MEMS、MCU和傳感器融合的平衡

摘要：MEMS傳感器技術的流行，讓傳感器技術的應用變得越來越廣泛，與此同時，配合傳感器的MCU產品也必須做出一定的調整，以適應傳感器和MCU相配合以達到最優的整體應用效果。本文詳細分析了如何在MEMS傳感器和MCU之前進行設計的平衡。本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/192731.htm

關鍵詞：MEMS；MCU；傳感器；集成

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.006

最近幾年，在消費電子和工業控制領域中，慣性MEMS和相關傳感器出現了爆炸式增長，采用這些傳感器解析數據的需求也大幅增加，而在何處進行這種處理是一個復雜的問題。由于每個系統設計人員考慮的優先事項不同，所以至今也沒有一個正確答案。從對您的產品和業務的整體重要性來看，您作為系統設計人員，需要確定以下幾個因素的優先次序：

1. 融合輸入的精確度

2. 功率

3. 區域/空間考慮要素

4. 易于集成

5. 成本和供應鏈靈活性

讓我們從后往前開始討論。在“灰色市場”中，優先考慮的往往是成本和/或供應鏈靈活性。在這種情況下，原始設備廠商經常會依據“最小公分母”原則選擇傳感器和MCU。在手機和平板電腦中，為了支持在應用處理器上直接進行融合，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。應用處理器操作時，會消耗大量電力，而進行低功耗狀態轉換時，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，應用處理器上運行的操作系統通常不支持實時處理，從而限制了利用傳感器數據的應用類型。

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。

選擇系統MCU時，應考慮兩種因素：低功耗狀態的快速切換和低中斷延遲。由于融合在MCU上進行，因此應用處理器可以按需訪問數據。AP降低的功耗要求大大彌補了獨立MCU消耗的功率。然而，會消耗更多的板卡空間，系統成本將隨著MCU和關聯無源組件的成本而增加。

對于那些嘗試設計包含傳感器融合的首個系統的設計人員來說，開發圖2所示的系統將是一個艱巨任務。融合算法很復雜，需要耗費大量精力。但如果傳感器制造商提供在 MCU上運行的融合軟件，從集成角度來看，該系統將變得非常簡單。如果制造商提供子系統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、磁力計和陀螺儀數據，采用飛思卡爾ColdFire+ MCU，以保證高質量。最優傳感器融合通過支持Microsoft的硬件和軟件，提供輕松集成，加快開發速度，面向平板電腦、手寫板、筆記本電腦以及其他移動設備應用。MCU+廣泛的傳感器，可以實現全面集成的硬件解決方案，12軸解決方案提供低功率設計以適用于便攜式設備的需求，可以說傳感器融合對Windows 8而言是非常重要系統解決方案 。

隨著MEMS和封裝技術的不斷發展，傳感器制造商現在能夠組合圖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的位置（可能在麥克風附近）。

圖2所示系統可以進一步在兩個不同方向發展。從功率角度看，最有效的方法可能是，在與應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的設備；飛思卡爾預計將于近期推出另一款產品。

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

內存：智能傳感器集線器通常從閃存運行。就芯片面積和成本而言，閃存和RAM都是昂貴的資源。您是否有足夠的內存來完成這項工作？另外，您支付的內存超出了您的需求嗎？RAM/閃存比例適合您的應用嗎？通常來講，融合算法需要的RAM比基礎控制應用需要的多。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。

閃存往往是系統中速度最慢的存儲器。閃存接入是否妨礙了您的系統性能？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：當傳感器集線器處于低功耗狀態時，負責與主系統通信的從端口接口是否能夠正常運行？低功耗狀態有多低？ 理想情況是能夠關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。大部分標準MCU將串行端口時鐘看作數據，以2倍或4倍的數據速率來采樣數據。這會消耗功率，但在數據穿過集線器內的時鐘域時保證不會出現問題。為集線器優化的MCU不會強制您選擇這個選項。

時鐘頻率：您將系統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經常使用鎖相環路功能來執行慢時鐘頻率乘法運算，達到實用范圍。鎖相環路運行良好，但會消耗（根據傳感器標準）大量功率，也需要花一些時間來鎖定最終頻率。圖3所示系統使用一個按需在兩個頻率之間切換的振蕩器。

內部派生時鐘經常隨著溫度產生1% -3%變化。針對不同應用，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。根據內部時鐘周期測量外部時鐘，并根據觀察到的比率，動態地調整幀速率。

采樣率：您如何管理采樣率？ 圖3所示系統包括確保恒定幀速率的定制“幀間隔計數器”，與高頻/低頻操作模式的時長無關。如果您的設備有晶體振蕩器，頻率（32kHz）是否適度，是否會消耗過多功率？模數轉換器精確度：您的轉換結果的分辨率有多少有效位？ 轉換精度與轉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動事件（在硬件方面，無CPU干預）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？

其它設備：您的智能傳感器集線器在管理其它設備方面有沒有限制？ 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？ 是否有實現這些目的所需庫和工具？ 如果采用Android操作系統，是否需要提供驅動程序和定制HAL（硬件抽象層）？ 如果采用Windows 8操作系統，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設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融合的傳感器數量；或者采用傳感器制造商打造的高度集成的傳感器子系統和參考設計，實現輕松集成和定制。