在將電子基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://www.makelele.cn/soft/data/55-88/" target="_blank">物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的過(guò)程中，傳感器正成為無(wú)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(chǎng)所、工廠車間以及介于兩者之間的任何地方的電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。傳感器不僅在其范圍內(nèi)，而且在其功能上都在擴(kuò)展。當(dāng)多個(gè)傳感器位于同一位置時(shí)，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(gè)測(cè)量值。在這些類型的設(shè)計(jì)中，傳感器可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，通常被稱為傳感器“融合”，從而提供新的創(chuàng)新功能。

　　傳感器融合算法已經(jīng)在化學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)中實(shí)施了幾十年，所以這個(gè)概念并不是什么新鮮事。大多數(shù)化學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)需要各種傳感器讀數(shù)來(lái)確定值、流速或設(shè)置的正確設(shè)置。您不會(huì)考慮在沒(méi)有感應(yīng)壓力、溫度和體積的情況下管理化學(xué)過(guò)程，對(duì)吧？（還記得 PV = nRT 嗎？）

　　很容易要求您的新傳感器融合設(shè)計(jì)包含各種傳感器，以便您的新算法擁有它需要的所有數(shù)據(jù)；但在某些時(shí)候，您的 MCU 將需要連接到所有這些傳感器，同時(shí)以您的算法所需的速率提供數(shù)據(jù)。哦，順便說(shuō)一句，您需要保留大量 MCU 計(jì)算能力，因此處理器不會(huì)為實(shí)時(shí)管理所有傳感器數(shù)據(jù)而煩惱。

　　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(gè)接口的全部功能，而不會(huì)給處理器帶來(lái)大量開(kāi)銷。本文將著眼于傳感器融合設(shè)計(jì)的示例實(shí)現(xiàn)，以說(shuō)明如何為每個(gè)傳感器選擇正確的外設(shè)對(duì)您的設(shè)計(jì)成功至關(guān)重要。

　　示例設(shè)計(jì)

　　我們將在未來(lái)幾年看到的一種更常見(jiàn)的傳感器融合設(shè)計(jì)將用于跟蹤和記錄感興趣對(duì)象周圍的環(huán)境。感興趣的對(duì)象可以是運(yùn)輸中的包裹、停放的汽車、移動(dòng)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(cè)量值，但我們可以在示例設(shè)計(jì)中包含一些流行的測(cè)量值。假設(shè)我們要提供溫度、濕度、振動(dòng)、壓力和加速度。讓我們還添加一個(gè)捕獲聲音的要求，以涵蓋使用語(yǔ)音命令或需要捕獲環(huán)境噪聲的情況，也許是為了驗(yàn)證是否符合噪聲水平的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　我們的示例設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化框圖如圖 1 所示。關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)是找到用于每個(gè)傳感器的最佳 MCU 接口，這種連接可以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，低功耗也是一個(gè)關(guān)鍵要求，因?yàn)榧僭O(shè)電池運(yùn)行。因此，在有限的功率下獲得最多的數(shù)據(jù)和最多的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(cè)傳感器簡(jiǎn)化框圖。

　　音頻、溫度、壓力、加速度、振動(dòng)和濕度傳感器都直接連接到 MCU。無(wú)線連接，可能是低功耗短距離標(biāo)準(zhǔn)，例如低功耗藍(lán)牙，允許傳感器通過(guò)聚合單元向云端提供數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)從云端下載 MCU 代碼更新來(lái)進(jìn)行算法增強(qiáng)或維護(hù)更新。這些更新可用于延長(zhǎng)傳感器壽命或針對(duì)不同條件或不斷變化的要求重新分配傳感器任務(wù)。

　　每個(gè)傳感器對(duì)速度、延遲、功率和測(cè)量頻率都有不同的限制。主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是優(yōu)化這些接口，以在最佳時(shí)間和盡可能少的功耗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區(qū)分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，因此可能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，我們將假設(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。該速率通常足以跟蹤長(zhǎng)期和突然的壓力變化。使用 UART 接口會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)一個(gè)可能不直觀的設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于頻率較低，您可能期望功率要求也較低。不幸的是，您可能會(huì)遇到這樣的情況，因?yàn)閭鬏旑l率較低，UART 需要長(zhǎng)時(shí)間保持開(kāi)啟。只要 UART 處于活動(dòng)狀態(tài)，就會(huì)消耗功率。

　　在我們的示例設(shè)計(jì)中，我們需要一個(gè)節(jié)能的 UART 外設(shè)，它在活動(dòng)時(shí)消耗的電量很少，并且在不需要時(shí)可以輕松關(guān)閉。現(xiàn)在，一些 MCU 包含具有這些特性的專用低功耗 UART，下圖 2 中STMicroelectronics所示的低功耗 UART 顯示了 UART 的節(jié)能能力。

