傳感器系統(tǒng)快速移植的方法及過程

打造新的多傳感器系統(tǒng)可能是一項(xiàng)艱苦工作，因?yàn)槟仨毚_保設(shè)計(jì)符合傳感器的特定要求，并做到長(zhǎng)期的準(zhǔn)確性和可靠性。當(dāng)根據(jù)應(yīng)用的要求，需要更多無線連接時(shí)，設(shè)計(jì)師很難提供這樣一種解決方案——既能最大限度提高無線電靈敏度，擴(kuò)大其覆蓋范圍，又能維持無噪聲信號(hào)鏈運(yùn)行。專為傳感器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單板計(jì)算機(jī)(SBC) 可提供出色的解決方案，來滿足無線傳感器的復(fù)雜要求，而不影響緊湊的項(xiàng)目時(shí)間表。

通常，傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)將微控制器(MCU) 與更多的模擬電路與數(shù)字控制邏輯相結(jié)合，后者用于準(zhǔn)確可靠地獲取并發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)（圖1）。SBC 可通過提供結(jié)合軟硬件與傳感器應(yīng)用開發(fā)工具的測(cè)試平臺(tái)，來加快這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。開發(fā)人員可以專注于優(yōu)化所需的特性與功能以滿足其獨(dú)特應(yīng)用的特定要求，而不必花時(shí)間重新創(chuàng)建眾多傳感器設(shè)計(jì)所通用的基本系統(tǒng)。

圖1、大多數(shù)傳感器系統(tǒng)都采用共同的設(shè)計(jì)，其中包含用于傳感器信號(hào)采集的微控制器(MCU) 和模擬前端(AFE)、用于將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至其他設(shè)備或主機(jī)系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)。

Texas Instruments 和NXP 推出的專業(yè)板級(jí)系統(tǒng)專門用于傳感器應(yīng)用，結(jié)合了無線傳感器硬件和專業(yè)軟件庫(kù)，以及能幫助加快設(shè)計(jì)和測(cè)試這些應(yīng)用的完整開發(fā)環(huán)境。

緊密集成的SBC

Texas Instruments SensorTag 提供一種緊密集成的解決方案，可以在僅5 x 6.7 x 1.4 cm 的封裝內(nèi)提供全面的傳感器處理系統(tǒng)。SensorTag 基于TI CC2650 無線MCU 的功能構(gòu)建，并增加了一些必要的元器件，用于連接CC2650 與在SensorTag 板上構(gòu)建的多個(gè)傳感器和用戶接口備（圖2）。

圖2、Texas Instruments SensorTag 利用TI CC2650 無線MCU 的無線通信及傳感器處理的集成功能，為傳感器應(yīng)用的快速開發(fā)提供多個(gè)傳感器和接口。

TI SensorTag 專門用于所連接傳感器應(yīng)用的快速開發(fā)，是一個(gè)全面的、可支持許多不同開發(fā)風(fēng)格的開發(fā)套件。 實(shí)際上，開發(fā)人員使用其默認(rèn)模式就可以開始快速處理傳感器數(shù)據(jù)。在以默認(rèn)模式啟動(dòng)后，SensorTag 會(huì)向智能手機(jī)等支持低功耗藍(lán)牙的核心設(shè)備廣播自己。開發(fā)人員通過云端從SensorTag 即可訪問傳感器數(shù)據(jù)，或者使用JavaScript 和jQuery 直接訪問數(shù)據(jù)。在此模式下，開發(fā)人員可以使用Android 或iOS 移動(dòng)應(yīng)用作為起點(diǎn)，或根據(jù)與套件一起提供的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項(xiàng)目樣例中的源代碼寫入獨(dú)立于HTML5 平臺(tái)的代碼。

對(duì)于更復(fù)雜的定制應(yīng)用，SensorTag 硬件會(huì)提供一個(gè)基于開放式硬件解決方案構(gòu)建的高級(jí)開發(fā)平臺(tái)。其中，開放式硬件解決方案旨在展示如何使用多樣化低功耗傳感器。開發(fā)人員可以使用稱為DevPack 的子卡進(jìn)一步擴(kuò)展SensorTag，這使設(shè)計(jì)和測(cè)試其他類型的傳感器和致動(dòng)器變得容易。需要特別說明的是，SensorTag 和可用的Debug DevPack 結(jié)合后，可提供一個(gè)實(shí)惠、全面的平臺(tái)，用于為傳感器應(yīng)用開發(fā)定制軟硬件（圖3）。

圖3、Texas Instruments 的SensorTag Debugger DevPack 用于為SensorTag 增加測(cè)試和調(diào)試功能，包括JTAG 調(diào)試功能、可簡(jiǎn)化硬件添加的Grove 連接焊盤（例如添加Seeed Technology 的Grove 指紋傳感器時(shí)）。

