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使傳感器融合工作：多通道ADC，MCU等
使傳感器融合工作：多通道ADC，MCU等
復(fù)雜的系統(tǒng)大量使用數(shù)據(jù)，尤其是利用當(dāng)今的嵌入式和云計(jì)算功能。如果您的新產(chǎn)品需要使用來(lái)自大量傳感器的輸入來(lái)提供預(yù)期的功能，該怎么辦？這是傳感器融合的中心思想。通常在汽車電子方面討論這個(gè)概念，因?yàn)楝F(xiàn)代汽車集成了來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，但是其他產(chǎn)品可以使用相同的概念來(lái)提供一系列所需的功能。如果您的下一個(gè)系統(tǒng)將使用傳感器融合來(lái)集成來(lái)自多個(gè)源的數(shù)據(jù)，那么這里是創(chuàng)建工作系統(tǒng)所需的一些組件。
什么是傳感器融合？
顧名思義，傳感器融合就是：來(lái)自大量傳感器的數(shù)據(jù)被收集并饋送到處理器中，然后將其用于一系列應(yīng)用中。一些需要傳感器融合的最終應(yīng)用包括自動(dòng)駕駛汽車，機(jī)器人技術(shù)，控制系統(tǒng)，工業(yè)自動(dòng)化，人工智能，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等等。甚至高級(jí)醫(yī)療監(jiān)視器，智能設(shè)備和智能家居系統(tǒng)等產(chǎn)品也將越來(lái)越多地使用傳感器融合技術(shù)。
那么，什么使傳感器融合與其他涉及讀取和處理傳感器數(shù)據(jù)的事物不同呢？這完全取決于規(guī)模以及如何使用數(shù)據(jù)。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可能僅將少量傳感器用于不同任務(wù)，并且不同傳感器輸入可能不會(huì)始終一起用于做出半自治決策。傳感器融合既是嵌入式編程思想，也是硬件思想，因?yàn)榍度胧杰浖幚砀嗟臄?shù)據(jù)并使用它來(lái)做出更復(fù)雜的決策。
如果這聽(tīng)起來(lái)像是機(jī)器學(xué)習(xí)或AI之類的東西，那不是太遙不可及。可以構(gòu)建AI / ML模型以容納不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及來(lái)自單個(gè)推理任務(wù)的一系列來(lái)源的數(shù)據(jù)。它們基本上與數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，就像其他具有多個(gè)數(shù)據(jù)流并且不使用ML模型進(jìn)行決策的系統(tǒng)一樣。
此框圖顯示了傳感器融合中涉及的高級(jí)應(yīng)用程序。注意，ADC級(jí)可以集成到嵌入式處理器中。如果您愿意，處理甚至可以在外部設(shè)備或云上進(jìn)行。
設(shè)計(jì)師面臨的主要問(wèn)題是：如何“融合”并處理來(lái)自傳感器的多個(gè)數(shù)據(jù)流？這既是軟件工程問(wèn)題，又是硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題。我們將不在這里討論算法方面，因?yàn)檫@仍然是計(jì)算機(jī)科學(xué)家和軟件工程師中積極開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。在硬件方面，需要大量組件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和處理，并將其作為傳感器融合的一部分。
傳感器融合系統(tǒng)的組件
傳感器融合所需的確切組件集部分取決于應(yīng)用領(lǐng)域：
諸如可穿戴設(shè)備之類的小型設(shè)備可能需要較小的組件才能使外殼尺寸保持較小。考慮集成組件或較小的SMD組件。