　　圖 2：STM32L 低功耗 UART 框圖。（意法半導(dǎo)體提供）

　　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——在框圖中都很明顯，但不容易發(fā)現(xiàn)的是，即使在 MCU 的情況下，UART 也可以運(yùn)行處于低功耗停止模式。UART 可以等待傳入的數(shù)據(jù)幀并通過(guò)中斷將 MCU 從停止模式中喚醒。然后，如果 UART 數(shù)據(jù)是傳感器融合算法中的重要元素，CPU 可以將數(shù)據(jù)移動(dòng)到內(nèi)存或立即開(kāi)始處理。由于低功耗UART外設(shè)可以在CPU處于停止模式時(shí)接收數(shù)據(jù)，因此傳輸過(guò)程中所需的電量大大減少，從而大大提高了我們的電源效率。當(dāng)您需要連接到 MCU 的低速串行接口時(shí)，請(qǐng)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(wèn)傳感器數(shù)據(jù)很重要。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，很少變化，因此可以以低得多的速率進(jìn)行監(jiān)控。大多數(shù) MCU 上提供的高速接口有多種選擇，其中 SPI、QSPI 和 I2C 是流行的選擇。例如，Atmel SAM4S4A MCU支持具有多個(gè)通道的 SPI 和 I2C。該器件的另一個(gè)功能是即使在極低功耗模式下也可以保留 SRAM，因此傳感器數(shù)據(jù)包在存儲(chǔ)在 SRAM 中時(shí)不會(huì)丟失。當(dāng)?shù)凸氖亲钪匾膯?wèn)題時(shí)，請(qǐng)尋找此功能。

　　許多 MCU 支持流行的 I2S 音頻接口，這通常是音頻處理應(yīng)用的明顯選擇。然而，現(xiàn)代音頻編解碼器通常支持多個(gè)接口，因此您可以為您的應(yīng)用程序選擇一個(gè)合適的接口。Texas Instruments TLV320AIC3254立體聲音頻編解碼器（圖 3）支持 I2S、I2C 和 SPI，因此您有多種接口選項(xiàng)。

　　圖 3：Texas Instruments 的音頻編解碼器支持多種串行接口。（德州儀器提供）

　　當(dāng)您的應(yīng)用程序正在流式傳輸音頻數(shù)據(jù)時(shí)，I2S 接口是一個(gè)很好的選擇。假設(shè)在我們的示例中，傳感器需要不頻繁地測(cè)量音頻電平和頻率（可能最多每秒一次），以測(cè)試環(huán)境是否符合工廠車間員工的聲音暴露法規(guī)。在不丟失任何數(shù)據(jù)且不干擾其他測(cè)量的情況下捕獲幾分之一秒的聲音非常重要。在這種情況下，I2S 接口是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它允許獨(dú)立于其他 I2C 或 SPI 端口進(jìn)行操作。

　　I2S 的使用還可以讓我們最大限度地減少功耗，因?yàn)樗鼉H在音頻捕獲期間打開(kāi)。通常 I2S 可以與 DMA 結(jié)合使用，以便 CPU 可以處于低功耗模式，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)的同時(shí)處理數(shù)據(jù)。如果音頻功能的總“開(kāi)啟時(shí)間”減少，這可能最終會(huì)降低功率?？紤]在您的設(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一種。

　　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(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 可用于許多傳感器應(yīng)用。一些 ADC 可以獨(dú)立于 CPU 運(yùn)行，這使得在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)可以輕松地將 CPU 置于低功耗模式。例如，STM32F4 MCU 有一個(gè) ADC，可以使用直接內(nèi)存訪問(wèn) （DMA） 控制器將捕獲的數(shù)據(jù)直接移動(dòng)到內(nèi)存中。ADC 也可以通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)器模塊啟動(dòng)，這樣就可以在沒(méi)有 CPU 干預(yù)的情況下輕松進(jìn)行定期測(cè)量。這些啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)如圖 4 中 STM32F4 ADC 框圖的底部所示。

　　圖 4：STMicroelectronics STM32F4 MCU ADC 框圖。（意法半導(dǎo)體提供）

　　為了進(jìn)一步提高效率，模擬看門(mén)狗功能允許非常精確地監(jiān)控一個(gè)、部分或所有選定通道的轉(zhuǎn)換電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換后的電壓超出編程閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷。這在我們的示例環(huán)境監(jiān)控設(shè)計(jì)中特別有用，因?yàn)?CPU 不需要處于活動(dòng)狀態(tài)，除非測(cè)量值偏離“安全”區(qū)域。這降低了功耗并允許 CPU 專注于關(guān)鍵處理要求。

　　結(jié)論

　　對(duì)于傳感器融合設(shè)計(jì)，減少 CPU 開(kāi)銷的高效接口至關(guān)重要。釋放 CPU 以便它可以使用算法處理各種傳感器數(shù)據(jù)，這些算法結(jié)合或融合數(shù)據(jù)以識(shí)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)大的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的關(guān)鍵要素。