作为传感器集线器的MCU_凯利讯半导体
今天的手机、平板电脑和其他无线数字设备现在包括提供位置、方向、高度、接近和触摸感知能力的各种传感器。这些传感器每个都提供一个数据输出流，这些数据流必须由主机系统的主处理器捕获或处理，或者由一个芯片来优化，以处理多个传感器数据流，并将这些数据流预处理成主机处理器可以容易地吸收的形式。将所有传感器数据流路由到主机处理器，由于有限的PIN计数和板空间可能会带来挑战，该空间可能已经被系统中的所有其他功能阻塞。
因此，使用传感器集线器来收集所有的传感器数据，执行一些预处理，然后将单个压缩的数据流发送到主机处理器，可以简化系统设计，并降低系统功耗。较低的功率是两个因素的结果-第一，主机处理器不必处理中断或其他服务传感器数据的任务，第二，作为集线器的低功耗微控制器可以管理大部分传感器数据，准备将其有效地传送到主机。使用I/C串行总线进行低到中等的数据传输速度(子500 kBys/s)，或者SPI总线用于更高的数据速率(高达几兆比特/秒)。
今天，大多数传感器数据的处理是通过在应用处理器上运行的软件来完成的。然而，如果传感器必须在后台连续运行，使用应用处理器将增加系统的功耗-在手机和平板电脑中不希望出现的情况，因为它们的功率预算有限。手机和平板通常有十几个传感器——不仅仅是运动传感器，而且还有麦克风、光传感器、触摸屏、接近传感器，甚至可能是温度和湿度传感器，以提供活动监测、语音命令操作和上下文感知，以命名为J。有一些用途。因此，对低功耗解决方案的需求变得至关重要。
一个传感器集线器(通常是来自Atmel、NXP、St微电子和德克萨斯仪器等供应商)的专用微控制器的创建使得设计者能够最小化主机处理器的硬件和固件变化，并且如果传感器改变或升级，则允许容易更新。替代地，传感器集线器可以集成到无线系统中的主应用处理器中，但是这将需要对应用处理器进行适度的改变，这可能增加处理器的复杂性。然而，这样的解决方案消除了需要单独的集线器芯片，这可能是一个关键的选择，如果印刷电路板空间是极其有限的。
另一种选择是将传感器和低功耗微控制器结合在芯片上或多芯片封装中，从而将传感器和集线器呈现为单个封装解决方案。这种紧凑的解决方案将需要最小的板空间，并提供一个快速预打包解决方案时，上市时间是一个关键因素。此外，由于将现场可编程门阵列技术集成到芯片中的成本降低，我们也可以开始看到一个可编程的织物传感器集线器，它可以通过下载新的FPGA配置比特流来重新配置。
在一个平台上运行的应用，例如手机或平板，需要同时分析和融合来自连续收集数据的多个传感器的数据。传感器通常包括运动(加速度计、陀螺仪、磁强计)、环境(温度、气压、湿度、光水平、颜色)和其他参数，例如环境噪声、接近度和触摸。这种传感器可从模拟设备、ViSunSnices、KiiNiX和意法半导体等供应商获得。为了将这些传感器输出的集合融合到主机应用程序可以解释的数据流中，低功率传感器集线器提供多个输入和处理能力来为应用处理器预处理数据。
来自ATMEL的这种传感器集线器处理器的例子包括公司的山姆D20、D21和基于ARM CORTEX-M0+处理器核心的SAM G微控制器。例如，D21族具有包含四个或六个串行通信模块(SerCOM)的成员。这些模块是完全软件可配置的，可以处理Ii C、USAT/UART和SPI通信(图1，中间块的右侧列)。在芯片上有多个Selcom模块，设计者可以精确地将串行接口组合定制到它们的应用程序，以匹配每个传感器的要求。山姆D 21上的I i C可以工作到3.4 MHz(I i s，PMBus，SMBus也被支持)。此外，对于只有模拟输出的传感器，D21的20通道12位A/D转换器可以对信号进行数字化，然后将它们发送到应用处理器。
Atmel公司开发的山姆D21微控制器
图1：Atmel开发的山姆D21微控制器集成了多个软件可配置串行端口，允许设计者连接多个传感器。多通道A/D转换器还为没有数字输出的传感器提供输入。
在这篇文章中，Atmel刚刚宣布Smart公司，它的新品牌的ARM为基础的微控制器结合新Smart山姆W23模块，使Wi-Fi连接物联网(IOT)应用。具有预先集成的网络软件栈的D21微控制器是Atmel的山姆W23无线模块的核心。这种预配置和测试的Wi-Fi子系统可以很容易地集成到一个应用程序中(图2)。该模块可以作为一个独立的端点，通过它的无线接口收集和传输传感器数据，或者它可以连接到运行主应用程序的主机处理器，模块卸载一些数据收集和传输功能。这样的模块可以在工业、医疗、智能家居、安全和许多其他类似的应用中得到广泛的应用。
