MEMS、MCU和傳感器融合的平衡

　　摘要：MEMS傳感器技術(shù)的流行，讓傳感器技術(shù)的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，與此同時(shí)，配合傳感器的MCU產(chǎn)品也必須做出一定的調(diào)整，以適應(yīng)傳感器和MCU相配合以達(dá)到最優(yōu)的整體應(yīng)用效果。本文詳細(xì)分析了如何在MEMS傳感器和MCU之前進(jìn)行設(shè)計(jì)的平衡。

　　最近幾年，在消費(fèi)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域中，慣性MEMS和相關(guān)傳感器出現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)，采用這些傳感器解析數(shù)據(jù)的需求也大幅增加，而在何處進(jìn)行這種處理是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。由于每個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員考慮的優(yōu)先事項(xiàng)不同，所以至今也沒(méi)有一個(gè)正確答案。從對(duì)您的產(chǎn)品和業(yè)務(wù)的整體重要性來(lái)看，您作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，需要確定以下幾個(gè)因素的優(yōu)先次序：

　　1. 融合輸入的精確度
　　2. 功率
　　3. 區(qū)域/空間考慮要素
　　4. 易于集成
　　5. 成本和供應(yīng)鏈靈活性

　　讓我們從后往前開(kāi)始討論。在“灰色市場(chǎng)”中，優(yōu)先考慮的往往是成本和/或供應(yīng)鏈靈活性。在這種情況下，原始設(shè)備廠商經(jīng)常會(huì)依據(jù)“最小公分母”原則選擇傳感器和MCU。在手機(jī)和平板電腦中，為了支持在應(yīng)用處理器上直接進(jìn)行融合，可能會(huì)完全忽略MCU。

　　單個(gè)傳感器(加速度傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)等)可能是一個(gè)“復(fù)選框”項(xiàng)目，一個(gè)廠商的傳感器也可能會(huì)被另一個(gè)取代，以確保最低成本或不間斷的供應(yīng)鏈。通常，消費(fèi)者不得不接受更高的功耗和有限的功能，并將為此支付費(fèi)用。應(yīng)用處理器操作時(shí)，會(huì)消耗大量電力，而進(jìn)行低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。各個(gè)傳感器的單獨(dú)中斷加劇了這一問(wèn)題。此外，應(yīng)用處理器上運(yùn)行的操作系統(tǒng)通常不支持實(shí)時(shí)處理，從而限制了利用傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用類型。

　　傳感器集線器包含傳感器融合實(shí)時(shí)處理功能，通常支持最簡(jiǎn)單的集成。圖2顯示了第一代系統(tǒng)。

　　選擇系統(tǒng)MCU時(shí)，應(yīng)考慮兩種因素：低功耗狀態(tài)的快速切換和低中斷延遲。由于融合在MCU上進(jìn)行，因此應(yīng)用處理器可以按需訪問(wèn)數(shù)據(jù)。AP降低的功耗要求大大彌補(bǔ)了獨(dú)立MCU消耗的功率。然而，會(huì)消耗更多的板卡空間，系統(tǒng)成本將隨著MCU和關(guān)聯(lián)無(wú)源組件的成本而增加。

　　對(duì)于那些嘗試設(shè)計(jì)包含傳感器融合的首個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)圖2所示的系統(tǒng)將是一個(gè)艱巨任務(wù)。融合算法很復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量精力。但如果傳感器制造商提供在MCU上運(yùn)行的融合軟件，從集成角度來(lái)看，該系統(tǒng)將變得非常簡(jiǎn)單。如果制造商提供子系統(tǒng)的原理圖和布局信息，則會(huì)更簡(jiǎn)單。一個(gè)例子是飛思卡爾面向Windows 8的12軸Xtrinsic傳感器參考平臺(tái)，拓寬了微軟Windows 8對(duì)傳感融合技術(shù)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(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，采用飛思卡爾ColdFire+ MCU，以保證高質(zhì)量。最優(yōu)傳感器融合通過(guò)支持Microsoft的硬件和軟件，提供輕松集成，加快開(kāi)發(fā)速度，面向平板電腦、手寫(xiě)板、筆記本電腦以及其他移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。MCU+廣泛的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)全面集成的硬件解決方案，12軸解決方案提供低功率設(shè)計(jì)以適用于便攜式設(shè)備的需求，可以說(shuō)傳感器融合對(duì)Windows 8而言是非常重要系統(tǒng)解決方案 。

　　隨著MEMS和封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器制造商現(xiàn)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(duì)磁力計(jì)采用獨(dú)立封裝，使之與加速度傳感器和陀螺儀分開(kāi)。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(shí)性能最佳。同樣，壓力傳感器的最佳放置地點(diǎn)是可與外界通風(fēng)的位置(可能在麥克風(fēng)附近)。

　　圖2所示系統(tǒng)可以進(jìn)一步在兩個(gè)不同方向發(fā)展。從功率角度看，最有效的方法可能是，在與應(yīng)用處理器相同的芯片上添加一個(gè)獨(dú)立的MCU，配備其自己的電源和時(shí)鐘管理。但目前通常不提供這種選項(xiàng)。即使(如果)AP制造商提供這種選項(xiàng)，您仍然會(huì)有疑問(wèn)“誰(shuí)為融合子系統(tǒng)提供軟件”。