構(gòu)建節(jié)能的環(huán)境感知移動(dòng)系統(tǒng)

　　縱觀最新一代智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，兩個(gè)因素正引領(lǐng)著當(dāng)今的創(chuàng)新趨勢(shì)。其一是低成本傳感器的大量涌現(xiàn)。MEMS制造商們?nèi)〉玫木薮筮M(jìn)步正幫助市場(chǎng)降低傳感器的成本和尺寸。其二是智能手機(jī)設(shè)計(jì)師們?cè)陂_發(fā)的新的“環(huán)境感知”子系統(tǒng)，使得移動(dòng)設(shè)備能夠在沒有用戶干預(yù)的情況下進(jìn)行預(yù)先并且有利于任務(wù)的決策?？梢哉f這場(chǎng)革新始于領(lǐng)先的手機(jī)制造商開始使用嵌入式接近傳感器來延長(zhǎng)電池壽命，以及使用加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)來支持基于定位的服務(wù)。而現(xiàn)在基于傳感器的環(huán)境感知子系統(tǒng)的功能相比之前已經(jīng)大大提升，在許多領(lǐng)域都能模擬人類對(duì)所處的環(huán)境進(jìn)行分析。

　　舉一些例子，高清圖像傳感器和環(huán)境光傳感器在環(huán)境發(fā)生改變時(shí)能夠提升圖像清晰度并改善顯示屏的顯示效果。化學(xué)分析器能夠模擬人類的嗅覺。壓力、溫度、化學(xué)和紅外傳感器能夠監(jiān)測(cè)智能手機(jī)使用者的健康狀況以及評(píng)估健康風(fēng)險(xiǎn)。更多基于傳感器的“環(huán)境感知”應(yīng)用正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。在不遠(yuǎn)的將來，當(dāng)智能手機(jī)擁有心臟監(jiān)測(cè)儀和汗水偵測(cè)器來跟蹤用戶的健康狀況、興奮程度和情緒時(shí)，千萬不要感到驚訝。

　　快速且低功耗

　　為了充分利用所有傳感器數(shù)據(jù)并且優(yōu)化決策過程，如今的移動(dòng)系統(tǒng)必須以最快的速度整合并分析多種數(shù)據(jù)流。傳感器收集數(shù)據(jù)并處理為可用信息的速度越快，系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)環(huán)境狀況做出的反應(yīng)就更精確。不過，由于基于傳感器的“環(huán)境感知”子系統(tǒng)永遠(yuǎn)在線，他們對(duì)系統(tǒng)功耗的要求十分驚人。由此可見，從系統(tǒng)功耗上來看，必須最高效地處理這些任務(wù)。

　　有三種設(shè)計(jì)架構(gòu)可供移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇來解決這個(gè)問題。首先，他們可以使用系統(tǒng)核心應(yīng)用處理器來管理傳感器數(shù)據(jù)?；蛘?，他們可以使用獨(dú)立的微控制器(MCU)進(jìn)行管理，從而分擔(dān)處理器的任務(wù)。再者，他們也可以采用一個(gè)超低密度(ULD)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)構(gòu)建一個(gè)集成的傳感器中心，以同樣的方式協(xié)助應(yīng)用處理器。

　　每種方案都有其優(yōu)勢(shì)與不足。設(shè)計(jì)工程師們將每個(gè)傳感器直接連接至應(yīng)用處理器，使用經(jīng)過驗(yàn)證的架構(gòu)最好地利用現(xiàn)有系統(tǒng)的資源。但是由于傳感器的數(shù)量持續(xù)增加，設(shè)計(jì)工程師們不可避免地會(huì)遇到GPIO資源的瓶頸。長(zhǎng)期受此約束，設(shè)計(jì)工程師們將無法實(shí)現(xiàn)許多重要的新功能。同時(shí)所有MCU都存在接口限制影響到設(shè)計(jì)靈活性的問題。每一個(gè)傳感器都會(huì)帶來特定的接口要求。有些指定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，有些又需要專屬的解決方案。只使用單個(gè)應(yīng)用處理器或者M(jìn)CU來滿足今后所有的傳感器接口需求將大大增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，甚至延長(zhǎng)產(chǎn)品開發(fā)周期。

　　而最嚴(yán)重的問題是，基于典型的中斷驅(qū)動(dòng)應(yīng)用處理器上的多傳感器架構(gòu)帶來了更高的功耗需求，特別是考慮到現(xiàn)在的環(huán)境感知傳感器子系統(tǒng)的永遠(yuǎn)在線要求。越來越多的傳感器連續(xù)采集時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)迫使應(yīng)用處理器運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，在已經(jīng)十分緊張的移動(dòng)系統(tǒng)功耗預(yù)算上提出了更多的要求。

　　在許多新興的永遠(yuǎn)在線、環(huán)境感知應(yīng)用中，采用為移動(dòng)應(yīng)用特別優(yōu)化的超低密度(ULD)FPGA無疑是更好的選擇。不同于傳統(tǒng)的大尺寸并且昂貴的FPGA，這種新的低門數(shù)器件采用高度緊湊的CSP封裝。該類器件提供了支持傳感器管理和預(yù)處理功能所需的邏輯資源，并可大批量生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益。

