（含 FXLC95000CL 系列）、陀螺儀、磁力儀（如 FXOS8700）和壓力傳感器、模擬輸出傳感器，以及 MMA955xL NXP 智能計步器傳感器。
圖 3： ISF 核心服務可提供傳感器抽象和協議適配器。
在感測應用于 IoT 時，其本質上是“無線”的，因為使用的大部分傳感器都是悄無聲息地感測周圍狀況。因此，其整體系統解決方案自然也是無線的。當然，許多開發的 IoT 傳感器節點也會使用一些本地、個人或廣域無線網絡的形式，這其實并不足為奇。
同樣，可提供傳感器融合和無線連接的 MCU 也將在 IoT 中占有一席之地。這所說的正是 Texas Instruments CC2650 系列無線 MCU。除了 ARM Cortex-M3 內核，CC2650 無線 MCU 集成了一個 2.4 GHz RF 模塊，允許通過使用藍牙、ZigBee、6LowPAN 和 ZigBee RF4CE 進行通信。為此，可將 IEEE 802.15.4 MAC 嵌入在 ROM，然后在一個單獨但集成的 ARM Cortex-M0 內核上局部運行。TI 可免費提供藍牙和 ZigBee 堆棧。
CC2650 包含在 CC2650MODA 模塊中，并且使用了 MCU 的集成式超低功耗傳感器控制器，可自主運行，因此能在正常運行和非活動期時保留系統功耗（見圖 4）。
其可能包括使用集成式 ADC 監視模擬傳感器、通過 GPIO、I2C 和 SPI 監視數字傳感器、電容感測（如靠近時喚醒）、鍵盤掃描或脈沖計數。低功耗時鐘比較器也包含在內，其能夠從任何狀態喚醒器件。傳感器控制器中的每種功能均可自主選擇啟用或禁用。
圖 4： TI 的 CC2650 無線 MCU 可提供 2.4 GHz 無線連接和專用的自主傳感器控制器。
圖 5： CC2650MODA 模塊。
傳感器的涌現將會提供有關我們的環境和周圍事物的更多細節信息。這些傳感器與功能 MCU 結合后變得“更加智能”，當多個智能傳感器置于一個應用中時，要比單純將各部分加總而得的功能更為強大。
傳感器融合將為 IoT 帶來智能傳感器，反過來也為基礎設施提供“大數據”。這將從根本上改變我們生產、發展、運輸和消費等的一切方式。
半導體制造商將開始接受這一挑戰，開發最優平衡的 MCU，使性能和低功耗操作達到一個合適的均衡水平。傳感器制造商會繼續將物理性能推向極致，確保傳感器融合繼續發展，實現尚未考慮的應用。我們將從根本上改變我們與世界的連接方式，而每個領域也將得益于
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