諸如自動(dòng)駕駛汽車之類的高度特定的系統(tǒng)對(duì)形狀系數(shù)的限制更為寬松。芯片制造商可能會(huì)開(kāi)始發(fā)布特殊組件，以幫助新型汽車中的傳感器融合。
具有非特定或模塊化形狀因數(shù)的其他系統(tǒng)使設(shè)計(jì)人員可以自由選擇組件，并且可能不開(kāi)發(fā)用于這些系統(tǒng)的SoC。
傳感器融合全部從采集模擬數(shù)據(jù)開(kāi)始，然后再將其輸入到嵌入式處理器中。
多通道ADC
采用多通道ADC進(jìn)行傳感器融合的路線，為將多個(gè)信號(hào)輸入集中到一個(gè)封裝中提供了一種便捷的方法。傳感器融合中使用的多通道ADC通常不需要非常高的采樣率。每秒采樣數(shù)約為?的delta-sigma ADC將在超聲波范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的信號(hào)采集，該范圍涵蓋了廣泛的模擬傳感器。
德州儀器（TI）的LMP92018多通道ADC包括8個(gè)同時(shí)輸入和串行輸出。它還包括一個(gè)用于與其他模擬組件接口的4通道DAC。
請(qǐng)注意，ADC可以串行或并行輸出，并且它們可以包括其他功能，例如可編程增益或輸入濾波。上面顯示的德州儀器（TI）LMP92018是多通道ADC的一個(gè)示例，該ADC還包括4個(gè)具有GPIO和SPI接口的DAC。這種類型的組件非常適合傳感器融合，因?yàn)樗峁┝烁卟蓸勇屎涂蛇x的外部參考電壓連接。
特定應(yīng)用處理
使用ADC收集傳感器數(shù)據(jù)后，您的某些輸入可能需要在小型MCU或ASIC中進(jìn)行后續(xù)的特定于應(yīng)用程序的處理。例如，DSP組件可用于執(zhí)行某些信號(hào)調(diào)理任務(wù)，而這些信號(hào)調(diào)理任務(wù)可能是特定應(yīng)用領(lǐng)域所必需的（視頻數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)就是一個(gè)很好的例子）。如果ASIC無(wú)法提供所需的DSP步驟，則可以使用通用處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些步驟。
通用處理
這是您的應(yīng)用程序?qū)⒈粚?shí)現(xiàn)和執(zhí)行的地方。像小型MCU或FPGA這樣簡(jiǎn)單的東西可用于接收來(lái)自串行或并行多通道ADC或DSP IC的輸入。來(lái)自大量并行傳感器的融合將需要更高的處理速度，板載內(nèi)存，位深度和與其他組件接口的I / O。
如果有一個(gè)將多個(gè)處理和通信功能集成到單個(gè)封裝中的SoC，那么將該組件用作傳感器融合的處理器不會(huì)有任何危害。并非所有這些專用組件都包括用于傳感器融合的多個(gè)ADC通道，而某些專用組件可能包含您的應(yīng)用程序不需要的其他功能，這會(huì)增加組件的價(jià)格。
對(duì)于嵌入式AI等極端的計(jì)算工作負(fù)載，您必須走GPU路線來(lái)獲得強(qiáng)大的處理能力，直到芯片制造商開(kāi)發(fā)出低功耗ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)AI模型。借助Jetson平臺(tái)，NVIDIA可以說(shuō)是在這一領(lǐng)域的市場(chǎng)壟斷者，但是這些系統(tǒng)在傳感器融合方面仍然受到限制。這可能需要一個(gè)多通道ADC和主板，具體取決于您使用的傳感器的數(shù)量。
查找傳感器融合所需的組件
到目前為止，我們已經(jīng)研究了傳感器融合的一系列不同組件。這些組件很容易獲得，可用于開(kāi)發(fā)概念證明，專用組件的評(píng)估模塊，測(cè)量和采集設(shè)備等等。對(duì)于更專業(yè)的產(chǎn)品，例如支持AI的IoT產(chǎn)品，芯片制造商正在開(kāi)發(fā)一系列專用SoC，這些芯片將此處看到的許多或全部組件集成到單個(gè)芯片中。這些用于傳感器融合任務(wù)的更高級(jí)的組件仍在開(kāi)發(fā)中，它們可能無(wú)法提供系統(tǒng)所需的通道號(hào)，采樣率或增益。