Sensorfusion zum Laufen bringen: Mehrkanal-ADCs, MCUs und mehr

Anwendungen wie virtuelle und erweiterte Realität erfordern eine Reihe von Sensoren, und die Daten dieser Sensoren werden mit Sensorfusion verknüpft.

Komplexe Systeme machen reichlich Gebrauch von Daten, besonders mit den heutigen Fähigkeiten in eingebetteter und Cloud-Computing. Was ist, wenn Ihr neues Produkt Eingaben von einer großen Anzahl von Sensoren benötigt, um die beabsichtigte Funktionalität zu bieten? Dies ist die zentrale Idee bei der Sensorfusion. Dieses Konzept wird normalerweise im Zusammenhang mit der Automobil-Elektronik diskutiert, da moderne Autos Daten von mehreren Sensoren integrieren, aber auch andere Produkte können dieselben Konzepte nutzen, um eine Reihe gewünschter Funktionen zu bieten. Wenn Ihr nächstes System Sensorfusion verwenden wird, um Daten aus mehreren Quellen zu integrieren, sind hier einige Komponenten, die Sie benötigen, um ein funktionierendes System zu erstellen.

Was ist Sensorfusion?

Sensorfusion ist, wie der Name schon sagt: Daten von einer großen Anzahl von Sensoren werden gesammelt und einem Prozessor zugeführt, der dann für eine Reihe von Anwendungen verwendet wird. Einige Endanwendungen, die Sensorfusion erfordern, umfassen autonome Fahrzeuge, Robotik, Steuerungssysteme, industrielle Automatisierung, KI, erweiterte Realität und vieles mehr. Sogar Produkte wie fortschrittliche medizinische Monitore, intelligente Haushaltsgeräte und Smart-Home-Systeme werden zunehmend Sensorfusion nutzen.

Was macht Sensorfusion also anders als, sagen wir, alles andere, das das Lesen und Verarbeiten von Sensordaten beinhaltet? Es ist eine Frage des Maßstabs und wie die Daten verwendet werden. Ein typisches Datenerfassungssystem verwendet möglicherweise nur eine kleine Anzahl von Sensoren für verschiedene Aufgaben, und verschiedene Sensoreingaben werden möglicherweise nicht immer zusammen verwendet, um halbautonome Entscheidungen zu treffen. Sensorfusion ist sowohl eine Idee der eingebetteten Programmierung als auch eine Hardware-Idee, da die eingebettete Software viel mehr Daten verarbeitet und verwendet, um komplexere Entscheidungen zu treffen.

Wenn sich das wie maschinelles Lernen oder KI anhört, ist es nicht weit von der Wahrheit entfernt. KI/ML-Modelle können konstruiert werden, um unterschiedliche Datenstrukturen sowie Daten aus einer Reihe von Quellen für eine einzige Inferenzaufgabe zu berücksichtigen. Sie sind im Grunde genommen datentyp- und datenstrukturagnostisch, ebenso wie andere Systeme mit mehreren Datenströmen, die keine ML-Modelle für die Entscheidungsfindung verwenden.

Dieses Blockdiagramm zeigt die hochrangige Anwendung, die in der Sensorfusion involviert ist. Beachten Sie, dass die ADC-Stufe in den eingebetteten Prozessor integriert sein könnte. Wenn Sie möchten, könnte die Verarbeitung sogar auf einem externen Gerät oder in der Cloud stattfinden.

Die Hauptfrage für einen Designer wird: Wie kann ich mehrere Datenströme von Sensoren „fusionieren“ und verarbeiten? Dies ist ebenso sehr eine Frage der Softwaretechnik wie eine Frage des Hardware-Designs. Wir werden die algorithmische Seite hier nicht ansprechen, da dies immer noch ein Bereich aktiver Entwicklung unter Informatikern und Software-Ingenieuren ist. Auf der Hardware-Seite gibt es eine breite Palette von Komponenten, die benötigt werden, um die Datenerfassung und -verarbeitung als Teil der Sensorfusion zu ermöglichen.

Komponenten für Sensorfusionssysteme

Die genaue Auswahl an Komponenten, die Sie für die Sensorfusion benötigen, hängt teilweise vom Anwendungsbereich ab:

• Kleine Geräte wie Wearables benötigen möglicherweise kleinere Komponenten, um die Gehäusegröße klein zu halten. Betrachten Sie integrierte Komponenten oder kleinere SMD-Komponenten.

• Hochspezifische Systeme wie autonome Fahrzeuge haben lockerere Formfaktorbeschränkungen. Chiphersteller könnten beginnen, spezielle Komponenten zur Unterstützung der Sensorfusion in neueren Automobilen herauszugeben.

• Andere Systeme mit unspezifischen oder modularen Formfaktoren geben Designern die Freiheit, Komponenten auszuwählen, und SoCs sind möglicherweise nicht für die Verwendung in diesen Systemen entwickelt worden.

Sensorfusion beginnt immer mit der Erfassung analoger Daten, bevor sie in einen eingebetteten Prozessor eingespeist werden.

