利用計(jì)算裝置對來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組合并得出結(jié)論的想法可以上溯到二十世紀(jì)五十年代，但實(shí)現(xiàn)起來難度很大。1960年左右，數(shù)學(xué)家開發(fā)了一套算法，試圖借助機(jī)器根據(jù)多個(gè)傳感器的輸入得出某個(gè)結(jié)論，并通過篩選將噪聲或其它來源引入的無效數(shù)據(jù)濾除。不久之后，軍方?jīng)Q定采用這項(xiàng)技術(shù)，通過對多來源輸入進(jìn)行處理并與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，軍方得以更好地跟蹤和識(shí)別潛在的空中目標(biāo)，甚至計(jì)算出確切位置。隨著更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和傳感器的出現(xiàn)，該技術(shù)也在不斷進(jìn)步，但仍然存在一些過于復(fù)雜的問題，需要付出很高的代價(jià)。

 

潛在應(yīng)用

 

微處理器在剛剛問世時(shí)曾被稱為一種解決方案，傳感器融合也可以這樣考慮。如果你可以通過某種方式監(jiān)控多個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，并能發(fā)出簡單的指示命令或控制某個(gè)動(dòng)作，那么傳感器融合可以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出你的想想！下面只列出了一些簡單的示例：

 

● 健康監(jiān)測—包括健身運(yùn)動(dòng)、病人監(jiān)護(hù)以及研究

● 老人健康監(jiān)測—健康監(jiān)控，以減少人員負(fù)擔(dān)

● 汽車、交通運(yùn)輸系統(tǒng)—監(jiān)測和控制運(yùn)輸效率及安全性

● 公共安全—相較于簡單的消防和安全系統(tǒng)能更加準(zhǔn)確地識(shí)別潛在的危險(xiǎn)情況

● 娛樂—游戲，包括控制器和虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式耳機(jī)

● 天氣—智能天氣預(yù)報(bào)站，不僅能夠預(yù)測天氣條件變化，還可以控制系統(tǒng)以便為風(fēng)暴來臨做好準(zhǔn)備（如關(guān)閉風(fēng)暴百葉窗，關(guān)閉閥門等）

● 暖通空調(diào)/空氣質(zhì)量監(jiān)測—對室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量、系統(tǒng)維護(hù)等進(jìn)行智能控制

 

盡管上述功能均已存在多年，但系統(tǒng)通過檢測多個(gè)傳感器并得出智能結(jié)論、甚至采取行動(dòng)的能力，卻是革命性的創(chuàng)新。

 

如同其它電子領(lǐng)域一樣，一些IC廠商也已經(jīng)著手研究技術(shù)融合這一繁重任務(wù)。目前，可以通過現(xiàn)成的傳感器融合和傳感器中樞芯片或者其他途徑，有效地連接各種數(shù)字傳感器，而且無需自己去開發(fā)算法。

 

這些IC廠商所采用的方法可能會(huì)有所不同，有些會(huì)修改現(xiàn)有的產(chǎn)品線，有些會(huì)為解決傳感器融合問題開發(fā)新的產(chǎn)品，但最終都要通過專門的控制芯片實(shí)現(xiàn)，比如MCU、傳感器中樞或傳感器融合處理器?，F(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在了智能手機(jī)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測器以及其它消費(fèi)性產(chǎn)品上。

 

蘋果、三星等新一代智能手機(jī)甚至不需要外部連接，便能結(jié)合多個(gè)強(qiáng)大的傳感器，包括三軸磁力計(jì)、三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。這種結(jié)合通常被稱為9-DoF，即九自由度。

 

多數(shù)情況下，手機(jī)中的這些功能要“始終開啟”。如果這些傳感數(shù)據(jù)全部由手機(jī)中央微控制器來處理，將會(huì)大大縮短電池壽命。相反，使用高效的專用微控制器芯片作為傳感器中樞來處理數(shù)據(jù)，便能大幅降低功耗。NXP的ARM M3系列MCU就是一個(gè)示例。EETimes報(bào)道稱芯片分析公司Chipworks的調(diào)查結(jié)果顯示，蘋果的M7處理器采用了NXP的定制版M3芯片，來監(jiān)控iPhone5S中的各個(gè)傳感器，包括陀螺儀、加速計(jì)和羅盤。而三星手機(jī)采用的是Atmel的8位AVR MCU。