對(duì)于無線部署，SensorTag 套件包括低功耗藍(lán)牙(BLE) 堆棧，進(jìn)而在TI 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(TI-RTOS) 軟件環(huán)境中運(yùn)行。TI-RTOS 是一個(gè)實(shí)時(shí)、先占式、多線程操作系統(tǒng)，可以同步執(zhí)行應(yīng)用程序與BLE 協(xié)議棧，此二者皆在RTOS 內(nèi)作為單獨(dú)任務(wù)運(yùn)行。在此，BLE 堆棧按最高優(yōu)先順序運(yùn)行，以幫助確保可靠通信。

在SensorTag 中，無線事務(wù)本身利用CC2650 的集成RF 核心，其中包括與模擬RF 及基帶電路集成的ARM? Cortex?-M0 處理器。 盡管工程師無法對(duì)RF 核心的M0 處理器進(jìn)行編程，但TI 提供高級(jí)別、基于命令的應(yīng)用編程接口(API)，可實(shí)現(xiàn)從主處理器上運(yùn)行的代碼發(fā)布命令至RF 核心。RF 核心轉(zhuǎn)而使用其專用的4 KB SRAM（用于數(shù)據(jù)）和ROM（用于代碼），以自主方式處理無線協(xié)議的時(shí)間關(guān)鍵型部分——減輕主CPU 的負(fù)載，并保留資源供應(yīng)用本身使用。

簡(jiǎn)化的軟件開發(fā)

借助CC2650 中的集成自主處理器——傳感器控制器引擎(SCE)，傳感器信號(hào)的處理可以同樣高效。正如RF 核心可獨(dú)立地執(zhí)行無線事務(wù)，SCE 可獨(dú)立于主處理器控制傳感器和關(guān)聯(lián)的外設(shè)。因此，SCE 可以運(yùn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 或通過集成的串行外設(shè)接口(SPI) 輪詢數(shù)字傳感器而不用喚醒主處理器，從而消除了采集傳感器數(shù)據(jù)所需的的額外功耗和喚醒時(shí)間。

與RF 核心不同，工程師可以對(duì)SCE 進(jìn)行編程。通過使用類C 語言，開發(fā)人員可以編寫定制代碼來執(zhí)行傳感器輪詢或應(yīng)對(duì)特殊條件和處理要求。因此，開發(fā)人員可以創(chuàng)建更多動(dòng)態(tài)傳感器處理功能，而不必依靠為傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)置外設(shè)時(shí)常用的這種靜態(tài)配置。TI 針對(duì)傳感器代碼部署提供Sensor Controller Studio (SCS)，這是一種用于為SCE 編寫、測(cè)試和調(diào)試代碼的特殊軟件工具（圖4）。

圖4、開發(fā)人員使用TI Sensor Controller Studio 軟件開發(fā)工具和類C 語言對(duì)CC2650 的集成傳感器控制器引擎進(jìn)行編程。這會(huì)生成C 源代碼，以納入專門在CC2650 無線MCU 上運(yùn)行的主要應(yīng)用中

SCS 會(huì)生成傳感器控制器接口驅(qū)動(dòng)程序，即一組C 源文件。開發(fā)人員會(huì)轉(zhuǎn)而使用TI Code Composer Studio (CCS) 編譯這些C 源文件，其中的任何其他定制代碼專門作為主要應(yīng)用的一部分在CC2650 的ARM Cortex-M3 主機(jī)處理器上運(yùn)行。

CCS 是一個(gè)基于Eclipse 的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，為TI MCU 系列的應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試提供給了全套工具。在其開發(fā)功能中，Code Composer Studio 包括一個(gè)不斷優(yōu)化的C/C++ 編譯器、源代碼編輯器、項(xiàng)目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器和分析器——全部通過IDE 的單用戶接口訪問，該接口旨在方便開發(fā)人員完成應(yīng)用程序開發(fā)的每個(gè)階段。

靈活的傳感器解決方案

NXP 為其OM13078 傳感器處理運(yùn)動(dòng)解決方案(SPM-S) 采取了不同的方法。SPM-S 以NXP LPC54102 MCU 為基礎(chǔ)，結(jié)合了NXP 的OM13077 LPCXpresso 板與通過LPCXpresso 的擴(kuò)展接口連接的傳感器擴(kuò)展板（圖5）。如圖所示，傳感器擴(kuò)展板包括一個(gè)用于無線通信的BLE 模塊(AMS0002) 和多個(gè)用于溫度、壓力、環(huán)境光和距離的傳感器，以及用于更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的加速計(jì)、陀螺儀和磁力儀傳感器。

圖5、NXP 提供了一種傳感器解決方案。該方案結(jié)合了LPC54102 LPCXpresso 板與裝載多個(gè)傳感器的擴(kuò)展板，以及包括完整傳感器軟件庫(kù)的全套開發(fā)環(huán)境。

對(duì)于隨附的運(yùn)行時(shí)間軟件環(huán)境，NXP 提供其LPC 傳感器框架，其中包括系統(tǒng)軟件和傳感器處理軟件（圖6）。正常操作期間，LPC54102 MCU 會(huì)對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，并使用Bosch Sensortec BSX Lite 庫(kù)處理傳感器數(shù)據(jù)。通過無線BLE 通信或LPCXpresso 板支持的多個(gè)主機(jī)接口中的任一接口，可將結(jié)果進(jìn)一步發(fā)送至其他設(shè)備或主機(jī)處理器。

