基于mcu的组合传感器和集线器解决方案

　　今天的手机、平板电脑和其他无线数字设备现在包括各种传感器，这些传感器提供位置、方向、高度、接近度和触摸感应功能。这些传感器每个都提供必须由主机系统的主处理器或芯片捕获和处理的数据输出流——经过优化以处理多个传感器数据流并将这些数据流预处理成主机处理器可以轻松吸收的形式。由于有限的引脚数和电路板空间可能已经被系统中的所有其他功能非常拥挤，将所有传感器数据流路由到主机处理器可能会带来挑战。

　　因此，使用传感器集线器收集所有传感器数据，执行一些预处理，然后将单个压缩数据流发送到主机处理器，可以简化系统设计并降低系统功耗。较低的功耗是由两个因素造成的——首先，主机处理器不必处理中断或其他为传感器数据提供服务的任务，其次，用作集线器的低功耗微控制器可以管理大部分传感器数据，准备使用 I²C 串行总线实现中低数据传输速度（低于 500 kbits/s）或 SPI 总线实现更高数据速率（高达几 Mbits/s）的高效传输到主机。

　　今天，大多数传感器数据的处理都是由运行在应用处理器上的软件完成的。然而，如果传感器必须在后台连续运行，使用应用处理器会增加系统的功耗——这在手机和平​​板电脑中是不可取的，因为它们的功率预算有限。手机和平板电脑通常有十几个传感器——不仅仅是运动传感器，还有麦克风、光传感器、触摸屏、接近传感器，甚至可能还有温度和湿度传感器，以提供活动监控、语音命令操作和上下文感知，仅举几个用途。因此，对低功耗解决方案的需求变得至关重要。

　　创建传感器集线器——通常是来自 Atmel、NXP等供应商的专用微控制器，STMicroelectronics和Texas Instruments – 允许设计人员最大限度地减少对主机处理器的硬件和固件更改，并在传感器更改或升级时允许轻松更新。或者，传感器集线器可以集成到无线系统中的主应用处理器中，但这需要对应用处理器进行适度更改，从而可能增加处理器的复杂性。然而，这种解决方案消除了对单独集线器芯片的需求，如果印刷电路板空间极其有限，这可能是一个关键的选择。

　　另一种选择是将传感器和低功耗微控制器组合在一个芯片上或一个多芯片封装中，从而将传感器和集线器呈现为单封装解决方案。当上市时间是一个关键因素时，这种紧凑的解决方案将需要最小的电路板空间并提供快速的预封装解决方案。此外，随着将现场可编程门阵列技术集成到芯片中的成本降低，我们还可以开始看到可编程结构传感器集线器，只需下载新的 FPGA 配置比特流即可重新配置。

　　在手机或平板电脑等平台上运行的应用程序需要同时分析和融合来自不断收集数据的多个传感器的数据。传感器通常包括运动（加速度计、陀螺仪、磁力计）、环境（温度、气压、湿度、光照水平、颜色）和其他参数，例如环境噪声、接近度和触摸。此类传感器可从 Analog Devices、InvenSense、Kionix和STMicroelectronics等供应商处获得，仅举几例。为了将这些传感器输出的集合融合到主机应用程序可以解释的数据流中，低功耗传感器集线器提供了多种输入和处理能力，以便为应用程序处理器准备数据。

　　Atmel 的此类传感器集线器处理器的示例包括该公司的SAM D20、D21和SAM G基于 ARM Cortex-M0+ 处理器内核的微控制器。例如，D21 系列的成员包含四个或六个串行通信模块 （SERCOM）。这些模块是完全软件可配置的，可以处理 I²C、USART/UART 和 SPI 通信（图 1，右栏的中间）。借助芯片上的多个 SERCOM 模块，设计人员可以根据他们的应用精确地定制串行接口组合，满足每个传感器的要求。SAM D 21 上的 I²C 可以以高达 3.4 MHz 的频率运行（也支持 I²S、PMBus 和 SMBus）。此外，对于只有模拟输出的传感器，D21 的 20 通道 12 位 A/D 转换器可以将信号数字化，然后将它们发送到应用处理器。

　　图 1：由 Atmel 开发的 SAM D21 微控制器集成了多个软件可配置的串行端口，允许设计人员连接多个传感器。多通道 A/D 转换器还为没有数字输出的传感器提供输入。（见图表右侧的深蓝色方框。）

　　在撰写本文时，Atmel 刚刚发布了 SMART，这是其基于 ARM 的新品牌微控制器，集成了新的 SmartConnect SAM W23 模块，可实现物联网 （IoT） 应用的 Wi-Fi 连接。具有预集成网络软件堆栈的 D21 微控制器是 Atmel SAM W23 无线模块的核心。这个经过预配置和测试的 Wi-Fi 子系统可以轻松集成到应用程序中（图 2）。该模块可以作为一个独立的端点工作，收集然后通过其无线接口传输传感器数据，或者它可以连接到运行主应用程序的主机处理器，模块卸载一些数据收集和传输功能。这样的模块可以在工业、医疗、智能家居、安全和许多其他类似应用中得到广泛使用。

