Haciendo que la Fusión de Sensores Funcione: ADCs Multicanal, MCUs y Más

Aplicaciones como la realidad virtual y aumentada requieren una gama de sensores, y los datos de estos sensores se vinculan juntos mediante la fusión de sensores.

Los sistemas complejos hacen un uso copioso de datos, especialmente con las capacidades de computación embebida y en la nube de hoy en día. ¿Qué pasa si tu nuevo producto necesita utilizar entradas de un gran número de sensores para proporcionar la funcionalidad prevista? Esta es la idea central en la fusión de sensores. Este concepto se discute normalmente en términos de electrónica automotriz ya que los autos modernos integran datos de múltiples sensores, pero otros productos pueden usar los mismos conceptos para proporcionar una gama de funciones deseadas. Si tu próximo sistema va a utilizar la fusión de sensores para integrar datos de múltiples fuentes, aquí hay algunos componentes que necesitarás para crear un sistema funcional.

¿Qué es la Fusión de Sensores?

La fusión de sensores es, como sugiere su nombre: datos de un gran número de sensores se recopilan y se alimentan en un procesador, que luego se utiliza para una gama de aplicaciones. Algunas aplicaciones finales que requieren fusión de sensores incluyen vehículos autónomos, robótica, sistemas de control, automatización industrial, IA, realidad aumentada y mucho más. Incluso productos como monitores médicos avanzados, electrodomésticos inteligentes y sistemas de hogar inteligente harán uso cada vez mayor de la fusión de sensores.

Entonces, ¿qué hace que la fusión de sensores sea diferente de, digamos, cualquier otra cosa que involucre leer y procesar datos de sensores? Todo es una cuestión de escala y cómo se utilizan los datos. Tu sistema típico de adquisición de datos puede solo usar un pequeño número de sensores para diferentes tareas, y las diferentes entradas de sensores no siempre se utilizan juntas para tomar decisiones semi-autónomas. La fusión de sensores es tanto una idea de programación embebida como una idea de hardware en el sentido de que el software embebido procesa muchos más datos y los utiliza para tomar decisiones más complejas.

Si esto suena algo parecido al aprendizaje automático o IA, no está muy lejos de la realidad. Los modelos de IA/ML pueden ser construidos para acomodar diferentes estructuras de datos así como datos de una gama de fuentes para una única tarea de inferencia. Básicamente son agnósticos en cuanto al tipo de datos y la estructura de datos, al igual que otros sistemas con múltiples flujos de datos y que no utilizan modelos de ML para la toma de decisiones.

Este diagrama de bloques muestra la aplicación de alto nivel involucrada en la fusión de sensores. Note que la etapa de ADC puede estar integrada en el procesador embebido. Si lo desea, el procesamiento incluso podría ocurrir en un dispositivo externo o en la nube.

La principal pregunta para un diseñador se convierte en: ¿cómo "fusiono" y proceso múltiples flujos de datos de sensores? Esto es tanto una pregunta de ingeniería de software como es una pregunta de diseño de hardware. No abordaremos el lado algorítmico aquí ya que esta sigue siendo un área de desarrollo activo entre los científicos de la computación e ingenieros de software. En el lado del hardware, hay una amplia gama de componentes que se necesitan para habilitar la recolección y procesamiento de datos como parte de la fusión de sensores.

Componentes para Sistemas de Fusión de Sensores

El conjunto exacto de componentes que necesitas para la fusión de sensores depende en parte del área de aplicación:

• Dispositivos pequeños como los wearables pueden necesitar componentes más pequeños para mantener el tamaño del recinto reducido. Considera componentes integrados o componentes SMD más pequeños.

• Sistemas altamente específicos como los vehículos autónomos tienen restricciones de factor de forma más flexibles. Los fabricantes de chips pueden comenzar a lanzar componentes especializados para ayudar en la fusión de sensores en automóviles más nuevos.

• Otros sistemas con factores de forma no específicos o modulares dan a los diseñadores la libertad de seleccionar componentes, y los SoCs pueden no estar desarrollados para usarse en estos sistemas.

