利用計算裝置對來自多個傳感器的數據進行分類、組合并得出結論的想法可以上溯到二十世紀五十年代，但實現起來難度很大。1960年左右，數學家開發了一套算法，試圖借助機器根據多個傳感器的輸入得出某個結論，并通過篩選將噪聲或其它來源引入的無效數據濾除。不久之后，軍方決定采用這項技術，通過對多來源輸入進行處理并與存儲的數據進行比較，軍方得以更好地跟蹤和識別潛在的空中目標，甚至計算出確切位置。隨著更先進的計算機和傳感器的出現，該技術也在不斷進步，但仍然存在一些過于復雜的問題，需要付出很高的代價。

 

潛在應用

 

微處理器在剛剛問世時曾被稱為一種解決方案，傳感器融合也可以這樣考慮。如果你可以通過某種方式監控多個傳感器，實時分析數據，并能發出簡單的指示命令或控制某個動作，那么傳感器融合可以實現的應用將遠遠超出你的想想！下面只列出了一些簡單的示例：

 

● 健康監測—包括健身運動、病人監護以及研究

● 老人健康監測—健康監控，以減少人員負擔

● 汽車、交通運輸系統—監測和控制運輸效率及安全性

● 公共安全—相較于簡單的消防和安全系統能更加準確地識別潛在的危險情況

● 娛樂—游戲，包括控制器和虛擬現實頭戴式耳機

● 天氣—智能天氣預報站，不僅能夠預測天氣條件變化，還可以控制系統以便為風暴來臨做好準備（如關閉風暴百葉窗，關閉閥門等）

● 暖通空調/空氣質量監測—對室內溫度、濕度、空氣質量、系統維護等進行智能控制

 

盡管上述功能均已存在多年，但系統通過檢測多個傳感器并得出智能結論、甚至采取行動的能力，卻是革命性的創新。

 

如同其它電子領域一樣，一些IC廠商也已經著手研究技術融合這一繁重任務。目前，可以通過現成的傳感器融合和傳感器中樞芯片或者其他途徑，有效地連接各種數字傳感器，而且無需自己去開發算法。

 

這些IC廠商所采用的方法可能會有所不同，有些會修改現有的產品線，有些會為解決傳感器融合問題開發新的產品，但最終都要通過專門的控制芯片實現，比如MCU、傳感器中樞或傳感器融合處理器。現在，這項技術已經成功地應用在了智能手機、運動監測器以及其它消費性產品上。

 

蘋果、三星等新一代智能手機甚至不需要外部連接，便能結合多個強大的傳感器，包括三軸磁力計、三軸加速度計和三軸陀螺儀。這種結合通常被稱為9-DoF，即九自由度。

 

多數情況下，手機中的這些功能要“始終開啟”。如果這些傳感數據全部由手機中央微控制器來處理，將會大大縮短電池壽命。相反，使用高效的專用微控制器芯片作為傳感器中樞來處理數據，便能大幅降低功耗。NXP的ARM M3系列MCU就是一個示例。EETimes報道稱芯片分析公司Chipworks的調查結果顯示，蘋果的M7處理器采用了NXP的定制版M3芯片，來監控iPhone5S中的各個傳感器，包括陀螺儀、加速計和羅盤。而三星手機采用的是Atmel的8位AVR MCU。

 

通過強大的板級傳感技術，應用程序可以利用手機中的9-DoF功能來監測健康和運動情況，或者結合GPS和外部數據來為用戶提供更多信息。現在，還可以通過藍牙通信為那些多功能傳感器添加外部數據，并且幾乎不受限。芯片制造商的目標是讓工程師可以設計出能夠提供實時傳感數據的系統，這類系統不僅可以提供所需的上下文相關信息，而且功耗低，電池壽命也長。除了智能手機，高度優化的解決方案也能夠滿足平板電腦、超級本、物聯網設備、游戲機、醫療保健、環境監測和穿戴式電腦等各類應用需求。

 

現在市面上已經推出了可以幫助工程師輕松體驗這項傳感技術的開發板，比如Atmel公司的ATAVRSBIN2。Atmel將融合傳感器集成在了很多產品中，并稱之為“完整傳感器生態系統”。Atmel意識到同時分析和融合多種傳感器數據并非一項獨立的任務。為了解決這一復雜的問題，該公司與多家知名傳感器制造商和傳感器融合專家合作，希望能提供一個完整的、易于實現的傳感器中樞。

 

目前的趨勢是將三個或更多的MEMS傳感器與MCU封裝在一起，比如STMicroelectronics的LIS331EB，它在3×3×1mm的封裝中集成了一個高精度三軸數字加速度計與一個微控制器。此微控制器采用超低功耗ARM Cortex-M0，并具有64K字節的閃存、128K字節RAM、嵌入式定時器、2個I²C（主/從）和一個SPI（主/從）。LIS331EB也可以處理外部傳感器數據，包括陀螺儀、磁力計和壓力傳感器等共九個外部傳感器。STMicroelectronics的iNEMO引擎傳感器融合軟件套件采用了一套自適應預測和濾波算法來處理（或融合）多個傳感器的復雜信息。LIS331EB則用作傳感器中樞，通過iNEMO引擎軟件將所有輸入融合在一起。

 

Freescale也推出了一個將微控制器和傳感器封裝在一起的產品系列。他們的FXLC95000 Xtrinsic運動傳感平臺集成了一個MEMS加速度計和一個32位ColdFire微控制器。類似于上述STMicroelectronics器件，FXLC95000可以同時管理內部和外部傳感器數據。Freescale是第一家提供集成傳感中樞微控制器的公司，這類微控制器還可根據具體應用程序和算法進行設置。此系列器件可管理多達16個傳感器輸入，能夠將校準、補償和傳感功能從應用處理器中分離出來，但需要搭配使用Freescale自帶或第三方的驅動程序。

 

 

帶加速度計的Freescale Xtrinsic FXLC9500 32位MCU傳感器融合中樞，提供了一個可擴展的自主、高精度多傳感器中樞解決方案，能夠在開放式架構下提供本地計算和傳感器管理功能

 

Bosch、Fairchild、Honeywell、Microchip以及TI等廠商也在此領域頗有建樹。

來源：貿澤電子設計圈，作者： Morrie Goldman

 

 

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