MEMS、MCU和傳感器融合的平衡

摘要：MEMS傳感器技術(shù)的流行，讓傳感器技術(shù)的應(yīng)用變得越來越廣泛，與此同時，配合傳感器的MCU產(chǎn)品也必須做出一定的調(diào)整，以適應(yīng)傳感器和MCU相配合以達(dá)到最優(yōu)的整體應(yīng)用效果。本文詳細(xì)分析了如何在MEMS傳感器和MCU之前進(jìn)行設(shè)計的平衡。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/192731.htm

關(guān)鍵詞：MEMS；MCU；傳感器；集成

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.006

最近幾年，在消費電子和工業(yè)控制領(lǐng)域中，慣性MEMS和相關(guān)傳感器出現(xiàn)了爆炸式增長，采用這些傳感器解析數(shù)據(jù)的需求也大幅增加，而在何處進(jìn)行這種處理是一個復(fù)雜的問題。由于每個系統(tǒng)設(shè)計人員考慮的優(yōu)先事項不同，所以至今也沒有一個正確答案。從對您的產(chǎn)品和業(yè)務(wù)的整體重要性來看，您作為系統(tǒng)設(shè)計人員，需要確定以下幾個因素的優(yōu)先次序：

1. 融合輸入的精確度

2. 功率

3. 區(qū)域/空間考慮要素

4. 易于集成

5. 成本和供應(yīng)鏈靈活性

讓我們從后往前開始討論。在“灰色市場”中，優(yōu)先考慮的往往是成本和/或供應(yīng)鏈靈活性。在這種情況下，原始設(shè)備廠商經(jīng)常會依據(jù)“最小公分母”原則選擇傳感器和MCU。在手機(jī)和平板電腦中，為了支持在應(yīng)用處理器上直接進(jìn)行融合，可能會完全忽略MCU。

單個傳感器（加速度傳感器、陀螺儀、磁力計等）可能是一個“復(fù)選框”項目，一個廠商的傳感器也可能會被另一個取代，以確保最低成本或不間斷的供應(yīng)鏈。通常，消費者不得不接受更高的功耗和有限的功能，并將為此支付費用。應(yīng)用處理器操作時，會消耗大量電力，而進(jìn)行低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，會花費大量時間。各個傳感器的單獨中斷加劇了這一問題。此外，應(yīng)用處理器上運(yùn)行的操作系統(tǒng)通常不支持實時處理，從而限制了利用傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用類型。

傳感器集線器包含傳感器融合實時處理功能，通常支持最簡單的集成。圖2顯示了第一代系統(tǒng)。

選擇系統(tǒng)MCU時，應(yīng)考慮兩種因素：低功耗狀態(tài)的快速切換和低中斷延遲。由于融合在MCU上進(jìn)行，因此應(yīng)用處理器可以按需訪問數(shù)據(jù)。AP降低的功耗要求大大彌補(bǔ)了獨立MCU消耗的功率。然而，會消耗更多的板卡空間，系統(tǒng)成本將隨著MCU和關(guān)聯(lián)無源組件的成本而增加。

對于那些嘗試設(shè)計包含傳感器融合的首個系統(tǒng)的設(shè)計人員來說，開發(fā)圖2所示的系統(tǒng)將是一個艱巨任務(wù)。融合算法很復(fù)雜，需要耗費大量精力。但如果傳感器制造商提供在 MCU上運(yùn)行的融合軟件，從集成角度來看，該系統(tǒng)將變得非常簡單。如果制造商提供子系統(tǒng)的原理圖和布局信息，則會更簡單。一個例子是飛思卡爾面向Windows 8的12軸Xtrinsic傳感器參考平臺，拓寬了微軟Windows 8對傳感融合技術(shù)的支持范圍。這套完整的硬件和軟件解決方案融合了加速度傳感器、磁力計和陀螺儀數(shù)據(jù)，采用飛思卡爾ColdFire+ MCU，以保證高質(zhì)量。最優(yōu)傳感器融合通過支持Microsoft的硬件和軟件，提供輕松集成，加快開發(fā)速度，面向平板電腦、手寫板、筆記本電腦以及其他移動設(shè)備應(yīng)用。MCU+廣泛的傳感器，可以實現(xiàn)全面集成的硬件解決方案，12軸解決方案提供低功率設(shè)計以適用于便攜式設(shè)備的需求，可以說傳感器融合對Windows 8而言是非常重要系統(tǒng)解決方案 。

隨著MEMS和封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器制造商現(xiàn)在能夠組合圖1和2所示的一些傳感器類型。如果成本和/或板卡空間是最重要的因素，許多傳感器采用普通封裝通常就可以。如果精確度是最重要的因素，您可能希望對磁力計采用獨立封裝，使之與加速度傳感器和陀螺儀分開。通常，PCB邊緣的磁干擾最小，而加速度傳感器和陀螺儀則在器件中心時性能最佳。同樣，壓力傳感器的最佳放置地點是可與外界通風(fēng)的位置（可能在麥克風(fēng)附近）。