La fusión de sensores comienza con la recolección de datos analógicos antes de alimentarlos a un procesador embebido.

ADCs multicanal

Optar por un ADC multicanal para la fusión de sensores ofrece una manera conveniente de agrupar múltiples entradas de señal en un único paquete. Los ADCs multicanal utilizados en la fusión de sensores generalmente no necesitan tener una tasa de muestreo extremadamente alta; los ADCs delta-sigma con tasas de ~Megasamples por segundo proporcionarán adquisición de señal precisa hasta el rango de ultrasonidos, que abarca una amplia gama de sensores analógicos.

El ADC multicanal LMP92018 de Texas Instruments incluye 8 entradas simultáneas con salida serial. También incluye 4 DACs para la interfaz con otros componentes analógicos. [Fuente: Hoja de datos del LMP92018]

Tenga en cuenta que los ADCs pueden tener salida serial o paralela, e incluir otras características como ganancia programable o filtrado de entrada. El LMP92018 de Texas Instruments mostrado arriba es un ejemplo de un ADC multicanal que también incluye 4 DACs con interfaces GPIO y SPI. Este tipo de componente es ideal para la fusión de sensores ya que proporciona una alta tasa de muestreo y conexión opcional para un voltaje de referencia externo.

Procesamiento específico de la aplicación

Después de recopilar los datos de los sensores con ADCs, algunas de tus entradas pueden requerir un procesamiento específico de la aplicación, ya sea en un pequeño MCU o con un ASIC. Como ejemplo, componentes DSP pueden usarse para realizar algunas tareas de acondicionamiento de señales que pueden ser necesarias en dominios de aplicación específicos (la visión por computadora a partir de datos de video es un ejemplo principal). Si un ASIC no proporciona los pasos DSP que necesitas, puedes implementar estos con un procesador de propósito general.

Procesamiento de propósito general

Aquí es donde se implementará y ejecutará tu aplicación. Algo tan simple como un pequeño MCU o FPGA podría usarse para recibir entradas de un ADC multicanal serial o paralelo, o de ICs DSP. La fusión de un mayor número de sensores en paralelo requerirá mayor velocidad de procesamiento, memoria a bordo, profundidad de bits e I/Os para interfaz con tus otros componentes.

Si hay un SoC que integra múltiples funciones de procesamiento y comunicación en un solo paquete, no hay inconveniente en usar este componente como el procesador para la fusión de sensores. No todos estos componentes especializados incluyen múltiples canales ADC para la fusión de sensores, y aquellos que lo hacen pueden incluir otras características que son innecesarias para tu aplicación, lo que aumenta el punto de precio del componente.

El STM32F373 MCU de STMicroelectronics es una plataforma estándar para proporcionar potencia de procesamiento de propósito general en la fusión de sensores.

Para cargas de trabajo de computación extremas, como en IA embebida, tendrás que optar por la ruta de la GPU para la potencia de procesamiento hasta que los fabricantes de chips desarrollen ASICs de bajo consumo para implementar modelos de IA. NVIDIA, posiblemente, domina el mercado en esta área gracias a la plataforma Jetson, pero estos sistemas aún están limitados en términos de fusión de sensores. Esto puede requerir un ADC multicanal y la placa principal, dependiendo del número de sensores con los que estés trabajando.

Encontrando los Componentes que Necesitas para la Fusión de Sensores

Hasta ahora, hemos visto una variedad de diferentes componentes para la fusión de sensores. Estos componentes están disponibles fácilmente y se pueden usar para desarrollar pruebas de concepto, módulos de evaluación para componentes especializados, equipos de medición y adquisición, y mucho más. Para productos más especializados, como productos IoT habilitados para IA, los fabricantes de chips están desarrollando una gama de SoCs especializados que integran muchos o todos los componentes vistos aquí en un solo chip. Estos componentes más avanzados para tareas de fusión de sensores aún están en desarrollo, y es posible que no proporcionen el número de canales, la tasa de muestreo o la ganancia que necesitas para tu sistema.

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