打造新的多傳感器系統(tǒng)可能是一項艱苦工作，因為您必須確保設(shè)計符合傳感器的特定要求，并做到長期的準(zhǔn)確性和可靠性。 當(dāng)根據(jù)應(yīng)用的要求，需要更多無線連接時，設(shè)計師很難提供這樣一種解決方案——既能最大限度提高無線電靈敏度，擴大其覆蓋范圍，又能維持無噪聲信號鏈運行。 專為傳感器應(yīng)用而設(shè)計的單板計算機 (SBC) 可提供出色的解決方案，來滿足無線傳感器的復(fù)雜要求，而不影響緊湊的項目時間表。

通常，傳感器系統(tǒng)設(shè)計會將微控制器 (MCU) 與更多的模擬電路與數(shù)字控制邏輯相結(jié)合，后者用于準(zhǔn)確可靠地獲取并發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)(圖 1)。 SBC 可通過提供結(jié)合軟硬件與傳感器應(yīng)用開發(fā)工具的測試平臺，來加快這些系統(tǒng)的設(shè)計。 開發(fā)人員可以專注于優(yōu)化所需的特性與功能以滿足其獨特應(yīng)用的特定要求，而不必花時間重新創(chuàng)建眾多傳感器設(shè)計所通用的基本系統(tǒng)。

用于傳感器信號采集的 Texas Instruments 微控制器 (MCU) 和模擬前端 (AFE) 的圖片

圖 1： 大多數(shù)傳感器系統(tǒng)都采用共同的設(shè)計，其中包含用于傳感器信號采集的微控制器 (MCU) 和模擬前端 (AFE)、用于將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至其他設(shè)備或主機系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)。 (圖片： Texas Instruments)

Texas Instruments 和 NXP 推出的專業(yè)板級系統(tǒng)專門用于傳感器應(yīng)用，結(jié)合了無線傳感器硬件和專業(yè)軟件庫，以及能幫助加快設(shè)計和測試這些應(yīng)用的完整開發(fā)環(huán)境。

緊密集成的 SBC

Texas Instruments SensorTag 提供一種緊密集成的解決方案，可以在僅 5 x 6.7 x 1.4 cm 的封裝內(nèi)提供全面的傳感器處理系統(tǒng)。 SensorTag 基于 TI CC2650 無線 MCU 的功能構(gòu)建，并增加了一些必要的元器件，用于連接 CC2650 與在 SensorTag 板上構(gòu)建的多個傳感器和用戶接口備(圖 2)。

Texas Instruments CC2650 無線 MCU 的圖片

圖 2：Texas Instruments SensorTag 利用 TI CC2650 無線 MCU 的無線通信及傳感器處理的集成功能，為傳感器應(yīng)用的快速開發(fā)提供多個傳感器和接口。 (資料： Texas Instruments)

TI SensorTag 專門用于所連接傳感器應(yīng)用的快速開發(fā)，是一個全面的、可支持許多不同開發(fā)風(fēng)格的開發(fā)套件。 實際上，開發(fā)人員使用其默認(rèn)模式就可以開始快速處理傳感器數(shù)據(jù)。 在以默認(rèn)模式啟動后，SensorTag 會向智能手機等支持低功耗藍(lán)牙的核心設(shè)備廣播自己。 開發(fā)人員通過云端從 SensorTag 即可訪問傳感器數(shù)據(jù)，或者使用 JavaScript 和 jQuery 直接訪問數(shù)據(jù)。 在此模式下，開發(fā)人員可以使用 Android 或 iOS 移動應(yīng)用作為起點，或根據(jù)與套件一起提供的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項目樣例中的源代碼寫入獨立于 HTML5 平臺的代碼。

對于更復(fù)雜的定制應(yīng)用，SensorTag 硬件會提供一個基于開放式硬件解決方案構(gòu)建的高級開發(fā)平臺。其中，開放式硬件解決方案旨在展示如何使用多樣化低功耗傳感器。 開發(fā)人員可以使用稱為 DevPack 的子卡進(jìn)一步擴展 SensorTag，這使設(shè)計和測試其他類型的傳感器和致動器變得容易。 需要特別說明的是，SensorTag 和可用的 Debug DevPack 結(jié)合后，可提供一個實惠、全面的平臺，用于為傳感器應(yīng)用開發(fā)定制軟硬件(圖 3)。

Texas Instruments SensorTag Debugger DevPack 的圖片

圖 3：Texas Instruments 的 SensorTag Debugger DevPack 用于為 SensorTag 增加測試和調(diào)試功能，包括 JTAG 調(diào)試功能、可簡化硬件添加的 Grove 連接焊盤(例如添加 Seeed Technology 的 Grove 指紋傳感器時)。 (圖片：Texas Instruments)

