傳感器融合支持復(fù)雜的下一代應(yīng)用

盡管僅在幾年前還是個(gè)新鮮事物，但由于智能設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)，傳感器現(xiàn)在幾乎無(wú)處不在。許多應(yīng)用程序都具有讀取和解釋環(huán)境條件（例如壓力、溫度和距離）的能力。復(fù)雜的傳感器應(yīng)用程序結(jié)合來(lái)自多個(gè)的傳感器數(shù)據(jù)以提供更高階的功能。這種做法稱為傳感器融合。結(jié)合加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)（羅盤(pán)）來(lái)創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)傳感器是傳感器融合的一個(gè)主要示例。

越來(lái)越復(fù)雜的傳感器融合算法需要額外的處理能力和軟件開(kāi)銷(xiāo)。為了減少對(duì)應(yīng)用處理器的影響，傳感器功能由片外協(xié)處理器以及集成的片上子系統(tǒng)處理。本文重點(diǎn)介紹了一些有趣的傳感器融合應(yīng)用，以及對(duì)支持必要功能的 IP 解決方案的日益增長(zhǎng)的需求，以便集成到傳感器融合算法發(fā)揮重要作用的廣泛市場(chǎng)應(yīng)用中。

傳感器融合市場(chǎng)的增長(zhǎng)

隨著越來(lái)越多的半導(dǎo)體供應(yīng)商將傳感器接口集成到他們的片上系統(tǒng) （SoC） 中，采用傳感器融合技術(shù)的系統(tǒng)有了顯著增長(zhǎng)。盡管智能手機(jī)中的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)是傳感器融合實(shí)現(xiàn)的常見(jiàn)示例，但這些功能也被整合到許多不同的應(yīng)用中，例如汽車(chē)、消費(fèi)電子和數(shù)字家庭市場(chǎng)中的應(yīng)用。根據(jù) Semico 的研究，采用傳感器融合的系統(tǒng)數(shù)量預(yù)計(jì)將從 2012 年的 4 億個(gè)增加到 2016 年的 2.5B 個(gè)以上——年增長(zhǎng)率接近 60%。

圖 1：傳感器融合系統(tǒng)到 2016 年將增長(zhǎng)到 25 億個(gè)

隨著人們對(duì)跟蹤個(gè)人健康和/或健身目標(biāo)越來(lái)越感興趣，日常融合

可穿戴設(shè)備變得非常流行。從測(cè)量心率和睡眠模式到跟蹤步數(shù)和更的鍛煉監(jiān)測(cè)，人們使用可穿戴設(shè)備記錄的個(gè)人活動(dòng)范圍是天文數(shù)字。這些產(chǎn)品每年售出數(shù)千萬(wàn)件。事實(shí)上，這些類(lèi)型設(shè)備的出貨量估計(jì)每年達(dá)到 3 億（BI Intelligence 的“可穿戴設(shè)備單位出貨量”）。

今天的可穿戴設(shè)備主要計(jì)算一維測(cè)量值，例如計(jì)算卡路里或跑步英里數(shù)。通過(guò)組合多個(gè)傳感器，可以創(chuàng)建和分析更準(zhǔn)確的活動(dòng)圖片。傳感器軟件公司已經(jīng)在展示可以提供有關(guān)身體各部位的角度、速度和定位的數(shù)據(jù)的技術(shù)，這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到移動(dòng)設(shè)備。這種傳感器硬件和軟件算法的復(fù)雜組合將成為下一代可穿戴設(shè)備的主流特征。

傳感器融合的另一個(gè)有趣的進(jìn)步與位置有關(guān)。自 GPS 成為主流技術(shù)以來(lái)，創(chuàng)建地理圍欄或虛擬周界的概念就已經(jīng)存在。例如，可以在您的家庭或公司周?chē)鷦?dòng)態(tài)創(chuàng)建地理圍欄，并與智能手機(jī)等基于位置的設(shè)備結(jié)合使用以使其發(fā)揮作用。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入或離開(kāi)地理圍欄區(qū)域時(shí)，可以向設(shè)備（或其他地方）發(fā)送通知以指示事件已經(jīng)發(fā)生。