圖2所示系統(tǒng)可以進(jìn)一步在兩個不同方向發(fā)展。從功率角度看，最有效的方法可能是，在與應(yīng)用處理器相同的芯片上添加一個獨立的MCU，配備其自己的電源和時鐘管理。但目前通常不提供這種選項。即使（如果）AP制造商提供這種選項，您仍然會有疑問“誰為融合子系統(tǒng)提供軟件”。

另一種方法是將MCU與一個或多個傳感器相集成。飛思卡爾稱之為“智能傳感器集線器”，并曾在2011年推出MMA955x系列器件時介紹了這一概念。其他廠商（特別是Bosch和ST）近期也推出了配備了集成式MCU的設(shè)備；飛思卡爾預(yù)計將于近期推出另一款產(chǎn)品。

當(dāng)選擇智能傳感器集線器時，您希望查看廠商是僅僅將MCU連接到現(xiàn)有傳感器上，還是為傳感器融合優(yōu)化系統(tǒng)。一般來說，這是“優(yōu)化功率”的代名詞。讓我們來看看圖3所示的系統(tǒng)背景中的一些優(yōu)化。

內(nèi)存：智能傳感器集線器通常從閃存運(yùn)行。就芯片面積和成本而言，閃存和RAM都是昂貴的資源。您是否有足夠的內(nèi)存來完成這項工作？另外，您支付的內(nèi)存超出了您的需求嗎？RAM/閃存比例適合您的應(yīng)用嗎？通常來講，融合算法需要的RAM比基礎(chǔ)控制應(yīng)用需要的多。每三次或四次閃存采用1KB的RAM可能適合融合應(yīng)用。人們通常想要更多，而不愿意得到的更少。

閃存往往是系統(tǒng)中速度最慢的存儲器。閃存接入是否妨礙了您的系統(tǒng)性能？或者您是否有某類閃存高速緩存器或面向未來的緩沖器？

時鐘域：當(dāng)傳感器集線器處于低功耗狀態(tài)時，負(fù)責(zé)與主系統(tǒng)通信的從端口接口是否能夠正常運(yùn)行？低功耗狀態(tài)有多低？ 理想情況是能夠關(guān)閉集線器上的所有時鐘。這意味著您的串行端口需要外部計時。大部分標(biāo)準(zhǔn)MCU將串行端口時鐘看作數(shù)據(jù)，以2倍或4倍的數(shù)據(jù)速率來采樣數(shù)據(jù)。這會消耗功率，但在數(shù)據(jù)穿過集線器內(nèi)的時鐘域時保證不會出現(xiàn)問題。為集線器優(yōu)化的MCU不會強(qiáng)制您選擇這個選項。

時鐘頻率：您將系統(tǒng)從慢時鐘速率切換到快時鐘速率或者再切換回慢速率的速度有多快？MCU經(jīng)常使用鎖相環(huán)路功能來執(zhí)行慢時鐘頻率乘法運(yùn)算，達(dá)到實用范圍。鎖相環(huán)路運(yùn)行良好，但會消耗（根據(jù)傳感器標(biāo)準(zhǔn)）大量功率，也需要花一些時間來鎖定最終頻率。圖3所示系統(tǒng)使用一個按需在兩個頻率之間切換的振蕩器。

內(nèi)部派生時鐘經(jīng)常隨著溫度產(chǎn)生1% -3%變化。針對不同應(yīng)用，您可能對此并不在乎。但如果您在乎（如果您正在整合速率，您就會在乎），可以考慮采用緩慢外部時基，將其輸入到一個片上定時器。根據(jù)內(nèi)部時鐘周期測量外部時鐘，并根據(jù)觀察到的比率，動態(tài)地調(diào)整幀速率。

采樣率：您如何管理采樣率？ 圖3所示系統(tǒng)包括確保恒定幀速率的定制“幀間隔計數(shù)器”，與高頻/低頻操作模式的時長無關(guān)。如果您的設(shè)備有晶體振蕩器，頻率（32kHz）是否適度，是否會消耗過多功率？模數(shù)轉(zhuǎn)換器精確度：您的轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率有多少有效位？ 轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度之間是否平衡？

硬件加速器：您的智能傳感器集線器是否提供了識別主要運(yùn)動事件（在硬件方面，無CPU干預(yù)）的所有選件？引擎的通用性如何？ 同樣，如果硬件中實施了一部分算法，這些算法是否能夠通用，還是要求您采用特定的融合庫？

其它設(shè)備：您的智能傳感器集線器在管理其它設(shè)備方面有沒有限制？ 您是否有足夠帶寬、用于緩存的RM，以及用于計算的MIPS？

開放性：您的集線器是否是固定的功能，或者您是否能夠定制其上的代碼？ 是否有實現(xiàn)這些目的所需庫和工具？ 如果采用Android操作系統(tǒng)，是否需要提供驅(qū)動程序和定制HAL（硬件抽象層）？ 如果采用Windows 8操作系統(tǒng)，集線器制造商是否提供HID/I2C或HID/USB接口？

一般來說，所有這些因素將會推動系統(tǒng)設(shè)計人員從下面兩個方面來考慮解決辦法：最大限度地減少依靠更高級的軟件功能實現(xiàn)融合的傳感器數(shù)量；或者采用傳感器制造商打造的高度集成的傳感器子系統(tǒng)和參考設(shè)計，實現(xiàn)輕松集成和定制。