Mehrkanal-ADCs

Der Weg über einen Mehrkanal-ADC für die Sensorfusion bietet eine bequeme Möglichkeit, mehrere Signaleingänge in einem einzigen Paket zusammenzufassen. Mehrkanal-ADCs, die in der Sensorfusion verwendet werden, müssen nicht unbedingt eine extrem hohe Abtastrate haben; Delta-Sigma-ADCs mit ~Megasamples pro Sekunde bieten genaue Signalerfassung bis in den Ultraschallbereich, der eine breite Palette von analogen Sensoren umfasst.

Der Mehrkanal-ADC LMP92018 von Texas Instruments umfasst 8 gleichzeitige Eingänge mit serieller Ausgabe. Er beinhaltet auch 4-Kanal-DACs zur Schnittstelle mit anderen analogen Komponenten. [Quelle: LMP92018 Datenblatt]

Beachten Sie, dass ADCs seriell oder parallel ausgeben können und sie können auch andere Funktionen wie programmierbare Verstärkung oder Eingangsfilterung beinhalten. Der oben gezeigte Texas Instruments LMP92018 ist ein Beispiel für einen Mehrkanal-ADC, der auch 4 DACs mit GPIO- und SPI-Schnittstellen umfasst. Diese Art von Komponente ist ideal für die Sensorfusion, da sie eine hohe Abtastrate und eine optionale Verbindung für eine externe Referenzspannung bietet.

Anwendungsspezifische Verarbeitung

Nachdem Sensordaten mit ADCs gesammelt wurden, können einige Ihrer Eingaben eine anschließende anwendungsspezifische Verarbeitung erfordern, entweder in einem kleinen MCU oder mit einem ASIC. Als Beispiel können DSP-Komponenten verwendet werden, um einige Signalverarbeitungsaufgaben durchzuführen, die in spezifischen Anwendungsbereichen erforderlich sein könnten (Computer Vision aus Videodaten ist ein Hauptbeispiel). Wenn ein ASIC die benötigten DSP-Schritte nicht bietet, können Sie diese mit einem Allzweckprozessor implementieren.

Allzweckverarbeitung

Hier wird Ihre Anwendung implementiert und ausgeführt. Etwas so Einfaches wie ein kleiner MCU oder FPGA könnte verwendet werden, um Eingaben von einem seriellen oder parallelen Mehrkanal-ADC oder von DSP-ICs zu empfangen. Die Fusion aus einer größeren Anzahl von Sensoren parallel erfordert eine größere Verarbeitungsgeschwindigkeit, On-Board-Speicher, Bit-Tiefe und I/Os, um mit Ihren anderen Komponenten zu interagieren.

Wenn es einen SoC gibt, der mehrere Verarbeitungs- und Kommunikationsfunktionen in einem einzigen Paket integriert, gibt es keinen Schaden darin, diese Komponente als Prozessor für die Sensorfusion zu verwenden. Nicht alle diese spezialisierten Komponenten beinhalten mehrere ADC-Kanäle für die Sensorfusion, und diejenigen, die dies tun, können andere Funktionen enthalten, die für Ihre Anwendung unnötig sind, was den Preis der Komponente erhöht.

Der STM32F373 MCU von STMicroelectronics ist eine Standardplattform, die allgemeine Verarbeitungsleistung für die Sensorfusion bereitstellt.

Für extreme Rechenlasten, wie bei eingebetteter KI, müssen Sie den GPU-Weg für die Verarbeitungsleistung gehen, bis die Chiphersteller stromsparende ASICs für die Implementierung von KI-Modellen entwickeln. NVIDIA beherrscht diesen Bereich dank der Jetson-Plattform wohl unangefochten, aber diese Systeme sind in Bezug auf die Sensorfusion noch begrenzt. Dies kann einen Mehrkanal-ADC und das Hauptboard erfordern, abhängig von der Anzahl der Sensoren, mit denen Sie arbeiten.

Die benötigten Komponenten für die Sensorfusion finden

Bisher haben wir uns eine Reihe verschiedener Komponenten für die Sensorfusion angesehen. Diese Komponenten sind leicht verfügbar und können verwendet werden, um Konzeptnachweise, Evaluationsmodule für Spezialkomponenten, Mess- und Erfassungsgeräte und vieles mehr zu entwickeln. Für spezialisiertere Produkte, wie KI-fähige IoT-Produkte, entwickeln Chiphersteller eine Reihe von spezialisierten SoCs, die viele oder alle hier gesehenen Komponenten in einem einzigen Chip integrieren. Diese fortschrittlicheren Komponenten für Sensorfusionsaufgaben sind noch in der Entwicklung und bieten möglicherweise nicht die Kanalanzahl, Abtastrate oder Verstärkung, die Sie für Ihr System benötigen.

Unabhängig davon, welche Komponenten Sie für die Sensorfusion benötigen, können Sie die Teile, die Sie benötigen, mit der richtigen Elektronik-Suchmaschine finden. Wenn Sie Verstärker, Mehrkanal-ADCs und andere Komponenten für Ihr nächstes System benötigen, bietet Octopart eine komplette Lösung für die Auswahl von Komponenten und das Lieferkettenmanagement. Die fortgeschrittenen Filterfunktionen helfen Ihnen, genau die Komponenten auszuwählen, die Sie benötigen. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um mit Ihrer Suche nach den benötigten Komponenten zu beginnen.

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