現(xiàn)在正在增強(qiáng)此通信概念，以根據(jù)位置向目標(biāo)移動(dòng)設(shè)備生成特定消息。例如，地理圍欄使商店能夠知道您何時(shí)接近商店的特定部分，并通知您該區(qū)域的商品。

可以根據(jù)一般位置啟用或禁用功能和應(yīng)用程序。將“粗粒度”GPS 數(shù)據(jù)與低功耗藍(lán)牙 （LE） 或近場(chǎng)通信 （NFC） 等更“細(xì)粒度”的室內(nèi)定位協(xié)議相結(jié)合，供應(yīng)商可以為購(gòu)物者提供更加個(gè)性化的體驗(yàn)。這是 Apple iBeacons 背后的基本概念，很可能成為 iOS 和 Android 設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)功能。

傳感器集成趨勢(shì)

在當(dāng)今許多基于傳感器的應(yīng)用中，傳感器處理是在“片外”處理的。也就是說(shuō)，傳感器數(shù)據(jù)的融合是在單獨(dú)的設(shè)備（通常是微控制器）上完成的，該設(shè)備具有連接到應(yīng)用程序處理器的接口（通常是 SPI 或 I2C）。 圖 2 顯示了使用分立元件的典型傳感器實(shí)現(xiàn)。此示例重點(diǎn)介紹了模擬傳感器實(shí)現(xiàn)，但數(shù)字傳感器系統(tǒng)是使用類(lèi)似架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

圖 2：使用分立元件的傳感器實(shí)現(xiàn)

有充分的理由以這種方式構(gòu)建傳感器實(shí)現(xiàn)——尤其是在移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域。雖然移動(dòng)應(yīng)用處理器正在推進(jìn)到 28nm 及以上，但傳感器生態(tài)系統(tǒng)落后于多種工藝技術(shù)。例如，傳感器本身可能仍采用 180 納米工藝制造，而用于管理傳感器數(shù)據(jù)的微控制器可能采用 90 納米或 55 納米閃存工藝技術(shù)制造。性能足夠，并且由于低成本至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員繼續(xù)實(shí)施分立器件。

然而，提供更小、更快、更低功耗系統(tǒng)的需求往往會(huì)推動(dòng)更多集成到應(yīng)用處理器中。隨著幾何尺寸的縮小，更多的晶體管可以集成到一個(gè)芯片上。在某個(gè)閾值上，面積節(jié)省和性能提升有利于集成解決方案與分立實(shí)施方案。這種趨勢(shì)終將應(yīng)用于傳感器實(shí)現(xiàn)，允許傳感器邏輯充當(dāng)片上傳感器集線器，從主機(jī)或應(yīng)用處理器卸載傳感器融合算法。集成傳感器 IP 解決方案

無(wú)論是集成在應(yīng)用處理器上還是單獨(dú)的微控制器上，提供專(zhuān)用傳感器控制硬件都是許多類(lèi)型系統(tǒng)的組成部分。在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)，一種架構(gòu)方法是集成用于傳感器控制的獨(dú)立 IP 塊。然而，這將負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)獨(dú)立驗(yàn)證和調(diào)試系統(tǒng)，這既耗時(shí)又容易出錯(cuò)。

隨著這些傳感器系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)越來(lái)越多地尋找預(yù)先集成的 IP 子系統(tǒng)，包括預(yù)先驗(yàn)證的硬件和軟件，可以以較低的風(fēng)險(xiǎn)快速集成到系統(tǒng)中，使他們能夠?qū)⒕性谠O(shè)計(jì)的差異化部分。