圖6、開發(fā)人員在NXP 的LPC 傳感器框架上構(gòu)建傳感器應(yīng)用，該框架提供全面的運(yùn)行時(shí)間環(huán)境，包括系統(tǒng)服務(wù)和傳感器信號(hào)處理，以及通過Bosch Sensortec BSX Lite 庫(kù)對(duì)傳感器融合應(yīng)用的內(nèi)置支持功能。

傳感器融合架構(gòu)

除了從多個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)的基本功能外，SPM-S 解決方案還具有通過專為高級(jí)情境感知應(yīng)用而設(shè)計(jì)的傳感器融合算法合并多個(gè)傳感器輸出的能力，因此在眾多解決方案中脫穎而出。傳感器融合功能結(jié)合了多個(gè)傳感器的結(jié)果，可提供無法從任何單個(gè)傳感器獲得的信息。例如，專門識(shí)別方向的應(yīng)用需要加速計(jì)、磁力儀和陀螺儀傳感器的組合結(jié)果。NXP 專門設(shè)計(jì)了SPM-S 系統(tǒng)，以使用系統(tǒng)中包括的傳感器融合軟件來匯總多個(gè)實(shí)體傳感器的數(shù)據(jù)。

SPM-S 架構(gòu)中深度嵌入了對(duì)傳感器融合的支持功能。正如典型的傳感器系統(tǒng)那樣，SPM-S 架構(gòu)會(huì)將傳感器設(shè)備識(shí)別為連接至SPM-S 硬件的獨(dú)特實(shí)體設(shè)備。軟件使用sensors.h 傳感器頭文件中提供的唯一ID 訪問每個(gè)設(shè)備（圖7）。

圖7、每個(gè)實(shí)體傳感器都可以通過傳感器頭文件sensors.h 中的PhysSensorId 計(jì)數(shù)器中定義的唯一傳感器ID 來識(shí)別。

要在應(yīng)用層級(jí)支持傳感器融合，SPM-S 架構(gòu)可利用其在底層軟件層支持虛擬傳感器來擴(kuò)展此基本概念。單個(gè)虛擬傳感器包含多個(gè)物實(shí)體傳感器，這些傳感器的結(jié)果按照傳感器融合算法合并后產(chǎn)生新信息。

例如，對(duì)計(jì)算方向信息所需的加速度計(jì)、磁力儀和陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行合并而產(chǎn)生的傳感器融合結(jié)果，會(huì)由虛擬方向傳感器傳回。在SPM-S 開發(fā)環(huán)境中，開發(fā)人員可以指定系統(tǒng)的SensorMap 陣列中的虛擬傳感器（圖8）。在此陣列中，會(huì)將每個(gè)虛擬傳感器列為單個(gè)條目，并由該條目指定該虛擬傳感器使用哪些實(shí)體傳感器。

圖8、SensorMap 陣列描述了向虛擬傳感器提供數(shù)據(jù)的物理傳感器。例如，方向的虛擬傳感器使用加速計(jì)、磁力儀和陀螺儀等實(shí)體傳感器。

SPM-S 架構(gòu)中的另一個(gè)深度嵌入功能，可以在一個(gè)虛擬傳感器中結(jié)合多個(gè)傳感器的結(jié)果時(shí)幫助維持同步。

準(zhǔn)確的傳感器融合結(jié)果需要準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以確保按傳感器融合算法只合并相同“時(shí)間點(diǎn)”的樣本。在SPM-S 中的中斷驅(qū)動(dòng)采樣期間，傳感器會(huì)按預(yù)先定義的速率自主采樣并在結(jié)果就緒時(shí)產(chǎn)生中斷。每個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的傳感器都有關(guān)聯(lián)的中斷處理程序，中斷處理程序只是在發(fā)生中斷時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間戳；實(shí)際的傳感器結(jié)果讀取在后續(xù)服務(wù)程序中執(zhí)行。此方法有助于維護(hù)所需的準(zhǔn)確時(shí)序數(shù)據(jù)，以從多個(gè)單獨(dú)物理傳感器的數(shù)據(jù)生成準(zhǔn)確的虛擬傳感器結(jié)果。

結(jié)論

基本無線傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能會(huì)形成影響項(xiàng)目時(shí)間表，以及不利于應(yīng)用本身的重大挑戰(zhàn)。專業(yè)的單板計(jì)算機(jī)為傳感器處理提供成熟可靠的軟硬件基礎(chǔ)，讓各公司可以將資源更明確地集中于差異化的傳感器應(yīng)用。通過使用SBC 及其關(guān)聯(lián)的開發(fā)環(huán)境，工程師可以快速開發(fā)傳感器應(yīng)用，甚至擴(kuò)展基本的軟硬件以打造滿足更復(fù)雜要求的定制解決方案。