MEMS、MCU和传感器融合的平衡

摘要：MEMS传感器技术的流行，让传感器技术的应用变得越来越广泛，与此同时，配合传感器的MCU产品也必须做出一定的调整，以适应传感器和MCU相配合以达到最优的整体应用效果。本文详细分析了如何在MEMS传感器和MCU之前进行设计的平衡。

最近几年，在消费电子和工业控制领域中，惯性MEMS和相关传感器出现了爆炸式增长，采用这些传感器解析数据的需求也大幅增加，而在何处进行这种处理是一个复杂的问题。由于每个系统设计人员考虑的优先事项不同，所以至今也没有一个正确答案。从对您的产品和业务的整体重要性来看，您作为系统设计人员，需要确定以下几个因素的优先次序：

1. 融合输入的精确度
　　2. 功率
　　3. 区域/空间考虑要素
　　4. 易于集成
　　5. 成本和供应链灵活性

让我们从后往前开始讨论。在“灰色市场”中，优先考虑的往往是成本和/或供应链灵活性。在这种情况下，原始设备厂商经常会依据“最小公分母”原则选择传感器和MCU。在手机和平板电脑中，为了支持在应用处理器上直接进行融合，可能会完全忽略MCU。

单个传感器(加速度传感器、陀螺仪、磁力计等)可能是一个“复选框”项目，一个厂商的传感器也可能会被另一个取代，以确保最低成本或不间断的供应链。通常，消费者不得不接受更高的功耗和有限的功能，并将为此支付费用。应用处理器操作时，会消耗大量电力，而进行低功耗状态转换时，会花费大量时间。各个传感器的单独中断加剧了这一问题。此外，应用处理器上运行的操作系统通常不支持实时处理，从而限制了利用传感器数据的应用类型。

传感器集线器包含传感器融合实时处理功能，通常支持最简单的集成。图2显示了第一代系统。

选择系统MCU时，应考虑两种因素：低功耗状态的快速切换和低中断延迟。由于融合在MCU上进行，因此应用处理器可以按需访问数据。AP降低的功耗要求大大弥补了独立MCU消耗的功率。然而，会消耗更多的板卡空间，系统成本将随着MCU和关联无源组件的成本而增加。

对于那些尝试设计包含传感器融合的首个系统的设计人员来说，开发图2所示的系统将是一个艰巨任务。融合算法很复杂，需要耗费大量精力。但如果传感器制造商提供在MCU上运行的融合软件，从集成角度来看，该系统将变得非常简单。如果制造商提供子系统的原理图和布局信息，则会更简单。一个例子是飞思卡尔面向Windows 8的12轴Xtrinsic传感器参考平台，拓宽了微软Windows 8对传感融合技术的支持范围。这套完整的硬件和软件解决方案融合了加速度传感器、磁力计和陀螺仪数据，采用飞思卡尔ColdFire+ MCU，以保证高质量。最优传感器融合通过支持Microsoft的硬件和软件，提供轻松集成，加快开发速度，面向平板电脑、手写板、笔记本电脑以及其他移动设备应用。MCU+广泛的传感器，可以实现全面集成的硬件解决方案，12轴解决方案提供低功率设计以适用于便携式设备的需求，可以说传感器融合对Windows 8而言是非常重要系统解决方案 。

随着MEMS和封装技术的不断发展，传感器制造商现在能够组合图1和2所示的一些传感器类型。如果成本和/或板卡空间是最重要的因素，许多传感器采用普通封装通常就可以。如果精确度是最重要的因素，您可能希望对磁力计采用独立封装，使之与加速度传感器和陀螺仪分开。通常，PCB边缘的磁干扰最小，而加速度传感器和陀螺仪则在器件中心时性能最佳。同样，压力传感器的最佳放置地点是可与外界通风的位置(可能在麦克风附近)。

图2所示系统可以进一步在两个不同方向发展。从功率角度看，最有效的方法可能是，在与应用处理器相同的芯片上添加一个独立的MCU，配备其自己的电源和时钟管理。但目前通常不提供这种选项。即使(如果)AP制造商提供这种选项，您仍然会有疑问“谁为融合子系统提供软件”。

另一种方法是将MCU与一个或多个传感器相集成。飞思卡尔称之为“智能传感器集线器”，并曾在2011年推出MMA955x系列器件时介绍了这一概念。其他厂商(特别是Bosch和ST)近期也推出了配备了集成式MCU的设备;飞思卡尔预计将于近期推出另一款产品。

当选择智能传感器集线器时，您希望查看厂商是仅仅将MCU连接到现有传感器上，还是为传感器融合优化系统。一般来说，这是“优化功率”的代名词。让我们来看看图3所示的系统背景中的一些优化。

内存：智能传感器集线器通常从闪存运行。就芯片面积和成本而言，闪存和RAM都是昂贵的资源。您是否有足够的内存来完成这项工作?另外，您支付的内存超出了您的需求吗?RA