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新鮮事物，但由于智能設(shè)備的爆炸式增長，傳感器現(xiàn)在幾乎無處不在。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)合來自多個的傳感器數(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、陀螺儀和磁力計（羅盤）來創(chuàng)建的運(yùn)動傳感器是傳感器融合的一個主要示例。

越來越復(fù)雜的傳感器融合算法需要額外的處理能力和軟件開銷。為了減少對應(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。本文重點介紹了一些有趣的傳感器融合應(yīng)用，以及對支持必要功能的 IP 解決方案的日益增長的需求，以便集成到傳感器融合算法發(fā)揮重要作用的廣泛市場應(yīng)用中。

傳感器融合市場的增長 
隨著越來越多的半導(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。盡管智能手機(jī)中的運(yùn)動感應(yīng)是傳感器融合實現(xiàn)的常見示例，但這些功能也被整合到許多不同的應(yīng)用中，例如汽車、消費(fèi)電子和數(shù)字家庭市場中的應(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)計將從 2012 年的 4 億個增加到 2016 年的 2.5B 個以上——年增長率接近 60%。

圖 1：傳感器融合系統(tǒng)到 2016 年將增長到 25 億個

隨著人們對跟蹤個人健康和/或健身目標(biāo)越來越感興趣，日常融合 
可穿戴設(shè)備變得非常流行。從測量心率和睡眠模式到跟蹤步數(shù)和更的鍛煉監(jiān)測，人們使用可穿戴設(shè)備記錄的個人活動范圍是天文數(shù)字。這些產(chǎn)品每年售出數(shù)千萬件。事實上，這些類型設(shè)備的出貨量估計每年達(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)備主要計算一維測量值，例如計算卡路里或跑步英里數(shù)。通過組合多個傳感器，可以創(chuàng)建和分析更準(zhǔn)確的活動圖片。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)實時傳送到移動設(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有趣的進(jìn)步與位置有關(guān)。自 GPS 成為主流技術(shù)以來，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圍動態(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)移動設(shè)備進(jìn)入或離開地理圍欄區(qū)域時，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)商可以為購物者提供更加個性化的體驗。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 
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，傳感器數(shù)據(jù)的融合是在單獨的設(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現(xiàn)。此示例重點介紹了模擬傳感器實現(xiàn)，但數(shù)字傳感器系統(tǒng)是使用類似架構(gòu)實現(xiàn)的。

圖 2：使用分立元件的傳感器實現(xiàn)

有充分的理由以這種方式構(gòu)建傳感器實現(xiàn)——尤其是在移動設(shè)備領(lǐng)域。雖然移動應(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)計人員繼續(xù)實施分立器件。

然而，提供更小、更快、更低功耗系統(tǒng)的需求往往會推動更多集成到應(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芯片上。在某個閾值上，面積節(jié)省和性能提升有利于集成解決方案與分立實施方案。這種趨勢終將應(yīng)用于傳感器實現(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 
無論是集成在應(yīng)用處理器上還是單獨的微控制器上，提供專用傳感器控制硬件都是許多類型系統(tǒng)的組成部分。在設(shè)計這些系統(tǒng)時，一種架構(gòu)方法是集成用于傳感器控制的獨立 IP 塊。然而，這將負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到設(shè)計團(tuán)隊來獨立驗證和調(diào)試系統(tǒng)，這既耗時又容易出錯。

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

Synopsys 的 DesignWareSensor IP 子系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化以滿足這一需求?？膳渲玫募捎布蛙浖酉到y(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，以簡化子系統(tǒng)與 SoC 的集成。

SensorIP 子系統(tǒng)還包括用于信號處理功能的專用硬件加速器，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)用程序代碼開發(fā)、減少內(nèi)存占用并提高傳感器融合性能。實施團(tuán)隊可以在專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 庫之間進(jìn)行選擇。這允許設(shè)計人員在面積、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。

通過使用完全集成的傳感器 IP 子系統(tǒng)，設(shè)計團(tuán)隊可以創(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）的周期計數(shù)和能耗測量結(jié)果時，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 針對面積進(jìn)行了優(yōu)化，處理器 B 針對性能進(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周期數(shù)和能耗。

圖 4 – 與 Synopsys 解決方案相比的相對周期數(shù)

圖 5 – 與 Synopsys 解決方案 (40nm) 相比的相對能耗

利用傳感器 IP 子系統(tǒng)的硬件加速器來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，這要么是因為應(yīng)用程序運(yùn)行時間更短（相同頻率，更高性能），要么是因為能夠降低時鐘頻率（更低頻率和更低功耗，相同運(yùn)行時間）。

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，例如基于位置的營銷和健身監(jiān)測。

滿足這種新水平的傳感器功能所需的處理性能呈指數(shù)級增長。為了支持這些處理要求，設(shè)計人員正在構(gòu)建片外和片上傳感器集線器，以盡量減少對主機(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。