簡化微控制器整合複雜度 多感測器解決方案持續優化
- DIGITIMES企劃
-
微控制器搭配感測器應用整合設計，可應用於不同的使用環境，因應智能手機、平板電腦設計需求，可建構具多元環境或裝置感測的人機介面用途，而智能手機、平板電腦甚至新穎的變形筆電可用機構空間越來越小，高度整合的感測解決方案正可因應設計需求…
感測器應用在智能手機大量採用後，成為相當熱門的關鍵零組件，尤其在智能手機、平板電腦等裝置，不同功能的感測器不僅具備感知環境變化的功效，像是加速度計、陀螺儀等，也可因應感測裝置的移動或角度變化建構另人機操作介面應用環境，新穎的操控體驗與各種結合感測器的應用軟體相繼推出，也讓智能行動設備搭載感測器成為必要的關鍵設計。
智能裝置感測應用大增 刺激感測元件用量
除了智能裝置的感測器應用需求外，在新穎的穿戴式應用中，感測器元件更肩負關鍵的應用角色，因為穿戴式設備的核心應用為記錄使用者的運動或生理資訊，透過感測器的不同環境、狀態感知特性，可進一步取得穿戴裝置配戴者的步伐數、動態、或是心跳、體溫等生理狀態進行記錄、分析，而在2014年穿戴式智能裝置可以說是繼智能手機之後更大的市場商機，可以想見感測器的整合應用在行動或是穿戴設備的設計開發份量將會越來越重。
在以往設計方案中，在導入感測器設計元件前，大多會先依產品需求列出感測器需求，開發端再選用感測器方案後列出元件列表並進行設計整合，完成工程樣機後再進行系統韌體與軟體整合，在實際的開發進程上往往會因對特定感測器的掌握度差異而影響開發進度，甚至因為部分感測器的韌體問題影響後續產品優化的成果。
因應多感測器整合需求 智能產品設計日趨複雜
早期感測元件在載板上的布局大多受限於感測元件特性限制，僅能放置特定區塊或是需避開射頻元件進行設計，在載板空間越來越小的設計環境下，追加感測器元件等於也是增加了電子電路布局的困難度，多感測器應用需求下也就產生更複雜的電路設計與整合成本，不只是線路、元件、與微控制器的整合難度增加，在產品設計後期進行電子電路功耗優化設計時，也會因為離散配置的感測器元件與系統設計，導致功號優化的工程難度增加，甚至造成電池續航力不彰的主要問題來源。
因應多感測器的設計潮流，也有感測器解決方案業者推出高度整合的感測器模組，或是以感測器中樞(sensor hub)整合的產品方案，尤其是針對越來越多裝置搭載多感測器的需求暴增，加上感測器成本在大量使用下持續探底，也導致開方裝置的感測器整合需求負荷增加，形成設備在開發功能驗證的新瓶頸，而透過感測器解決方案的模組設計或是sensor hub應用方案，可以將微控制器搭配多感測器的設計開發負荷大幅減輕，因為在解決方中已預先提供參考設計與軟體整合資源，在開發端僅需參考或微調參考設計進行產品開發，即可避免導入新感測元件需重新累積相關開發經驗與資源的時間與成本耗損。
智能裝置感測功能驟增 以多感測器解決方案改善設計
智慧型手機、平板電腦、穿戴裝置等熱門智能裝置，所搭載的感測元件大多已經超過3種以上，像是環境光感測器、地磁感測器、加速度計、陀螺儀…等，甚至是環境溫度感測器、氣壓計、溼度計等，都已經成為熱門電子產品整合的感測應用功能，對於不同感測器的部署與軟體整合特性差異也相當大，這些問題也將導致產品研發時程會花過冬資源解決相關開發問題。透過提供模組化的感測元件解決方案或是以多感測器整合需求優化的sensor hub套裝產品，則可加速多感測器與產品設計的整合時程，把更多資源投入更值得進行優化的產品核心應用功能。
在功耗優化需求方面，目前微控制器本身的功耗優化已具備極佳的表現，先前也提過早期感測器整合設計，雖可在感測應用功能與核心系統順暢銜接，但實際上在功耗優化方面開發者卻要花更多精力進行設計整合，因為當核心的微控制器進入不同階段的節電模式時，對不同感測元件的應用需求不同，甚至也可適時關閉特定感測元件電路使整體功耗表現更佳。