　　图 2：Atmel SAM W23 模块的核心是一个 D21 MCU。该 MCU 包含一个 ARM Cortex-M0+ 处理器、一个完全集成的 Wi-Fi 网络软件堆栈和多个串行 I/O 通道。

　　还有许多其他供应商也提供针对传感器集线器应用进行了优化的微控制器 — Microchip、恩智浦、意法半导体和德州仪器等。德州仪器刚刚推出了两个低功耗微控制器系列，即 MSP430FR59x 和 MSP430FR69x（现已提供样片，将于 2014 年第三季度全面量产），此外还有多种 I/O 选项和硬件 AES加密，还包括替代闪存或 EEPROM 存储的铁电非易失性 RAM — 59x 系列高达 64 KB，69x 系列高达 128 KB。FRAM 存储估计有 100 万亿个周期的磨损，而基于闪存的存储只有 10，000 个周期。这些芯片的待机功耗仅为 450 nA，运行时功耗为 100 µA/MHz。针对可穿戴、健康和健身、智能手表应用，以及家庭自动化和安全，

　　组合传感器和集线器解决方案也是可能的。其中一种设备是 Kionix 的 KX23H（刚刚从该公司提供样品），它包含一个基于 ARM 的传感器集线器，带有嵌入式 3 轴加速度计和固件，其中包括一个高级运动处理和上下文感知算法库。这些算法为设计人员提供计步器和卡路里计数程序，以及活动监控和检测停止/步行/跑步/汽车/火车等状态之间差异的能力。其他算法包括智能手机或平板电脑应用程序通常需要的功能——点击/双击、屏幕旋转、倾斜和其他常见功能。这些算法将在时钟频率为 32 MHz 的嵌入式 32 位 ARM Cortex-M0 处理器上运行。KX23H 还可以接受来自传感器的额外输入，例如陀螺仪、磁力计、和压力传感器，并具有运行传感器融合软件的能力，从而减轻了主机 CPU 或应用处理器的负担，降低了功耗，并简化了系统架构。Kionix 设备基于母公司开发的技术ROHM Semiconductor 的 LAPIS子公司（原 OKI Semiconductor）。

　　与 Kionix 方法类似，InvenSense 的MPU-9250 9 轴运动传感器结合了一个 3 轴加速度计、一个 3 轴陀螺仪和一个 3 轴磁力计（罗盘）以及一个动态运动处理器，该处理器可以预处理使用公司专有的 MotionFusion 算法的复杂 9 轴运动数据（图 3a）。封装的 FSYNC 引脚上的数字输入功能允许传感器支持电子图像稳定和 GPS 输入，而可编程中断支持手势识别、平移、缩放、滚动以及轻敲和抖动检测等应用。

　　该传感器采用微型 3 x 3 x 1 mm QFN 封装，几乎可以安装在任何空间受限的设备中，从智能手表、健身设备和智能手机，到平板电脑、医疗设备和工业系统。此外，传感器仅消耗 9.3 µA，从而最大限度地减少其对系统功率预算的影响。MPU-9250 实际上由两个采用微型 QFN 封装的芯片组成——MPU-6500，其中包含 3 轴陀螺仪、3 轴加速度计和数字运动处理器。第二个芯片是 AK8963，一个 3 轴数字罗盘（图 3b）。

　　与该公司的第一代设备相比，MPU-9250 体积缩小了 44%，陀螺噪声改善了三倍，罗盘满量程范围是竞争设备的四倍。

　　（一个）

　　图 3：这款由 InvenSense 开发的 9 轴运动传感器 MPU-9250 结合了 3 轴加速度计、3 轴陀螺仪和 3 轴磁力计，以及可以预处理的动态运动处理器来自传感器的复杂多轴数据 （a）。容纳 9 轴传感器的微型 3 x 3 x 1 毫米封装的剖视图显示，该封装实际上包含两个芯片，一个集成了陀螺仪、加速度计和动态运动处理器，另一个堆叠在顶部第一个，包含多轴指南针 （b）。

　　总之，随着智能手机和平板电脑功能的不断扩展，以及物联网 （IoT） 现象的兴起，随着系统设计人员推动增加功能和连接性，传感器的使用将继续增加。然而，随着系统的功能越来越多，将一些计算/分析功能卸载到基于微控制器的传感器集线器的需求变得越来越重要，以确保电池寿命不会受到传感器或系统必须运行的计算机应用程序的显着影响从传感器数据流中提取信息。正如本文所指出的，设计人员可以使用来自多家供应商的大量 MCU，这些 MCU 非常适合在这些系统中充当传感器集线器的角色。