 

通過強(qiáng)大的板級(jí)傳感技術(shù)，應(yīng)用程序可以利用手機(jī)中的9-DoF功能來監(jiān)測健康和運(yùn)動(dòng)情況，或者結(jié)合GPS和外部數(shù)據(jù)來為用戶提供更多信息?，F(xiàn)在，還可以通過藍(lán)牙通信為那些多功能傳感器添加外部數(shù)據(jù)，并且?guī)缀醪皇芟?。芯片制造商的目?biāo)是讓工程師可以設(shè)計(jì)出能夠提供實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)不僅可以提供所需的上下文相關(guān)信息，而且功耗低，電池壽命也長。除了智能手機(jī)，高度優(yōu)化的解決方案也能夠滿足平板電腦、超級(jí)本、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、游戲機(jī)、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測和穿戴式電腦等各類應(yīng)用需求。

 

現(xiàn)在市面上已經(jīng)推出了可以幫助工程師輕松體驗(yàn)這項(xiàng)傳感技術(shù)的開發(fā)板，比如Atmel公司的ATAVRSBIN2。Atmel將融合傳感器集成在了很多產(chǎn)品中，并稱之為“完整傳感器生態(tài)系統(tǒng)”。Atmel意識(shí)到同時(shí)分析和融合多種傳感器數(shù)據(jù)并非一項(xiàng)獨(dú)立的任務(wù)。為了解決這一復(fù)雜的問題，該公司與多家知名傳感器制造商和傳感器融合專家合作，希望能提供一個(gè)完整的、易于實(shí)現(xiàn)的傳感器中樞。

 

目前的趨勢是將三個(gè)或更多的MEMS傳感器與MCU封裝在一起，比如STMicroelectronics的LIS331EB，它在3×3×1mm的封裝中集成了一個(gè)高精度三軸數(shù)字加速度計(jì)與一個(gè)微控制器。此微控制器采用超低功耗ARM Cortex-M0，并具有64K字節(jié)的閃存、128K字節(jié)RAM、嵌入式定時(shí)器、2個(gè)I²C（主/從）和一個(gè)SPI（主/從）。LIS331EB也可以處理外部傳感器數(shù)據(jù)，包括陀螺儀、磁力計(jì)和壓力傳感器等共九個(gè)外部傳感器。STMicroelectronics的iNEMO引擎?zhèn)鞲衅魅诤宪浖准捎昧艘惶鬃赃m應(yīng)預(yù)測和濾波算法來處理（或融合）多個(gè)傳感器的復(fù)雜信息。LIS331EB則用作傳感器中樞，通過iNEMO引擎軟件將所有輸入融合在一起。

 

Freescale也推出了一個(gè)將微控制器和傳感器封裝在一起的產(chǎn)品系列。他們的FXLC95000 Xtrinsic運(yùn)動(dòng)傳感平臺(tái)集成了一個(gè)MEMS加速度計(jì)和一個(gè)32位ColdFire微控制器。類似于上述STMicroelectronics器件，F(xiàn)XLC95000可以同時(shí)管理內(nèi)部和外部傳感器數(shù)據(jù)。Freescale是第一家提供集成傳感中樞微控制器的公司，這類微控制器還可根據(jù)具體應(yīng)用程序和算法進(jìn)行設(shè)置。此系列器件可管理多達(dá)16個(gè)傳感器輸入，能夠?qū)⑿?zhǔn)、補(bǔ)償和傳感功能從應(yīng)用處理器中分離出來，但需要搭配使用Freescale自帶或第三方的驅(qū)動(dòng)程序。

 

 

帶加速度計(jì)的Freescale Xtrinsic FXLC9500 32位MCU傳感器融合中樞，提供了一個(gè)可擴(kuò)展的自主、高精度多傳感器中樞解決方案，能夠在開放式架構(gòu)下提供本地計(jì)算和傳感器管理功能

 

Bosch、Fairchild、Honeywell、Microchip以及TI等廠商也在此領(lǐng)域頗有建樹。

來源：貿(mào)澤電子設(shè)計(jì)圈，作者： Morrie Goldman

 

 

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