多感測器設計 增加電源管理整合複雜度
但若是離散式的感測元件整合，即會造成感測元件電力管理與微控制器整合的難度增加，甚至是微控制器若在進入節能或關閉狀態時，其最終感測狀態是否需暫存？還需額外設計進行處理，或是當微控制器被使用者需求喚醒進入高效能模式時，週邊感測器元件電路能否及時同步喚醒進入正常運作狀態，這些複雜的功耗優化相關設計與整合，都需要耗用不少開發資源。
以現有的多感測器解決方案，不僅可在感測器部署、整合上大幅節省開發資源，同時在深度的多感測器與微控制器的整合設計，也能在與微控制器的整合優化提供極佳的支援，尤其是多感測器解決方案可透過一低功耗微控制器進行多感測器的執行狀態、啟閉狀態進行管控，而不是直接由智能手機、平板電腦或是穿戴裝置擔負通用運算用途的微控制器進行管理，等於是可以把智慧裝置的核心運算能力自多感測器狀態管理的運算需求中釋放出來，不僅可以有效區隔將為多感測器的相關應用建構成功能子系統獨立進行開發與整合，也能有效地優化整體智能裝置的功耗表現。
極低功耗MCU 可優化感測器子系統管理能力
而透過多感測器解決方案內置的低功耗微控制器管理，多個感測元件可以有效達成較佳之感測器電源管理應用需求，不僅可把管理感測器的運算負荷自核心微控制器中釋出，同時也能運用更緊密的整合架構，有效控管各感測器的使用狀態、功耗表現等，節省開發資源，同時也能讓系統架構更趨完整。而作為管理多感測器的微控制器，在相關多感測器解決方案中，有些使用低功耗MCU，或是ARM Cortex M0+或是具更低功耗表現的ARM Cortex M4進行多感測器管理。
更新穎的做法是，多感測器解決方案除可將感測器設計形成一產品的子系統外，由於其電源管理有自己的低功耗微控制器進行管控，也能獨立於智能裝置的系統節能設計之外，例如，就有新款智能手機使用新穎的屏幕手勢指令解除裝置鎖定設計，也就是說當智能手機進入系統睡眠、屏幕鎖定狀態時，使用者還可以在未啟動的屏幕透過手勢指令喚醒手機停止睡眠，其實這種功能設計就必須仰賴使用具低功耗微控制器整合的多感測器解決方案支援，以感測手勢操作前的拾起手機的微弱晃動喚醒觸控屏幕功能，讓手機裝置得以透過分析手勢進行設備喚醒，可在兼顧整體功耗要求下擴展新穎的設計應用。
區隔感測子系統設計 可衍生更多新穎設計方案
有區隔電源管理設計，也可進一步發展更新穎的生理監控、運動監控設計應用，例如，可讓智能手機、平板電腦在睡眠狀態時，也能使用感測元件進行環境或是動態數據擷取，再利用其感測子系統進行數據記錄。這樣一來就可以在有效降低智能裝置的運作功耗下進行運動與生理資料感測數據擷取的設計要求，因為智能裝置最耗電的通用運算微控制器、顯示晶片、觸控屏幕都可以進入節能睡眠狀態，而感測子系統本身可以在裝置睡眠期間持續進行資料擷取、記錄，待設備喚醒時再將紀錄資料轉由智能裝置的通運算處理器進行分析演算與數據圖形化呈現。
這種可在節能設計進行區隔的設計方向，尤其適用對整體功耗要求更高的穿戴裝置產品，以目前極熱門的智能手環產品為例，市售智能手環的電池設計，礙於手環尺寸較小、較輕，可搭載的電池容量相當有限，一般智能手環在不開啟無線連結功能大多可以維持2？3日連續使用不需充電，而在開啟無線連結功能後，電池續航能力馬上打對折，變成僅有不到一天的電池續航能力，但實際的使用狀態下無線連結功能並不是非要不可的功能，反而可以善用感測子系統在極低用電量的條件下持續進行運動、生理數據監控紀錄，需要呈現數據或無線連結時，再利用熱鍵或是指令喚醒智能手環的核心應用系統，達到裝置功耗更大的優化效果。