對于無線部署，SensorTag 套件包括低功耗藍(lán)牙 (BLE) 堆棧，進(jìn)而在 TI 實時操作系統(tǒng) (TI-RTOS) 軟件環(huán)境中運行。 TI-RTOS 是一個實時、先占式、多線程操作系統(tǒng)，可以同步執(zhí)行應(yīng)用程序與 BLE 協(xié)議棧，此二者皆在 RTOS 內(nèi)作為單獨任務(wù)運行。 在此，BLE 堆棧按最高優(yōu)先順序運行，以幫助確?？煽客ㄐ?。

在 SensorTag 中，無線事務(wù)本身利用 CC2650 的集成 RF 核心，其中包括與模擬 RF 及基帶電路集成的 ARM? Cortex?-M0 處理器。 盡管工程師無法對 RF 核心的 M0 處理器進(jìn)行編程，但 TI 提供高級別、基于命令的應(yīng)用編程接口 (API)，可實現(xiàn)從主處理器上運行的代碼發(fā)布命令至 RF 核心。 RF 核心轉(zhuǎn)而使用其專用的 4 KB SRAM(用于數(shù)據(jù))和 ROM(用于代碼)，以自主方式處理無線協(xié)議的時間關(guān)鍵型部分——減輕主 CPU 的負(fù)載，并保留資源供應(yīng)用本身使用。

簡化的軟件開發(fā)

借助 CC2650 中的集成自主處理器——傳感器控制器引擎 (SCE)，傳感器信號的處理可以同樣高效。 正如 RF 核心可獨立地執(zhí)行無線事務(wù)，SCE 可獨立于主處理器控制傳感器和關(guān)聯(lián)的外設(shè)。 因此，SCE 可以運行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或通過集成的串行外設(shè)接口 (SPI) 輪詢數(shù)字傳感器而不用喚醒主處理器，從而消除了采集傳感器數(shù)據(jù)所需的的額外功耗和喚醒時間。

與 RF 核心不同，工程師可以對 SCE 進(jìn)行編程。 通過使用類 C 語言，開發(fā)人員可以編寫定制代碼來執(zhí)行傳感器輪詢或應(yīng)對特殊條件和處理要求。 因此，開發(fā)人員可以創(chuàng)建更多動態(tài)傳感器處理功能，而不必依靠為傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)置外設(shè)時常用的這種靜態(tài)配置。 TI 針對傳感器代碼部署提供 Sensor Controller Studio (SCS)，這是一種用于為 SCE 編寫、測試和調(diào)試代碼的特殊軟件工具(圖 4)。

Texas Instruments 的 Sensor Controller Studio 軟件

圖 4：開發(fā)人員使用 TI Sensor Controller Studio 軟件開發(fā)工具和類 C 語言對 CC2650 的集成傳感器控制器引擎進(jìn)行編程。 這會生成 C 源代碼，以納入專門在 CC2650 無線 MCU 上運行的主要應(yīng)用中。 (圖片： Texas Instruments)

SCS 會生成傳感器控制器接口驅(qū)動程序，即一組 C 源文件。 開發(fā)人員會轉(zhuǎn)而使用 TI Code Composer Studio (CCS) 編譯這些 C 源文件，其中的任何其他定制代碼專門作為主要應(yīng)用的一部分在 CC2650 的 ARM Cortex-M3 主機處理器上運行。

CCS 是一個基于 Eclipse 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，為 TI MCU 系列的應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試提供給了全套工具。 在其開發(fā)功能中，Code Composer Studio 包括一個不斷優(yōu)化的 C/C++ 編譯器、源代碼編輯器、項目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器和分析器——全部通過 IDE 的單用戶接口訪問，該接口旨在方便開發(fā)人員完成應(yīng)用程序開發(fā)的每個階段。

靈活的傳感器解決方案

NXP 為其 OM13078 傳感器處理運動解決方案 (SPM-S) 采取了不同的方法。 SPM-S 以 NXP LPC54102 MCU 為基礎(chǔ)，結(jié)合了 NXP 的 OM13077 LPCXpresso 板與通過 LPCXpresso 的擴展接口連接的傳感器擴展板(圖 5)。 如圖所示，傳感器擴展板包括一個用于無線通信的 BLE 模塊 (AMS0002) 和多個用于溫度、壓力、環(huán)境光和距離的傳感器，以及用于更復(fù)雜的運動檢測應(yīng)用的加速計、陀螺儀和磁力儀傳感器。

NXP LPC54102 LPCXpresso 板的圖片

圖 5：NXP 提供了一種傳感器解決方案。該方案結(jié)合了 LPC54102 LPCXpresso 板與裝載多個傳感器的擴展板，以及包括完整傳感器軟件庫的全套開發(fā)環(huán)境。 (圖片： NXP)