Atmel山姆W23模块的图像
图2：从Atmel的山姆W23模块的心脏是一个D21 MCU。MCU打包一个ARM CORTEX-M0+处理器，一个完全集成的Wi-Fi网络软件栈，以及多个串行I/O通道。
还有许多其他厂商也提供微控制器，这些传感器为传感器集线器应用——微芯片、NXP、STMIC和德克萨斯仪器优化，仅举几个例子。刚刚公布的德克萨斯仪器是两个家庭的低功耗微控制器，MSP430FR59X和MSP430FR69X(现在可用于采样，全生产量由于在3Q 2014)，除了广泛的各种I/O选项和硬件AES加密，也包括铁电。非易失性RAM取代闪存或EEPROM存储-高达64千字节的59X系列和128千字节的69X系列。FRAM存储器具有100兆个周期的耗损，而基于闪存的存储只有10000个周期。芯片的待机功率为450 nA，当工作消耗100μA/MHz时。针对可穿戴、健康和健身，以及智能手表应用，以及家庭自动化和安全，微控制器还包括一个“智能”A/D转换器，它可以独立于CPU运行，收集模拟传感器数据，而在200 kSt/s仅消耗140μA。
组合传感器和集线器解决方案也是可能的。一个这样的设备，KX23 H从Kionix(刚刚从该公司采样)，包含一个基于ARM的传感器集线器与嵌入式3轴加速度计和固件，其中包括一个先进的运动处理和上下文感知算法库。该算法为设计者提供计步器和热量计数程序，以及活动监测和检测状态之间的差异，如停止/步行/运行/汽车/火车，等等。附加算法包括智能手机或平板应用通常需要的功能-轻拍/双击、屏幕旋转、倾斜和其他常见功能。这些算法将运行在嵌入式的32位ARM CORTEX-M0处理器，时钟在32 MHz。KX23 H还可以接受来自传感器的附加输入，如陀螺仪、磁强计和压力传感器，并且具有运行传感器融合软件的能力，从而卸载主机CPU或应用处理器，降低功耗，并简化系统架构。KiNIX设备是基于母公司罗姆半导体的LAPIS子公司(原OKI半导体)开发的技术。
类似于Kiixx方法，来自ViSnSnices的MPU-9250 9轴运动传感器结合了3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力仪(指南针)以及动态运动处理器，该动态运动处理器可以使用公司专有的运动对复杂的9轴运动数据进行预处理。NFIN算法(图3A)。在封装的FSYNC引脚上的数字输入能力允许传感器支持电子图像稳定和GPS输入，而可编程中断支持诸如手势识别、平移、缩放、滚动和抽头和抖动检测之类的应用。
在一个小型的3×3×1毫米QFN封装中，传感器可以安装在从智能手表、健身设备和智能手机到平板电脑、医疗设备和工业系统的任何空间受限设备上。此外，传感器仅消耗9.3μA，从而最小化其对系统功率预算的影响。MPU-9250实际上由微型QFN封装中的两个芯片组成——MPU-6500，它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计和数字运动处理器。第二个芯片是AK8963，一个3轴数字罗盘(图3B)。
与公司的第一代设备相比，MPU-9250为44%更小，在陀螺仪噪声中有三倍的改进，并且罗盘满量程范围是比竞争设备好四倍。
MpU-9250九轴运动传感器的示意图
(a)
MPU-9250九轴运动传感器图像的图像分析
(b)
图3：由MUP-9250开发的9轴运动传感器，结合了3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力仪，以及动态运动处理器，可以预处理来自传感器(A)的复杂多轴数据。容纳9轴传感器的微型3×3×1毫米封装的剖视图表明，该封装实际上包含两个芯片，一个集成陀螺仪、加速度计和动态运动处理器，以及第二个堆叠在第一个顶部的包含多轴罗盘(B)的芯片。
综上所述，随着智能手机和平板电脑功能的不断扩展，随着物联网(IOT)现象的出现，传感器的使用将随着系统设计者增加功能和连接性而不断增加。然而，随着系统做得更多，需要将一些计算/分析功能卸载到基于微控制器的传感器集线器上变得越来越重要，以确保电池寿命不会受到传感器或计算机应用程序的影响，该系统必须运行以提取IOF。来自传感器数据流的信息。正如本文所指出的，有几个MCU可供来自多个供应商的设计者使用，这些MCU非常适合于在这些系统中执行传感器集线器的角色。