Synopsys 的 DesignWareSensor IP 子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以滿足這一需求。可配置的集成硬件和軟件子系統(tǒng)可有效處理數(shù)字和模擬傳感器數(shù)據(jù)。它具有節(jié)能和面積高效的 ARC EM4 32 位處理器，其中包括支持專(zhuān)用硬件加速器和緊密集成外設(shè)的定制擴(kuò)展和指令。此外，該子系統(tǒng)包括用于片外傳感器連接的多個(gè)可配置 GPIO、SPI 和 I2C 數(shù)字接口以及 ARM AMBA AHB/APB 協(xié)議系統(tǒng)接口，以簡(jiǎn)化子系統(tǒng)與 SoC 的集成。

SensorIP 子系統(tǒng)還包括用于信號(hào)處理功能的專(zhuān)用硬件加速器，例如濾波（FIR、IIR）、相關(guān)、矩陣/矢量運(yùn)算、抽取/插值和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。這些功能有助于加速傳感器應(yīng)用程序代碼開(kāi)發(fā)、減少內(nèi)存占用并提高傳感器融合性能。實(shí)施團(tuán)隊(duì)可以在專(zhuān)用硬件或作為傳感器 IP 子系統(tǒng)的一部分提供的綜合軟件 DSP 庫(kù)之間進(jìn)行選擇。這允許設(shè)計(jì)人員在面積、功耗和性能之間進(jìn)行權(quán)衡，以滿足他們特定的應(yīng)用需求。

通過(guò)使用完全集成的傳感器 IP 子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以創(chuàng)建更高效的基于傳感器的架構(gòu)，從而減少片上面積、延遲和整體能耗（圖 3 ）。

圖 3：Synopsys 傳感器 IP 子系統(tǒng)

在比較典型傳感器應(yīng)用功能（即標(biāo)量數(shù)學(xué)、復(fù)雜數(shù)學(xué)、向量函數(shù)、矩陣函數(shù)、IIR 濾波器和 FIR 濾波器）的周期計(jì)數(shù)和能耗測(cè)量結(jié)果時(shí)，Synopsys 傳感器 IP 子系統(tǒng)顯示出與使用流行商用嵌入式處理器的分立解決方案相比有顯著改進(jìn)（處理器 A 針對(duì)面積進(jìn)行了優(yōu)化，處理器 B 針對(duì)性能進(jìn)行了優(yōu)化）。圖 4 和圖 5 顯示了三種功能相同的解決方案中每一種的相對(duì)周期數(shù)和能耗。

圖 4 – 與 Synopsys 解決方案相比的相對(duì)周期數(shù)

圖 5 – 與 Synopsys 解決方案 （40nm） 相比的相對(duì)能耗

利用傳感器 IP 子系統(tǒng)的硬件加速器來(lái)加速典型的傳感器功能可顯著提高性能（降低循環(huán)次數(shù)）。這些改進(jìn)轉(zhuǎn)化為顯著降低的能耗，這要么是因?yàn)閼?yīng)用程序運(yùn)行時(shí)間更短（相同頻率，更高性能），要么是因?yàn)槟軌蚪档蜁r(shí)鐘頻率（更低頻率和更低功耗，相同運(yùn)行時(shí)間）。

總結(jié)

傳感器功能的基本概念——讀取和解釋壓力、溫度和接近度等環(huán)境條件——正在不斷完善和增強(qiáng)。如今，正在構(gòu)建更復(fù)雜的傳感器融合應(yīng)用程序，以提供更高階的功能，例如基于位置的營(yíng)銷(xiāo)和健身監(jiān)測(cè)。

滿足這種新水平的傳感器功能所需的處理性能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為了支持這些處理要求，設(shè)計(jì)人員正在構(gòu)建片外和片上傳感器集線器，以盡量減少對(duì)主機(jī)處理器的影響。性能、面積和能耗繼續(xù)定義系統(tǒng)架構(gòu)。Synopsys 的傳感器 IP 子系統(tǒng)等集成產(chǎn)品正是為了滿足這些需求，為傳感器融合應(yīng)用提供效益。