智慧電子產業與微控制器的整合及融合技術

國家實驗研究院國家晶片系統設計中心組長黃俊銘

智慧電子國家型計畫(NPIE)正以生醫、綠能與結合資通訊？車用電子的4C電子為範疇，集合跨部會與產學界通力合作，發揮IC設計與下游接軌應用，延續台灣半導體製造與垂直分工優勢，進而掌握智慧裝置的規格與創造高附加價值。

結合產官學研關聯架構 深化IC設計、製造與應用

國家實驗研究院國家晶片系統設計中心組長黃俊銘，引用來自Intel/ST數據，2009年全球有83億顆微處理器被製造出來，僅不到2%(1.5億顆)用於PC，其餘98%都用在嵌入式系統。2009年11月國科會委員同意成立NPIE智慧電子國家型計畫，配合政府發展生醫(M)、綠能(G)、車用電子(C)、資通訊與消費電子(3C)的MG＋4C，使IC設計能夠被廣泛應用，跟下游產業接軌，創造產業躍升的電子整合與應用，提昇未來4C產業的競爭力，估計到2015年可創造逾新台幣2.04兆元產值。而智慧電子系統正是NPIE其中的重點項目。

他進一步指出NPIE的產官學研關聯架構，涵蓋經濟部技術處、旗下的工研院與資策會金屬中心，經濟部工業局，國科會科管局、工程處旗下的國家晶片設計中心、教育部顧問室，產業界與衛生署國衛院的通力合作，從人才培育、前瞻研究、產業技術到橋接計畫。

智慧電子國家型計畫推動的方向，在醫療電子部份：推動醫療資訊系統整合化、電子病歷、遠距照顧、即時性的資訊支援、醫療服務、優質醫療照顧需求，以新興需求催生新興商機；綠能電子分產業優化與新興領域兩大方向，前者從雲端運算到綠能資料中心之間的伺服設備與終端應用，後者從綠色能源、系統整合，到下游設備、終端裝置的能源轉換與智慧控制。4C電子能延續台灣半導體製造與垂直分工優勢，掌握系統規格制定並創造高附加價值。

智能國家型計畫中醫療電子中FY100計畫架構，醫療電子關鍵技術開發計畫，將追求高階醫材像是光學同調斷層掃描(OCT)、超音波(US)等平價化技術，與醫療電子共通平台技術。他指出傳統生物醫學使用的類比運算線路，仍以全數位的方式在FPGA晶片進行處理，而開發醫療電子共通平台的關鍵零組件，包含前端感測探頭與演算法核心晶片，佔整體成本70%以上。而演算法核心晶片若能以低成本的MCU取代，可以大幅提昇醫療電子器材的連網處理能力與運算能力。

智能電子裝置的市場趨勢與應用啟示

黃俊銘提到在MG+4C電子的市場主流之外，還有些什麼應用上的啟示。他舉出像腦電波圖控制(Electroencephalography；EEG)，一般你我的想像，都是套上一個佈滿幾十個甚至上百個量測電極與排線的腦電波頭套，連接到身旁的儀器，在使用上非常不方便；美國Neurosky(神念科技)開發出Mindave EEG腦電波偵測？控制裝置，有一個前額、耳垂偵測器與頭頂偵測器，整個腦電波裝置外觀就跟一般耳載式耳機相當；藉由無線通訊與腦波訓練軟體的協助下，可以連接PC或Android平板電腦平台，取代滑鼠做簡易的控制游標上下移動、點選的動作。這樣的腦波控制裝置僅賣99.95美元而已。

當前感測融合技術大致分為多重感測器融合(Multi-Sensor Fusion)、慣性導航(Inertial Navigation)、生物感測器融合(Bio and Motion Sensor Fusion)。多重感測器融合是結合不同感測器技術來相互支援、搭配，達到更精準、更持續的應用。像現在GPS導航裝置，同時具備GPS訊號接收器與IMS慣性導航感測器，當車輛進入到無法接收GPS訊號的隧道、地下道等區域，IMS慣性感測器會藉由計算車輛的運動量，求取比較接近的車輛位置，屬於異質感測融合(Heterogeneous Sensor Fusion)的應用範例。另一種具備兩個影像感測器組成的3D立體影像感測模組，則屬於同質感測融合(Homogeneous Sensor Fusion)的應用。

另外在Windows 8的感測器融合應用上，從系統處理的API方塊圖中，已經考慮像是亮度計(Ambient light)、氣壓計(Barometer)、溫度計(Thermometer)、加速計(Accelerometer)、陀螺儀(Gyro)、羅盤？磁力儀(Compass)、水平儀(Inclinometer)與方位儀(Orientation)等感測融合應用。

慣性導航感測技術的應用與融合

在1994年全球衛星定位系統(GPS)未部署之前，慣性導航技術一直是航空、太空與軍事唯一的導航技術。它結合三軸向的加速器與三軸向的陀螺儀，量測到某個已知絕對位置的物體移動量與方向，即便目前也廣於應用在飛機、潛艇、飛彈導航，甚至阿波羅登月太空船與最近登陸火星成功的好奇號探勘車等星際導航等應用。藉由近年來微機電(MEMS)感測器技術的進步，已經可以生產出體積小巧、可攜帶在身上甚至手腕上的慣性感測裝置，藉由偵測人類肢體、手勢移動等動作來進行體感操作。

黃俊銘指出，GPS感測器量測到的訊號，即便物體絕對位置不變，都會有因為周遭溫度、地磁干擾下所造成的讀取訊號值漂移(dirft)的現象；好的三軸感測器元件跟平價三軸感測器價差可能達幾十倍，過去感測器太過昂貴但讀取訊號比較精準，可以不必重視後面計算；而現今微機電技術的平價感測器出現，大大的降低了GPS、慣性導航應用的成本，但為了提升精準度，則需要借助後面強大的MCU運算，來針對訊號漂移的誤差做平抑、消除的修正動作。

MCU與感測器藉由封裝技術的異質性融合

感測器融合技術實際應用，像平板電腦、智慧型手機的握持狀態改變？偵測，掃地機器人、遙控直昇機、車用電子、遊戲機體感裝置，Baborlat公司開發的網球拍，握柄內置入慣性導向感測儀，藉由無線連網與後端軟體的計算，可以記錄網球擊拍的位置、力道來做分析。過去當人體移動或運動時，會造成血氧濃度的劇烈變化使得血氧儀器誤判，若把重力感測器(G-Sensor)整合進來，可以捕捉人類肢體或全身移動狀態，進而濾除掉訊號誤判情況。

當前業界已經紛紛進行MCU整合DSP、MCU整合ASIC(純硬體)的舉動，但未來也許有MCU整合可程式化邏輯陣列(Field Programmable Gate Array；FPGA)的概念性產品，可以融合FPGA彈性配置、更新功能應用的優勢。未來系統級封裝(System-in-Package；SIP)則可將類比前端(Analog Frontend)、記憶體(Memory、Flash、OTP)、RF射頻元件、功率晶片、MEMS感測器，與生物感測器都整合在同一個MCU晶片外觀。