使传感器融合工作：多通道ADCs、MCUs及更多

像虚拟现实和增强现实这样的应用需要一系列传感器，这些传感器的数据通过传感器融合技术链接在一起。

复杂系统大量使用数据，尤其是在今天的嵌入式和云计算能力下。如果你的新产品需要使用大量传感器的输入数据来提供预期的功能怎么办？这就是传感器融合的核心理念。这个概念通常在讨论汽车电子时被提及，因为现代汽车整合了多个传感器的数据，但其他产品也可以使用相同的概念来提供一系列所需的功能。如果你的下一个系统将使用传感器融合来整合多个来源的数据，这里有一些你需要创建一个工作系统的组件。

什么是传感器融合？

正如其名称所暗示的，传感器融合是收集并将大量传感器的数据输入到处理器中，然后用于一系列应用的过程。一些需要传感器融合的终端应用包括自动驾驶车辆、机器人、控制系统、工业自动化、人工智能、增强现实等等。即使是高级医疗监测器、智能家电和智能家居系统等产品也将越来越多地使用传感器融合。

那么，传感器融合与读取和处理传感器数据的其他事情有何不同呢？这完全是一个规模问题以及数据如何被使用的问题。你的典型数据采集系统可能只使用少量传感器来执行不同的任务，而且不同的传感器输入可能不总是一起使用来做出半自主决策。传感器融合既是一个嵌入式编程概念，也是一个硬件概念，即嵌入式软件处理更多的数据并使用它来做出更复杂的决策。

如果这听起来有点像机器学习或人工智能，那么这并不离谱。AI/ML模型可以构建以适应不同的数据结构以及来自单一推断任务的一系列来源的数据。它们基本上是数据类型和数据结构不可知的，就像其他具有多个数据流且不使用ML模型进行决策的系统一样。

此框图显示了传感器融合中涉及的高级应用。注意，ADC阶段可能集成到嵌入式处理器中。如果你愿意，处理甚至可以在外部设备或云上进行。

对于设计师来说，主要问题变成了：我如何“融合”并处理来自传感器的多个数据流？这既是一个软件工程问题，也是一个硬件设计问题。我们在这里不讨论算法方面，因为这仍然是计算机科学家和软件工程师之间积极发展的领域。在硬件方面，有一系列广泛的组件需要用于启用数据收集和处理作为传感器融合的一部分。

传感器融合系统的组件

您需要的传感器融合组件的确切集合部分取决于应用领域：

• 像可穿戴设备这样的小型设备可能需要更小的组件以保持外壳尺寸小。考虑集成组件或较小的SMD组件。

• 像自动驾驶汽车这样的高度特定系统对形状因素的限制较少。芯片制造商可能会开始发布专门的组件以帮助在新型汽车中进行传感器融合。

• 具有非特定或模块化形状因素的其他系统给设计师选择组件的自由，并且SoC可能不会为这些系统中的使用而开发。

传感器融合始于采集模拟数据，然后将其输入到嵌入式处理器中。

多通道ADC

选择多通道ADC进行传感器融合是将多个信号输入整合到单一封装中的便捷方式。用于传感器融合的多通道ADC通常不需要非常高的采样率；具有~兆样本每秒速率的delta-sigma ADC将提供准确的信号采集到超声波范围，这包括了广泛的模拟传感器。

德州仪器的LMP92018多通道ADC包括8个同时输入与串行输出。它还包括用于与其他模拟组件接口的4通道DAC。[来源：LMP92018数据手册]

请注意，ADC可以以串行或并行输出，并且它们可以包括其他功能，如可编程增益或输入过滤。上面显示的德州仪器LMP92018就是一个也包括4个DAC、GPIO和SPI接口的多通道ADC的例子。这种类型的组件非常适合传感器融合，因为它提供高采样率和可选的外部参考电压连接。

特定应用处理

使用ADC收集传感器数据后，您的一些输入可能需要随后的特定应用处理，无论是在小型MCU中还是使用ASIC。例如，DSP组件可用于执行某些特定应用领域（视频数据的计算机视觉是一个典型例子）可能需要的信号调理任务。如果ASIC不提供您需要的DSP步骤，您可以使用通用处理器来实现这些步骤。

通用处理

这是您的应用将被实现和执行的地方。接收来自串行或并行多通道ADC的输入，或来自DSP IC的输入，可以使用简单的小型MCU或FPGA。并行从更多传感器融合将需要更高的处理速度、板载内存、位深度和I/O来与您的其他组件接口。

如果有一个SoC将多个处理和通信功能集成到单一封装中，将这个组件作为传感器融合的处理器是没有问题的。并不是所有这些专门的组件都包含用于传感器融合的多个ADC通道，而那些包含的可能还包括您的应用不需要的其他功能，这会增加组件的价格点。

来自STMicroelectronics的STM32F373 MCU是提供传感器融合通用处理能力的标准平台。

对于极端计算工作负载，例如嵌入式AI，您必须采用GPU来提供处理能力，直到芯片制造商开发出用于实现AI模型的低功耗ASIC。NVIDIA凭借Jetson平台在这一领域无疑占据了市场，但这些系统在传感器融合方面仍然有限。这可能需要多通道ADC和主板，这取决于您正在处理的传感器数量。

寻找您需要的传感器融合组件

到目前为止，我们已经看了各种不同的传感器融合组件。这些组件是现成可用的，可以用来开发概念验证、专用组件的评估模块、测量和采集设备等等。对于更专业的产品，如AI启用的IoT产品，芯片制造商正在开发一系列专用SoC，将这里看到的许多或所有组件集成到单一芯片中。这些更高级的传感器融合组件仍在开发中，它们可能无法提供您的系统所需的通道数量、采样率或增益。

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