基于MCU的智能傳感器融合設(shè)備設(shè)計(jì)

傳感器正在成為電子基礎(chǔ)設(shè)施向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）轉(zhuǎn)變的無處不在的元素。傳感器將提供用于管理和控制汽車，家庭，工作場所，工廠車間以及兩者之間的電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。傳感器不僅在擴(kuò)展范圍，而且在擴(kuò)展能力方面。當(dāng)多個傳感器位于同一位置時，可以創(chuàng)建令人興奮的新功能，并且可以交換和增強(qiáng)單個測量。在這些類型的設(shè)計(jì)中，傳感器可以實(shí)現(xiàn)高級功能，通常被稱為傳感器“融合”，提供新的和創(chuàng)新的功能。

傳感器融合算法已經(jīng)在化學(xué)過程控制系統(tǒng)中實(shí)施了數(shù)十年，所以這個概念并不是新的。大多數(shù)化學(xué)過程控制系統(tǒng)需要各種傳感器讀數(shù)來確定值，流速或設(shè)置的正確設(shè)置。你不會考慮在沒有感應(yīng)壓力，溫度和體積的情況下管理化學(xué)過程，對吧？ （還記得PV = nRT嗎？）

很容易要求你的新傳感器融合設(shè)計(jì)包含各種傳感器，這樣你的新算法就能擁有它需要的所有數(shù)據(jù);但在某些時候，您的MCU需要連接到所有這些傳感器，同時以您的算法所需的速率提供數(shù)據(jù)。哦，順便說一下，您需要保留大量的MCU計(jì)算能力，因此處理器不會受到實(shí)時管理所有傳感器數(shù)據(jù)的困擾。

幸運(yùn)的是，MCU制造商一直在擴(kuò)展其MCU外設(shè)的功能，因此設(shè)計(jì)可以使用多個接口的全部功能，而不會給處理器帶來大量開銷。本文將介紹傳感器融合設(shè)計(jì)的示例實(shí)現(xiàn)，以說明為每個傳感器選擇合適的外設(shè)對于設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。

示例設(shè)計(jì)

我們將在未來幾年內(nèi)看到的一種更常見的傳感器融合設(shè)計(jì)將用于跟蹤和記錄感興趣對象周圍的環(huán)境。感興趣的對象可以是運(yùn)輸中的包裹，停放的汽車，移動中的自行車或院子里的狗。顯然，傳感器日志和任何傳感器融合算法都將尋找特定的環(huán)境測量，但我們的示例設(shè)計(jì)中可能包含一些常用的測量。我們假設(shè)我們想要提供溫度，濕度，振動，壓力和加速度。我們還添加了捕獲聲音的要求，以涵蓋使用語音命令或需要捕獲環(huán)境噪聲的情況，或許可以驗(yàn)證噪聲級別的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是否得到遵守。這些類型的讀數(shù)變化足以為我們提供一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此我們可以探索對于高效傳感器融合設(shè)計(jì)至關(guān)重要的特定MCU功能。

我們的示例設(shè)計(jì)的簡化框圖如圖所示。圖1.關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)是找到用于每個傳感器的最佳MCU接口，這種連接可以傳感器融合算法所需的速率提供傳感器數(shù)據(jù)。在我們的示例設(shè)計(jì)中，由于假設(shè)電池工作，因此低功耗也是關(guān)鍵要求。因此，在有限功率下獲得最多數(shù)據(jù)和最多處理能力將是我們的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1：環(huán)境監(jiān)測傳感器簡化框圖。

音頻，溫度，壓力，加速度，振動和濕度傳感器都直接連接到MCU。無線連接（可能是低功耗短距離標(biāo)準(zhǔn)，例如藍(lán)牙低功耗）允許傳感器通過聚合單元向云提供數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^從云下載MCU代碼更新來進(jìn)行算法增強(qiáng)或維護(hù)更新。這些更新可用于延長傳感器壽命或針對不同條件或不斷變化的要求重新設(shè)置傳感器。

每個傳感器對速度，延遲，功率和測量頻率都有不同的約束。主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是優(yōu)化這些接口，以便在最佳時間和盡可能少的功耗下為融合算法提供所需的數(shù)據(jù)。確定最佳連接的第一步是分離出低速連接和高性能連接要求。

低速連接

許多傳感器不需要高速連接連接因此可以使用較舊的低速串行接口，例如UART。在我們的示例設(shè)計(jì)中，我們假設(shè)壓力傳感器使用UART風(fēng)格的接口，并且每秒只進(jìn)行幾次通信。這個速度通常足以跟蹤長期和突然的壓力變化。使用UART接口可能會給設(shè)計(jì)帶來一個可能非直觀的設(shè)計(jì)問題。由于頻率較低，您可能還希望功率要求較低。不幸的是，你可能遇到這樣的情況，因?yàn)閭鬏旑l率很低，UART需要保持很長時間。只要UART處于活動狀態(tài)，功耗就會消耗殆盡。

我們的示例設(shè)計(jì)需要的是一個節(jié)能的UART外設(shè)，在激活時使用很少的功率，并且可以很容易地關(guān)閉它。不需要?，F(xiàn)在，有幾種MCU包含具有這些特性的專用低功耗UART，STMicroelectronics的圖2所示的低功耗UART顯示了UART的功效如何。