對于隨附的運行時間軟件環(huán)境，NXP 提供其 LPC 傳感器框架，其中包括系統(tǒng)軟件和傳感器處理軟件(圖 6)。 正常操作期間，LPC54102 MCU 會對傳感器進(jìn)行采樣，并使用 Bosch Sensortec BSX Lite 庫處理傳感器數(shù)據(jù)。 通過無線 BLE 通信或 LPCXpresso 板支持的多個主機接口中的任一接口，可將結(jié)果進(jìn)一步發(fā)送至其他設(shè)備或主機處理器。

Bosch Sensortec BSX Lite 庫的圖片

圖 6：開發(fā)人員在 NXP 的 LPC 傳感器框架上構(gòu)建傳感器應(yīng)用，該框架提供全面的運行時間環(huán)境，包括系統(tǒng)服務(wù)和傳感器信號處理，以及通過 Bosch Sensortec BSX Lite 庫對傳感器融合應(yīng)用的內(nèi)置支持功能。 (圖片： NXP)

傳感器融合架構(gòu)

除了從多個傳感器收集數(shù)據(jù)的基本功能外，SPM-S 解決方案還具有通過專為高級情境感知應(yīng)用而設(shè)計的傳感器融合算法合并多個傳感器輸出的能力，因此在眾多解決方案中脫穎而出。 傳感器融合功能結(jié)合了多個傳感器的結(jié)果，可提供無法從任何單個傳感器獲得的信息。 例如，專門識別方向的應(yīng)用需要加速計、磁力儀和陀螺儀傳感器的組合結(jié)果。 NXP 專門設(shè)計了 SPM-S 系統(tǒng)，以使用系統(tǒng)中包括的傳感器融合軟件來匯總多個實體傳感器的數(shù)據(jù)。

SPM-S 架構(gòu)中深度嵌入了對傳感器融合的支持功能。 正如典型的傳感器系統(tǒng)那樣，SPM-S 架構(gòu)會將傳感器設(shè)備識別為連接至 SPM-S 硬件的獨特實體設(shè)備。 軟件使用 sensors.h 傳感器頭文件中提供的唯一 ID 訪問每個設(shè)備(圖 7)。

傳感器頭文件中的 PhysSensorId 計數(shù)器的圖片

圖 7：每個實體傳感器都可以通過傳感器頭文件 sensors.h 中的 PhysSensorId 計數(shù)器中定義的唯一傳感器 ID 來識別。 (圖片： NXP)

要在應(yīng)用層級支持傳感器融合，SPM-S 架構(gòu)可利用其在底層軟件層支持虛擬傳感器來擴展此基本概念。 單個虛擬傳感器包含多個物實體傳感器，這些傳感器的結(jié)果按照傳感器融合算法合并后產(chǎn)生新信息。

例如，對計算方向信息所需的加速度計、磁力儀和陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行合并而產(chǎn)生的傳感器融合結(jié)果，會由虛擬方向傳感器傳回。 在 SPM-S 開發(fā)環(huán)境中，開發(fā)人員可以指定系統(tǒng)的 SensorMap 陣列中的虛擬傳感器(圖 8)。 在此陣列中，會將每個虛擬傳感器列為單個條目，并由該條目指定該虛擬傳感器使用哪些實體傳感器。

NXP SensorMap 陣列的圖片

圖 8： SensorMap 陣列描述了向虛擬傳感器提供數(shù)據(jù)的物理傳感器。 例如，方向的虛擬傳感器使用加速計、磁力儀和陀螺儀等實體傳感器。 (圖片： NXP)

SPM-S 架構(gòu)中的另一個深度嵌入功能，可以在一個虛擬傳感器中結(jié)合多個傳感器的結(jié)果時幫助維持同步。

準(zhǔn)確的傳感器融合結(jié)果需要準(zhǔn)確計時，以確保按傳感器融合算法只合并相同“時間點”的樣本。 在 SPM-S 中的中斷驅(qū)動采樣期間，傳感器會按預(yù)先定義的速率自主采樣并在結(jié)果就緒時產(chǎn)生中斷。 每個中斷驅(qū)動的傳感器都有關(guān)聯(lián)的中斷處理程序，中斷處理程序只是在發(fā)生中斷時存儲時間戳;實際的傳感器結(jié)果讀取在后續(xù)服務(wù)程序中執(zhí)行。 此方法有助于維護(hù)所需的準(zhǔn)確時序數(shù)據(jù)，以從多個單獨物理傳感器的數(shù)據(jù)生成準(zhǔn)確的虛擬傳感器結(jié)果。