　　對(duì)于這些必須永遠(yuǎn)在線的環(huán)境感知應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)方案特別受到系統(tǒng)工程師的青睞，因?yàn)樵摲桨缚梢詼p少功耗相對(duì)較大的中斷驅(qū)動(dòng)應(yīng)用處理器的運(yùn)行時(shí)間。設(shè)計(jì)工程師可以使用ULD FPGA以遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)應(yīng)用處理器和MCU的時(shí)鐘速率，同時(shí)實(shí)時(shí)地收集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。這些IC的功耗小于1 mW，相比傳統(tǒng)方案功耗大大降低，并且以零延遲收集每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，針對(duì)不斷變化的環(huán)境狀況提供更精確的系統(tǒng)響應(yīng)。并且該方案可進(jìn)一步延長(zhǎng)應(yīng)用處理器處于休眠模式的時(shí)間，如果有需要的話，支持周期性地喚醒并在低功耗狀態(tài)下工作。這個(gè)方案將講求時(shí)效的傳感器功能交給ULD FPGA，改善了整體功耗以及傳感器系統(tǒng)精度。

　　此外，由于移動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，基于ULD FPGA的解決方案在設(shè)計(jì)尺寸方面的優(yōu)勢(shì)正變得越來越有吸引力。分立的解決方案結(jié)合了2 mm x 2 mm大小的IR遠(yuǎn)程控制IC和1個(gè)2.5 mm x 2.5 mm大小的RGB LED驅(qū)動(dòng)器。該解決方案總共需要10.25 mm2的面積。設(shè)計(jì)工程師們也可以使用一塊超低密度的iCE40LP FPGA來實(shí)現(xiàn)相同功能的子系統(tǒng)，只需1.40 mm x 1.48 mm(大約2 mm2)的面積?？删幊痰慕鉀Q方案通過結(jié)合IR遠(yuǎn)程控制模塊、條碼仿真器、LED驅(qū)動(dòng)和自定義算法提供了更多的功能，減少了大約80%的電路板面積。

　　處理器與ULD FPGA功耗比較：計(jì)步器測(cè)試案例

　　為了測(cè)量和量化功耗差異，最近萊迪思公司的工程師使用iCE40LM 4K ULD FPGA搭建了一個(gè)計(jì)步器傳感器管理演示系統(tǒng)。該演示系統(tǒng)包含帶有一塊智能手機(jī)顯示屏的高通(Qualcomm)驍龍(Snapdragon)評(píng)估板和SDK。為了呈現(xiàn)一個(gè)多傳感器、電池供電的移動(dòng)應(yīng)用，演示系統(tǒng)加入了由萊迪思半導(dǎo)體開發(fā)的傳感器子卡。

　　圖2展示了緊湊、高度集成的子卡。電路板上靠近中心位置的是采用小尺寸25WLCSP封裝的iCE40LM 4K ULD FPGA。該FPGA擁有4K邏輯門數(shù)、多個(gè)嵌入式IP硬核，包括2個(gè)SPI主/從，2個(gè)I2C主/從、1個(gè)PLL、1個(gè)kHz工作頻率的低功耗選通信號(hào)發(fā)生器以及1個(gè)MHz工作頻率的高頻選通信號(hào)發(fā)生器。該FPGA同時(shí)帶有RGB/LED驅(qū)動(dòng)器。正如圖片所展示的緊湊型子卡，它擁有許多傳感器，包括濕度、溫度、霍爾傳感器(Hall Effect)、環(huán)境光和接近傳感器，以及氣壓計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀、指南針、IR接收器和發(fā)送器。

　　需要注意的一點(diǎn)是，環(huán)境感知傳感器應(yīng)用必須保持永遠(yuǎn)在線的狀態(tài)。

　　從計(jì)步器應(yīng)用演示可以知道，基于ULD FPGA的傳感器管理子系統(tǒng)能夠顯著地節(jié)約功耗。在計(jì)步器演示中iCE40LM的最大功耗為0.737 mA ×1.2V，即0.88 mW。我們可以很明顯地看到處理相同的任務(wù)時(shí)，iCE40LM大約只消耗了應(yīng)用處理器功耗(160 mW)的1/180?？紤]到環(huán)境感知傳感器應(yīng)用永遠(yuǎn)在線的特性，采用基于ULD FPGA的傳感器管理系統(tǒng)的功耗小于1 mW，特別是實(shí)現(xiàn)多傳感器的應(yīng)用時(shí)可明顯提升移動(dòng)系統(tǒng)電池壽命。

　　此外，基于iCE40LM的傳感器管理系統(tǒng)占用不到1.7 mm x 1.7 mm的面積，節(jié)約的電路板面積相比其他設(shè)計(jì)方案對(duì)于設(shè)計(jì)師的吸引力是巨大的。其次，不像中斷驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用處理器或微處理器，其零延遲實(shí)時(shí)收集傳感器數(shù)據(jù)的能力增強(qiáng)了數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。最后，設(shè)計(jì)工程師通過可編程解決方案可重新配置I/O和協(xié)議，同時(shí)優(yōu)化每個(gè)傳感器FIFO、寄存器和仲裁器的大小、配置和性能，獲得其他設(shè)計(jì)方案無法提供的設(shè)計(jì)靈活性。

　　總結(jié)

　　在移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中集成各種傳感器無疑只是剛剛開始。各類低成本、小尺寸的傳感器將把令人興奮的環(huán)境感知應(yīng)用加入移動(dòng)系統(tǒng)中，適用于醫(yī)療、工業(yè)、科研和商業(yè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域。

　　移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師想要實(shí)現(xiàn)這些新功能，首先面臨挑戰(zhàn)就是如何才能最高效地處理傳感器收集到的數(shù)據(jù)。憑借低功耗的架構(gòu)以及創(chuàng)新的封裝技術(shù)，萊迪思公司的ULD FPGA產(chǎn)品為移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了更高性價(jià)比的方式，通過最小化系統(tǒng)功耗和面積為下一代移動(dòng)系統(tǒng)注入新的環(huán)境感知功能。