圖2：STM32L低功耗UART框圖。 （由STMicroelectronics提供）

典型的UART功能 - 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，接收數(shù)據(jù)寄存器，控制寄存器，波特率選擇和整體控制單元 - 在程序框圖中都很明顯，但不是容易發(fā)現(xiàn)，即使MCU處于低功耗停止模式，UART也能運(yùn)行。 UART可以等待輸入數(shù)據(jù)幀，并通過中斷將MCU從停止模式喚醒。如果UART數(shù)據(jù)是傳感器融合算法中的重要元素，則CPU可以將數(shù)據(jù)移動到存儲器或立即開始處理。由于低功耗UART外設(shè)可以在CPU處于停止模式時接收數(shù)據(jù)，因此傳輸過程中所需的功率大大減少，這大大提高了我們的功率效率。當(dāng)您需要連接到MCU的低速串行接口時，請尋找類似的低功耗特性。

高性能連接

在某些傳感器應(yīng)用中，頻繁或以高數(shù)據(jù)速率訪問傳感器數(shù)據(jù)非常重要。在我們的示例設(shè)計(jì)中，音頻傳感器需要最高帶寬。其他類型的傳感器，例如光，溫度，壓力和位置，不經(jīng)常改變，因此可以以低得多的速率進(jìn)行監(jiān)測。大多數(shù)MCU提供的高速接口有多種選擇，SPI，QSPI和I2C作為流行的選擇。例如，Atmel SAM4S4A MCU支持多通道SPI和I2C。該器件的另一個功能是即使在極低功耗模式下也可以保留SRAM，這樣傳感器數(shù)據(jù)包在存儲在SRAM中時不會丟失。當(dāng)?shù)凸氖亲钪匾目紤]因素時，尋找這種能力。

許多MCU支持流行的I2S音頻接口，而且這通常是音頻處理應(yīng)用的明顯選擇?，F(xiàn)代音頻編解碼器通常支持多個接口，因此您可以選擇適合您應(yīng)用的接口。德州儀器TLV320AIC3254立體聲音頻編解碼器（圖3）支持I2S，I2C和SPI，因此您可以選擇多種接口選項(xiàng)。

圖3 ：德州儀器（TI）的音頻編解碼器具有多種串行接口支持。 （由Texas Instruments提供）

當(dāng)您的應(yīng)用程序傳輸音頻數(shù)據(jù)時，I2S接口是一個很好的選擇。讓我們假設(shè)在我們的示例中，傳感器需要不經(jīng)常測量音頻電平和頻率（可能最多每秒一次），以測試環(huán)境是否符合工廠車間勞動力的聲音暴露規(guī)定。在不丟失任何數(shù)據(jù)且不干擾其他測量的情況下捕獲一秒鐘的聲音是很重要的。在這種情況下，I2S接口是一個不錯的選擇，并允許從其他I2C或SPI端口獨(dú)立操作。

使用I2S還可以使我們最小化功耗，因?yàn)樗鼉H在音頻捕獲期間開啟期。通常I2S可以與DMA結(jié)合使用，這樣CPU就可以進(jìn)入低功耗模式，直到數(shù)據(jù)全部被捕獲并準(zhǔn)備好處理?；蛘?，CPU可以在捕獲數(shù)據(jù)時處理數(shù)據(jù)。如果音頻功能的總“接通時間”減少，則可能最終降低功率?？紤]在設(shè)計(jì)中比較這兩種方法，并根據(jù)您的要求選擇效率最高的方法。

不要忘記模擬

盡管許多傳感器使用串行接口，但不要忘記簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可用于許多傳感器應(yīng)用。有些ADC可以獨(dú)立于CPU運(yùn)行，這樣可以在轉(zhuǎn)換過程中輕松將CPU置于低功耗模式。例如，STM32F4 MCU有一個ADC，可以使用直接存儲器訪問（DMA）控制器將捕獲的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)酱鎯ζ鳌?ADC也可以通過定時器計(jì)數(shù)器模塊啟動，因此無需CPU干預(yù)即可輕松進(jìn)行定期測量。這些啟動觸發(fā)信號如圖4中STM32F4 ADC框圖底部所示。

圖4：STMicroelectronics STM32F4 MCU ADC框圖。 （由STMicroelectronics提供）

為了進(jìn)一步提高效率，模擬看門狗功能可以非常精確地監(jiān)控一個，部分或全部所選通道的轉(zhuǎn)換電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換電壓超出編程閾值時，會產(chǎn)生中斷。這在我們的示例環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)中特別有用，因?yàn)槌菧y量偏離“安全”區(qū)域，否則CPU不需要處于活動狀態(tài)。這樣可以降低功耗，并使CPU能夠?qū)Ｗ⒂陉P(guān)鍵處理要求。

結(jié)論

對于傳感器融合設(shè)計(jì)，降低CPU開銷的高效接口至關(guān)重要。釋放CPU以便它可以處理各種傳感器數(shù)據(jù)，其中算法可以組合或融合數(shù)據(jù)以識別重要事件，從而創(chuàng)建智能傳感器融合設(shè)備。這些智能設(shè)備將成為不斷擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的關(guān)鍵元素。